Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein System und ein Verfahren zu Überwachung von technischen
Anlagen und Objekten anzugeben, welches einen vielfältig variierbaren
Einsatz, eine leichte Konfigurierbarkeit und eine einfache Bedienung
im Überwachungsbetrieb
bietet und dabei insbesondere die im Stand der Technik vorstehend
diskutierten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
System nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Patentanspruch
9 gelöst.
Dadurch, dass im Mikrocontroller
ferner eine Meldungseinheit zur ereignisgesteuerten Versendung von
Informationen enthalten ist, können
auf Ebene des durch den Mikrocontroller verwirklichten Überwachungsgerätes Ereignisse
erzeugt und an einen Benutzer übermittelt
werden. Ereignisse in diesem Sinne sind vorbestimmte und in die
Meldungseinheit einprogrammierte Zustände, die beispielsweise durch
Erreichen oder Überschreiten
eines Messwertes oder anderen Sensorsignals ausgelöst werden
und beispielsweise Alarmzustände
anzeigen.
Es wird dadurch gleichzeitig zur
ständigen Abfragbarkeit
der Messsignale über
den mikrocontrollerintegrierten Webserver der besondere Vorteil
erreicht, dass ausgelöst
durch ein solches Ereignis die Bedien- bzw. Überwachungsperson ereignisgesteuert
vom Mikrocontroller benachrichtigt wird, ohne dass dazu ein ständiges Abfragen
von Messwerten durch ein auf Bedienerseite gestartetes Programm notwendig
wäre. Dies
ist insbesondere für
sicherheitskritische Anwendungen und bei einer Vielzahl von überwachten
Objekten von Vorteil.
Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind nach den auf Anspruch 1 bzw. auf Anspruch 9 rückbezogenen
Unteransprüchen
möglich
und werden im folgenden kurz erläutert:
Durch
die vorteilhafte Weiterbildung dahingehend, dass die Meldungseinheit
durch ein durch den Webserver bereitgestelltes Benutzerinterface
programmierbar ist, wird erreicht, dass nicht nur die Überwachung
durch die Verwendung der Internettechnologie von jedem beliebigen
an das Netzwerk angeschlossenen Computer mit Webbrowser erfolgen
kann, wobei mittels Webbrowser die abgerufenen Informationen übersichtlich
als Prozess- oder Fließdiagramm dargestellt
werden, sondern es kann das Verhalten der Meldungseinheit, insbesondere
bei der Generierung von Alarm-Ereignissen
beeinflusst werden. So kann beispielsweise einem Alarm ein bestimmter Dringlichkeitswert
und eine dazu gehörige
Schwellengröße für einen
Messwert zugeordnet werden. Erreicht der Messwert den dem Alarm
zugeordneten Schwellenwert, so wird in der Meldungseinheit ein Alarm-Ereignis
ausgelöst
und vom Mikrocontroller initiiert an einen Benutzer übermittelt.
Weitere Ereignisse, die zu einer
Benachrichtigung führen
können,
können
beispielsweise weitere Alarm-Zustände, Grenzwertüber- oder
-unterschreitung oder Zustandsänderung
sein.
Ist der Mikrocontroller des Systems
dahingehend weitergebildet, dass der Mikrocontroller ein Modem aufweist, über das
alternativ oder gleichzeitig zur Netzwerkschnittstelle Daten übermittelt
werden können,
so kann dieses System vorteilhafterweise auch in solchen industriellen
Umgebungen eingesetzt werden, in denen ein Computernetzwerk, wie beispielsweise
ein LAN (Local Rrea Network) oder WLAN (Wireless Local Area Network)
nicht vorhanden ist und/oder aus technischen Gründen nicht praktikabel ist.
Die Verwendung des Modems erlaubt dann die Verwendung einer gewöhnlichen, üblicherweise
existierenden Telefonleitung zur Nachrichtübermittlung. Dieses Modem kann
dabei ein Analogmodem, Funk-, GSM- oder Digitalmodem (z.B. DECT)
sein.
Wird der im System enthaltene mindestens eine
Mikrocontroller dahingehend weiterbildet, dass er eine e-mail-Einheit aufweist
zur Versendung von Daten als e-mail-Nachricht,
so kann alternativ zum HTTP-Protokoll und dem HTML-Format eine e-mail typischerweise
per SMTP-Protokoll versandt werden. Hierdurch wird es ermöglicht,
die Messdaten periodisch und/oder ereignisgesteuert auf verschiedenste Arten
von Empfangsgeräten
für die
Bedienperson zu übertragen,
sofern diese Geräte
in der Lage sind, e-mails zu empfangen und darzustellen, etwa Standard-PCs,
Laptops oder Handheld-Computer mit nur schmalbandiger Datenanbindung.
Dazu ist es besonders vorteilhaft,
die e-mail-Einheit informationell mit der Meldungseinheit zu verbinden.
Im Sinne der gesamten vorliegenden
Patentanmeldung heißt "informationell verbunden" die Verbindung zwischen
zwei Funktionseinheiten im Mikrocontroller, durch einen Datenkanal,
der beispielsweise elektrisch, optisch oder durch gemeinsame Speicherbenutzung
erreicht werden kann, derart, dass zwischen den informationell verbundenen Funktionseinheiten
ein Fluss von Daten und/oder Instruktionen erfolgen kann.
Wird das System dahingehend vorteilhaft weitergebildet,
dass im Mikrocontroller ferner Mittel enthalten sind zur Abfrage
und Weiterverarbeitung von Daten aus weiteren Mikrocontrollern,
so wird erreicht, dass die Überwachung
in "modularer" Betrachtungsweise
erfolgen kann, indem die Überwachung
der technischen Anlage und von Objekten hierarchisiert wird.
Dabei tritt der überwachende Benutzer mit einem
ersten der Mikrocontroller des Überwachungssystems
direkt in Interaktion; dieser erste Mikrocontroller ist in diesem
Zusammenhang der "Master". Dieser Master fragt
seinerseits Überwachungsinformationen
periodisch oder ereignisgesteuert bei weiteren Mikrocontrollern
ab und verarbeitet diese gegebenenfalls weiter.
Auch hier kann die Interaktion zwischen
Benutzer und Master vorteilhafterweise über den Webserver erfolgen.
Für die
Datenabfrage und -übertragung
zwischen Master und den abzufragenden Mikrocontrollern ("Slaves") sieht eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung vor, einen Datenserver im Mikrocontroller
vorzusehen, welcher mit dem Datenspeicher des Mikrocontrollers informationell
verbunden ist und in der Lage ist, Daten über eine Schnittstelle zu übertragen,
Abfragebefehle zu erteilen und auf solche Abfragebefehle von außen zu reagieren. Vorteilhafterweise
kann dieser Datenserver vom im Mikrocontroller vorhandenen Webserver
unterschiedlich sein.
Für
die Erfassung von Messdaten in Zeitreihen und eine verbesserte statistische
Auswertung ist es vorteilhaft den Datenspeicher mit Mitteln für die Aufbereitung
und Archivierung von Daten auszustatten.
Eine Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, die zu versendenden ereignisbedingten Nachrichten als
reine Textnachrichten zu formatieren.
Diese Formatierung kann in der Meldungseinheit
stattfinden. Hierdurch wird es vorteilhafterweise ermöglicht,
eine Nachricht identisch in verschiedene Zielformate, etwa als e-mail
oder als SMS (Short Message Service) zu verwenden.
Im Falle einer Formatierung als e-mail-Nachricht
kann besonders vorteilhaft auch eine grafische Aufbereitung und/oder
eine tabellarische Aufbereitung von Messdaten als Grafikdatei oder/oder
sonstiges Dateiformat in eine e-mail eingebettet werden.
Eine durch Kostenersparnis und reduzierten technischen
Aufwand vorteilhaft wirkende Ausführungsform des Verfahrens ist
die Übermittlung
der Nachricht über
die Netzwerkschnittstelle.
Alternativ und aus den oben entsprechend genannten
Gründen
vorteilhaft ist die Übermittlung über ein
im Mikrocontroller integriertes Modem. Wird das Verfahren dahingehend
weiter ausgebildet, dass vor der Nachrichtenübermittlung eine Wahlphase vorgesehen
wird, so kann der Mikrocontroller von sich aus den Benutzer kontaktieren,
sobald ein Ereignis anfällt
und muss nicht etwa durch eine telefonische Anwahl vom Benutzer
aus abgefragt werden.
Wird das Überwachungsverfahren dahingehend
weitergebildet, dass sich der Benutzer beim Überwachungsgerät, nämlich dem
Mikrocontroller authentifiziert, so wird eine erhöhte Sicherheit
gegen unbefugten Zugriff auf die Daten erreicht. Besonders vorteilhaft
im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Master-/Slave- Konfiguration ist
es dabei besonders vorteilhaft, nach erfolgter Authentifizierung des
Benutzers gegenüber
dem ersten, als Master funktionierenden Mikrocontroller einer weitere
Authentifizierung folgen zu lassen, die der Master gegenüber den
als Slave arbeitenden Mikrocontrollern durchführt. Dieser Authentifizierungsschritt
zwischen Master und dem Slave (oder den Slaves) kann auch unabhängig von
der Authentifizierung zwischen Benutzer und Master erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweiter
Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 eine
schematische Darstellung eines Benutzungsszenarios und des funktionalen
Aufbaus eines darin eingesetzten Mikrocontrollers, und
2 eine
beispielhafte Bildschirmdarstellung der grafisch aufbereiteten Messwerte
im Webbrowser des überwachenden
Benutzers.
1 zeigt
die schematische Darstellung eines Benutzungsszenarios und eines
beispielhaft herausgegriffenen Mikrocontrollers nach funktionalen -Einheiten.
Dieses Ausführungsbeispiel des Mikrocontrollers 1 weist
als funktionale Basiseinheiten eine Sensor-/Aktor-Einheit 6, eine Datenbank-Einheit (DB-Einheit) 3,
einen Webserver 2, einen Datenserver 7 und eine
Meldungseinheit 8 auf. Als Kommunikations-Funktionseinheiten
sind weiterhin eine Netzwerkschnittstelle 4 zum Anschluss
an Computernetzwerke wie LAN oder WLAN, ein e-mail-client 9 zur Versendung
von Daten als e-mails, ein Modem 10 zum Aufbau von Wählverbindungen
sowie eine Sensor-/Aktor-Bus- Schnittstelle 5 zur Übertragung
von Signalen von und zu Aktoren und Sensoren 15.
Dabei können die Daten nicht nur als
Email, sondern auch als SMS verschickt werden. Die Übertragung
der SMS kann direkt über
das Modem verschickt werden im Fall eines GSM-Modems, oder indirekt über ein
Email-SMS-Gateway
eines Netzanbieters.
Für
den modus operandi der Überwachung stehen
verschiedene Möglichkeiten
zur Verfügung. Zur
durch den Benutzer des Systems gesteuerten Abfrage von Daten aus
dem hier beispielhaft dargestellten Mikrocontroller 1 kann
beispielsweise ein handelsüblicher,
personalcomputer-basierter Webbrowser 11 verwendet werden.
Der auf dem Personalcomputer ablaufende Webbrowser 11 kommuniziert
dabei über
den mit einem Computernetzwerk verbundenen PC mit dem Webserver
des ebenfalls mit dem Computernetzwerk verbundenen Mikrocontrollers 1.
Eine weitere Möglichkeit zur abfragebasierten Überwachung
besteht darin, dass ein rechnergestütztes Datenbank-System 14 Daten über die
vorgenannte Computernetzwerk-Schnittstelle 4 oder eine weitere
Datenschnittstelle Daten des Mikrocontrollers 1 von dessen
integrierten Datenserver 7 automatisiert oder benutzergesteuert
abfragt.
Eine weitere Art der Überwachung
besteht im Unterschied zur Abfrage durch den überwachenden Benutzer darin,
dass im Falle des Auftretens eines Ereignisses im Mikrocontroller 1 das Übersenden
einer Meldung an den Benutzer vom Mikrocontroller veranlasst wird.
In diesem Falle kann eine solche Meldung an einen handelsüblichen
personalcomputer-basierten e-mail-client
12 übermittelt
werden, oder ebenso an andere, email-fähige
Geräte oder
ferner als SMS-Textnachricht (Short Message Service) auf das Mobiltelefon 13 eines
Benutzers.
Die vorher beschriebenen Funktions-
und Kommunikationseinheiten des Mikrocontrollers 1 können in
Hard- und/oder Software
realisiert sein. Die Sensor-/Aktor-Einheit 6 ist an viele Sensor-/Aktor-Busse
anpassbar und erhält
von den Aktoren und Sensoren 15 die entsprechenden Signale über die Sensor-/Aktor-Bus-Schnittstelle 5.
Die Sensor-/Aktor-Einheit 6 ermittelt aus diesen Signalen
die entsprechenden Überwachungsdaten
und übergibt
diese an die Datenbank-Einheit 3.
Die Datenbank-Einheit (DB-Einheit)
ist für die
Aufbereitung / Verarbeitung und Archivierung der Daten zuständig, so
dass sie im weiteren vom Datenserver 7, vom Webserver 2 oder
der Meldungseinheit 8 weiter aufbereitet und übermittelt
werden können. Die Übermittlung
der Daten kann dabei über
die Computer-Netzwerkschnittstelle 4 oder über andere Kommunikationskanäle, beispielsweise
das Modem 10 erfolgen. Als Computernetzwerk 4 kommt
dabei ein LAN (Local Area Network) auf TCP/IP-Basis in Betracht,
was die Verwendung standardmäßiger Internettechnologien
erheblich vereinfacht, so dass die Abfrage auch von außerhalb über das
Internet erfolgen kann, oder z.B. WANs (Wide Area Networks) zwischengeschaltet
sein können.
Der Webserver 2 kommuniziert über das Computernetzwerk
mit dem Webbrowser des Benutzers über das HTTP-Protokoll (Hypertext
Transfer Protocoll) und sorgt für
die Formatierung der Daten zu Webseiten im HTML-Format (Hypertext Markup Language) sowie
grafikba siert als Prozess- oder Fließdiagramme, welche in die Web-Seiten
als Grafik eingebunden sein können.
Der Datenserver 7 stellt
eine alternative Abfragemöglichkeit
von Daten aus dem Mikrocontroller 1 von außen zur
Verfügung,
beispielsweise durch ein rechnergestütztes Datenbanksystem 14,
welches Daten abfragt und sammelt für die Zwecke der Statistik
und der Dokumentation. Weiterhin kann die Abfragemöglichkeit
des Datenservers 7 zur Informationszusammenführung mehrerer,
im Überwachungssystem
verwendeter Mikrocontroller verwendet werden.
Die Meldungseinheit 8 ist
für die Überwachung
und Benachrichtigung bei Alarm, Grenzwertüber- oder -unterschreitung
oder Zustandsänderungen
mittels e-mail, SMS oder ähnlicher
Formate zuständig.
Dazu überwacht
die Meldungseinheit, durch den Benutzer vorher über den Web-Server 2 konfiguriert,
das Eintreten vorher bestimmter Umstände, die ein Ereignis auslösen. Wie
vorher aufgezählt
können solche
Ereignisse Grenzwertüber-
oder -unterschreitungen, Zustandsänderungen oder vordefinierte Alarmsituationen
sein. In einem solchen Fall kann die Meldungseinheit je nach Konfiguration
gewisse Daten aus der Datenbankeinheit abrufen und mit weiteren
Informationen versehen als Textnachricht formatieren, wonach diese
Textnachricht an den e-mail-client 9 weitergegeben wird,
welcher die Textnachricht als e-mail an den Empfänger bzw. dessen e-mail-client 12 übersendet.
Solche e-mails können
eingebunden auch Grafiken oder tabellarische Zusammenstellungen,
beispielsweise im Excel-Format, enthalten, beispielsweise als e-mail-attachment.
Alternativ kann die Meldungseinheit
veranlassen, eine entsprechende Textnachricht als SMS-Nachricht
an das Mobiltelefon des Benutzers 13 zu versenden. Ferner
besteht die Möglichkeit, dass
die Meldungseinheit 8 das Modem 10 veranlasst,
eine Wählverbindung
aufzubauen, über
die die Daten übermittelt
werden können.
Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn keine Computernetzwerke
im räumlichen
Anwendungsbereich der Überwachungsanlage
zur Verfügung
stehen, oder wenn die Überwachungsperson
nicht regelmäßig am Computerarbeitsplatz
lokalisiert ist.
In dieser 1 nicht näher dargestellt, jedoch in
diesem Anwendungsszenario von praktischer Bedeutung ist die hierarchisch-modulare
Funktionsweise des Gesamtsystems in einem konkreten Anwendungsfall:
In diesem konkreten Anwendungsfall ist der in 1 dargestellte Mikrocontroller 1 als "Master" eingesetzt; es sind
weitere, analog zum Mikrocontroller 1 aufgebaute, Mikrocontroller über das Netzwerk
mit dem Master verbunden. Diese weiteren Mikrocontroller werden
als "Slaves" eingesetzt. Dabei
fragt der als Master eingesetzte Mikrocontroller 1 die
Messwerte der Slave-Mikrocontroller ab und verarbeitet diese weiter.
Dies Abfrage kann über
den Datenserver 7 der Slave-Mikrocontroller erfolgen. Für die Verbindung
der Mikrocontroller untereinander kann das Computer-Netzwerk zu Anwendung
kommen.
Es kann zwar ein Benutzer über seinen
Standard-Webbrowser 11 jeden
einzelnen der verschiedenen Mikrocontroller über dessen jeweils integrierten
Webserver 2 abfragen. Jedoch kommt der besondere Vorteil
dieser hier beschriebenen Master-/Slave-Konfiguration dann zum Tragen,
wenn der Benutzer den auf dem Master-Mikrocontroller 1 vorhandenen
Webserver 2 abfragt, da der Master 1 die Daten der
verschiedenen Slave-Mikrocontroller in sich vereint, weiterverarbeitet
und übersichtlich
zusammengestellt hat.
Der Master kann sowohl die Daten
der verschiedenen Slaves in sich vereinen, weiterverarbeiten und übersichtlich
darstellen als auch als zentraler Zugang (Gateway) zu den einzelnen
Slaves dienen.
Die Sicherheit der Benutzung dieser
Konfiguration wird erhöht,
wenn sich der abfragende Benutzer zunächst gegenüber dem abgefragten Mikrocontroller
authentifizieren muss. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn
die Authentifizierung ebenfalls dezentralisiert verläuft, derart,
dass sich der Benutzer lediglich gegenüber dem Master-Mikrocontroller authentifiziert,
wonach der Master-Mikrocontroller die Authentifizierungsinformationen
gegebenenfalls an die nachgeordneten Slave-Mikrocontroller weiterleitet,
oder ein von der vorgenannten Authentifizierung völlig unabhängiger Authentifizierungsvorgang
zwischen Master und zugeordneten Slaves stattfindet.
Ein besonderer Vorteil dieser hierarchisch-modularen
Konfiguration einer Vielheit von Mikrocontrollern in Master- und
Slave-Einheiten besteht darin, dass die Daten der überwachten
Teilbereiche je Mikrocontroller nicht zuerst in einem zentralen
Knoten zusammengeführt
und dann ausgewertet werden, sondern die Informationsbeschaffung,
-verarbeitung und -visualisierung für jeden Teilbereich auf der
Ebene des entsprechenden Überwachungsknotens
(Mikrocontroller) durchgeführt
wird. Diese Vorgehensweise führt
gegenüber
der herkömmlichen Überwachungsmethode
wie sie im Stand der Technik beschrieben wird, zu einer erheblichen
Reduzierung der benötigten
Ressourcen, beispielsweise Hardware-Kapazität, benötigte Software und deren Kom plexität sowie
Rechenzeit. Es lassen die verringerten Anforderungen an die Leistungsfähigkeit
von Hard- und Software nun die Verwendung von Mikrocontrollern auch
für anspruchsvolle Überwachungsaufgaben
in komplexen Systemen zu.
Ein weiterer Vorteil ist die hohe
Verfügbarkeit.
Der Ausfall eines Slaves führt
nicht zum Ausfall des gesamten Systems. Im Einzelfall können die
Slaves und/oder der Master redundant gehalten werden, was eine noch
höhere
Verfügbarkeit
bewirkt.
2 zeigt
ein Bildschirmfoto eines Überwachungsbildschirmes,
wie sie im Webbrowser (1:11)
einer Überwachungsperson
angezeigt wird.
Es zeigt dieser Überwachungsbildschirm eine
solar betriebene thermische Kälteanlage.
Die Visualisierung, die hier durch den Webserver des Master-Mikrocontrollers
(1:2) durchgeführt wurde, erfolgt
in derselben grafischen Aufbereitung, wie sie eine Leitzentrale
nach dem Stand der Technik darstellen würde anhand eines Prozessdiagramms.
Bereits in der Anlage vorhandene
Sensorik wurde in diesem Ausführungsbeispiel
adaptiert. Die Anlagenüberwachung
kann über
jeden mit dem Computernetzwerk verbundenen Personalcomputer erfolgen.
Anfallende Meldungen werden mittels e-mail und SMS an die Überwachungspersonen
(Betreiber, Rufbereitschaft usw.) weitergeleitet.