Design and implementation of a holistic framework for data integration in industrial machine and sensor networks

Digitalization and connectivity trends in industrial plants and production equipment create vast and heterogeneous networks of data sources, data sinks and various communication protocols. Data fusion and evaluation of these resources result in high costs for data integration and maintenance. Therefore, we propose a new framework, called MyGateway, enabling effortless integration of heterogeneous data sources, their fusion within the framework and publication to data sinks as needed. For easy integration, deployment, and expansion of the framework we provide an implementation in JAVA using open-source adapters for common industrial protocols and a simple API for usage in user specified setups

Einfluss der Kabelschirmung der Batterie- und Motorkabel eines Traktionsinverters auf die Störspannung an der Bordnetznachbildung

Der elektrische Antriebstrang eines Elektrofahrzeuges (EF) besteht heute typischerweise aus einer HV-Batterie, einem Inverter und einer elektrischen Maschine. Im Inverter wird dabei mit Hilfe von Leistungshalbleitern die Batteriegleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom gewandelt, um die elektrische Maschine anzutreiben. Schnelle Schaltzeiten bei der Wandlung gewährleisten einen hohen Wirkungsgrad und vermeiden eine Überhitzung der Leistungshalbleiter. Aufgrund des hohen Störpotenzials dieser Schalthandlungen werden nach dem Stand der Technik geschirmte Hochvoltkabel für die Batterieund Motorkabel des elektrischen Antriebsstrangs eingesetzt. Diese Schirmung ist bei vielen Systemen notwendig, um die vom Automobilhersteller geforderten Grenzwerte für gestrahlte Störemissionen einzuhalten. Nachteile des Kabelschirms sind ein hohes Gewicht, hohe Kosten und strenge Anforderungen an die Alterung der Kabelstecker. Eine mögliche Alternative zur Schirmung ist eine aufwändige Filterung der leitungsgebundenen Störung, die zumindest Vorteile beim Gewicht und den Anforderungen an die Stecker verspricht. Dieser Beitrag beschäftigt sich damit, wie die Schirmung der Hochvoltkabel die Störströme auf den Batterieleitungen und die Störspannung an der Bordnetznachbildung beeinflusst. Dazu wird bei einen bestehenden Testaufbau untersucht, wie Gleichtakt und Gegentaktstörungen im Antriebsstrang entstehen und wie diese anhand einfacher Simulationsmodelle nachgebildet werden können. Während des Betriebs des Inverters werden für ein System mit geschirmten und für ein System mit ungeschirmten Hochvoltkabel die Störspannungen an der Bordnetznachbildung (BNN) gemessen und mittels der vorgestellten Simulationen im Frequenzbereich von 150 kHz bis 110 MHz erklärt

Einfluss der Kabelschirmung der Batterie- und Motorkabel eines Traktionsinverters auf die Störspannung an der Bordnetznachbildung

Der elektrische Antriebstrang eines Elektrofahrzeuges (EF) besteht heute typischerweise aus einer HV-Batterie, einem Inverter und einer elektrischen Maschine. Im Inverter wird dabei mit Hilfe von Leistungshalbleitern die Batteriegleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom gewandelt, um die elektrische Maschine anzutreiben. Schnelle Schaltzeiten bei der Wandlung gewährleisten einen hohen Wirkungsgrad und vermeiden eine Überhitzung der Leistungshalbleiter. Aufgrund des hohen Störpotenzials dieser Schalthandlungen werden nach dem Stand der Technik geschirmte Hochvoltkabel für die Batterieund Motorkabel des elektrischen Antriebsstrangs eingesetzt. Diese Schirmung ist bei vielen Systemen notwendig, um die vom Automobilhersteller geforderten Grenzwerte für gestrahlte Störemissionen einzuhalten. Nachteile des Kabelschirms sind ein hohes Gewicht, hohe Kosten und strenge Anforderungen an die Alterung der Kabelstecker. Eine mögliche Alternative zur Schirmung ist eine aufwändige Filterung der leitungsgebundenen Störung, die zumindest Vorteile beim Gewicht und den Anforderungen an die Stecker verspricht. Dieser Beitrag beschäftigt sich damit, wie die Schirmung der Hochvoltkabel die Störströme auf den Batterieleitungen und die Störspannung an der Bordnetznachbildung beeinflusst. Dazu wird bei einen bestehenden Testaufbau untersucht, wie Gleichtakt und Gegentaktstörungen im Antriebsstrang entstehen und wie diese anhand einfacher Simulationsmodelle nachgebildet werden können. Während des Betriebs des Inverters werden für ein System mit geschirmten und für ein System mit ungeschirmten Hochvoltkabel die Störspannungen an der Bordnetznachbildung (BNN) gemessen und mittels der vorgestellten Simulationen im Frequenzbereich von 150 kHz bis 110 MHz erklärt

Vergleich der leitungsgebundenen Störemissionen und des Wirkungsgrads von Silizium IGBTs mit Siliziumkarbit MOSFETs als Leistungsschalter in Traktionsinvertern

Bei der Elektromobilität entwickeln sich die Reichweite und der Preis des Fahrzeuges zu einer der Schlüsselrollen. Dies hat direkte Auswirkungen auf alle Komponenten des elektrischen Antriebstrangs eines Elektrofahrzeuges (EF). Beim Inverter, der im EF zur Wandlung der Batteriegleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom genutzt wird, um die elektrische Maschine anzutreiben, sind daher ein hoher Wirkungsgrad und geringe Gesamtkosten erstrebenswert. Inverter heutiger EFs basieren typischerweise auf Silizium (Si) Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT). Der Wirkungsgrad dieser Inverter wird meist zwischen 90% und 95% angegeben. Dieser Wirkungsgrad wird jedoch nur im Nennbetriebspunkt des Inverters erreicht. Vor allem im Teillastbetrieb des Inverters verringert sich sein Wirkungsgrad stark. Durch Verwendung von Metall Oxid Feldeffekttransistoren (MOSFET) aus neuen Halbleitermaterialien wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) kann sowohl für den Nennbetriebspunkt als auch im Teillastbereich der Wirkungsgrad des Inverters nennenswert erhöht werden. Dies wird zum einen durch schnellere Schaltzeiten und damit einhergehende geringere Schaltverluste und zum anderen durch geringere Durchlassverluste der Leistungsschalter erreicht. Zusätzlich ermöglicht ein Inverter basierend auf SiC-MOSFETs eine schnellere Taktfrequenz, höhere Betriebsspannungen und weitere Vorteile, wie beispielsweise beim Thermomanagement. Diesen Vorteilen bei Verwendung von SiC-MOSFETs stehen größere leitungsgebunden als auch feldgebunden Emissionen des Inverters gegenüber [1]. In diesem Beitrag soll untersucht werden, wie stark die leitungsgebundenen Störungen eines Inverters beeinflusst werden, wenn Si-IGBTs durch SiC-MOSFETs ersetzt werden. Dazu wird ebenfalls untersucht, in wieweit Veränderungen von Systemgrößen, wie beispielsweise eine Erhöhung der Taktfrequenz und der Batteriespannung, den Wirkungsgrad und die leitungsgebundenen Emissionen des Inverters beeinflussen

Importance of the Initial Conditions for Star Formation - I. Cloud Evolution and Morphology

We present a detailed parameter study of collapsing turbulent cloud cores, varying the initial density profile and the initial turbulent velocity field. We systematically investigate the influence of different initial conditions on the star formation process, mainly focusing on the fragmentation, the number of formed stars, and the resulting mass distributions. Our study compares four different density profiles (uniform, Bonnor-Ebert type, $\rho\propto r^{-1.5}$, and $\rho\propto r^{-2}$), combined with six different supersonic turbulent velocity fields (compressive, mixed, and solenoidal, initialised with two different random seeds each) in three-dimensional simulations using the adaptive-mesh refinement, hydrodynamics code FLASH. The simulations show that density profiles with flat cores produce hundreds of low-mass stars, either distributed throughout the entire cloud or found in subclusters, depending on the initial turbulence. Concentrated density profiles always lead to the formation of one high-mass star in the centre of the cloud and, if at all, low-mass stars surrounding the central one. In uniform and Bonnor-Ebert type density distributions, compressive initial turbulence leads to local collapse about 25% earlier than solenoidal turbulence. However, central collapse in the steep power-law profiles is too fast for the turbulence to have any significant influence. We conclude that (I) the initial density profile and turbulence mainly determine the cloud evolution and the formation of clusters, (II) the initial mass function (IMF) is not universal for all setups, and (III) that massive stars are much less likely to form in flat density distributions. The IMFs obtained in the uniform and Bonnor-Ebert type density profiles are more consistent with the observed IMF, but shifted to lower masses.Comment: 20 pages, MNRAS in pres

First evidence for a late LGM subglacial lake in Pine Island Bay, Antarctica

Subglacial lakes are widespread beneath the Antarctic Ice Sheet and as a source for subglacial meltwater they are assumed to modulate ice stream velocity. Further, the evacuation of subglacial meltwater at the ice sheet margin influences ocean circulation and geochemical cycles. However, despite their importance„ subglacial lakes are one of the least explored environments on our planet. As a consequence, their importance for ice sheet dynamics and their ability to harbour life remain poorly characterised. We present the first direct evidence for a palaeo-subglacial lake on the Antarctic continental shelf, document- ing that subglacial meltwater was stored during the last glacial period and evacuated during the subsequent deglaciation. A distinct sediment facies observed in a core recovered from a small bedrock basin in Pine Island Bay, Amundsen Sea, is indicative of deposition within a low-energy subglacial lake setting. Diffusive modelling demonstrates that low chloride concentrations in the pore water of this characteristic sediment facies can only be explained by original deposition in a freshwater setting. We also show that the location of the subglacial lake within a basin on the inner shelf is consistent with the predicted distribution of subglacial lakes based on bathymetric data. This finding will enable future modelling studies to investigate how the geometry and capacity of subglacial lake systems can influence ice dynamics when the substrate and profile of the ice sheet is known – especially in the highly sensitive area known as the "weak underbelly" of the WAIS. With the exception of a direct lake water access at Subglacial Lake Vostok, and some centimetres of sediment retrieval from Subglacial Lake Whillans, the subglacial hydrological system in Antarctica has hitherto mostly been explored using remote sensing and numerical models that suggest the number of potential lake sites to more than 12.000. Our study not only provides first empirical evidence for a palaeo-subglacial lake but also delivers a framework for investigating and refining exploration of these unique subglacial lake environments and their sediments beneath thick contemporary ice sheets. Our approach, however, is easier and cheaper to conduct by using ship borne coring equipment on the seasonal ice-free continental shelf

Importance of the Initial Conditions for Star Formation - III: Statistical Properties of Embedded Protostellar Clusters

We investigate the formation of protostellar clusters during the collapse of dense molecular cloud cores with a focus on the evolution of potential and kinetic energy, the degree of substructure, and the early phase of mass segregation. Our study is based on a series of hydrodynamic simulations of dense cores, where we vary the initial density profile and the initial turbulent velocity. In the three-dimensional adaptive mesh refinement simulations, we follow the dynamical formation of filaments and protostars until a star formation efficiency of 20%. Despite the different initial configurations, the global ensemble of all protostars in a setup shows a similar energy evolution and forms sub-virial clusters with an energy ratio $E_\mathrm{kin}/|E_\mathrm{pot}|\sim0.2$. Concentrating on the innermost central region, the clusters show a roughly virialised energy balance. However, the region of virial balance only covers the innermost $\sim10-30$ of all the protostars. In all simulations with multiple protostars, the total kinetic energy of the protostars is higher than the kinetic energy of the gas cloud, although the protostars only contain 20% of the total mass. The clusters vary significantly in size, mass, and number of protostars, and show different degrees of substructure and mass segregation. Flat density profiles and compressive turbulent modes produce more subclusters then centrally concentrated profiles and solenoidal turbulence. We find that dynamical relaxation and hence dynamical mass segregation is very efficient in all cases from the very beginning of the nascent cluster, i.e., during a phase when protostars are constantly forming and accreting.Comment: 19 pages, MNRAS accepte

Subglacial lakes, seafloor geomorphology, and deglaciation history in Pine Island Bay, West Antarctica during the last glacial termination

Subglacial meltwater largely facilitates rapid but nonlinear ice flow beneath concurrent ice streams, and there is widespread evidence for a dynamic subglacial water system beneath the Antarctic Ice Sheet. It steers and affects the pattern of ice flow and is a direct result of boundary processes acting at the ice sheet bed, i.e. pressure-induced basal melting. Consequently, the occurrence of subglacial meltwater plays an important role in bedrock erosion, subsequent re-deposition, and in shaping the topography of ice-sheet beds. Here we present new geological, geophysical, and geochemical data from sediment cores recovered from the continental shelf in Pine Island Bay. We interpret the data as reliably indicating palaeo-subglacial lake deposition beneath the formerly expanded West Antarctic Ice Sheet, presumably during and/or subsequent to the Last Glacial Maximum (LGM) (Kuhn et al. 2017). Characteristic changes of sedimentary facies and geochemical profiles within these cores that were recovered on RV Polarstern expeditions ANT-XXIII/4 (2006) and ANT-XXVI/3 (2010), support the presence of an active and expanded subglacial lake system in at least five basins. The basins, which also have been targeted by sediment coring during the recent RV Polarstern cruise PS104 (2017), had been carved into bedrock over previous glacial cycles and were then filled with several meters of sediments. These findings have important implications for palaeo ice-sheet dynamics, suggesting the presence of considerable amounts of water lubricating the ice-bed interface, eventually leading to the subglacial deposition of lake sediments and water-saturated soft tills. Based on our recent findings, we conclude that the transition from the subglacial lake to an ocean-influenced environment took place during deglaciation at the transition from the LGM to the Holocene. We suggest that the ice sheet thinned and the subglacial lake basins successively transformed to sub-ice cavities, flushed by tidal currents at this time. We will present estimates of ice thickness for buoyancy at the grounding line for the time when the grounding line retreated landward across the rim of the subglacial lake. These estimates are based on the bathymetric setting, a glacial isostatic adjustment model, a global sea level curve, and the available chronological information. Our findings have implications for ice sheet models, which need to consider the predominantly non-linear effects related to subglacial hydrology. Keywords: West Antarctic Ice Sheet (WAIS), Sub-Ice processes, Deglaciation processes References Kuhn, G., Hillenbrand, C.-D., Kasten, S., Smith, J. A., Nitsche, F. O., Frederichs, T., Wiers, S., Ehrmann, W., Klages, J. P., Mogollón, J. M., 2017. Evidence for a palaeo-subglacial lake on the Antarctic continental shelf. Nature Communications, 8, 15591

New details about the LGM extent and subsequent retreat of the West Antarctic Ice Sheet from the easternmost Amundsen Sea Embayment shelf

In recent years several previously undiscovered grounding-zone wedges (GZWs) have been described within the Abbot-Cosgrove palaeo-ice stream trough on the easternmost Amundsen Sea Embayment shelf. These GZWs document both the Last Glacial Maximum (LGM; 26.5-19 cal. ka BP) grounding-line extent and the subsequent episodic retreat within this trough that neighbors the larger Pine Island-Thwaites trough to the west. Here we combine bathymetric, seismic, and geologic data showing that 1) the grounding line in Abbot Trough did not reach the continental shelf break at any time during the last glacial period, and 2) a prominent stacked GZW constructed from six individual wedges lying upon another was deposited 100 km upstream from the LGM grounding-line position. The available data allow for calculating volumes for most of these individual GZWs and for the entire stack. Sediment cores were recovered seawards from the outermost GZW in the trough, and from the individual wedges of the stacked GZW in order to define the LGM grounding-line extent, and provide minimum grounding-line retreat ages for the respective positions on the stacked GZW. We present implications of a grounded-ice free outer shelf throughout the last glacial period. Furthermore, we assess the significance of the grounding-line stillstand period recorded by the stacked GZW in Abbot Trough for the timing of post-LGM retreat of the West Antarctic Ice Sheet from the Amundsen Sea Embayment shelf

First deployment of a multi-barrel sea floor drill rig on the Antarctic continental shelf: experiences from the MARUM-MeBo70 on Polarstern-Expedition PS104

The MARUM-MeBo (abbreviation for Meeresboden-Bohrgerät, the German expression for seafloor drill rig) is a robotic drilling system that is developed since 2004 at the MARUM Center for Marine Environmental Sciences at the University of Bremen in close cooperation with Bauer Maschinen GmbH and other industry partners. The MARUM-MeBo drill rigs can be deployed from multipurpose research vessel like, RV MARIA S. MERIAN, RV METEOR, RV SONNE and RV POLARSTERN and are used for getting long cores both in soft sediments as well as hard rocks in the deep sea. The first generation drill rig, the MARUM-MeBo70 is dedicated for drilling depths of more than 70 m (Freudenthal and Wefer, 2013). Between 2005 and 2017 it was deployed on 18 research expeditions and drilled more than. 3 km into different types of lithologies including carbonate and crystalline rocks, gas hydrates, sands and gravel, glacial till and hemipelagic mud with an average recovery rate of 67 %. In February and March 2017 the MeBo70 was used on the West Antarctic continental shelf in the Amundsen Sea Embayment for the first time. The goal of the deployment on RV Polarstern expedition PS104 was to recover a series of sediment cores from different ages that will provide material for investigating the glaciation history of this area known as the most dynamic drainage area of the West Antarctic Ice Sheet. In this presentation we will focus on the operational experiences of this first deployment of a multi-barrel sea floor drill rig on the Antarctic continental shelf. References: Freudenthal, T and Wefer, G (2013) Drilling cores on the sea floor with the remote-controlled sea floor drilling rig MeBo. Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems, 2(2). 329-337. doi:10.5194/gi-2-329-201