Festplatten für Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelsysteme

Die meisten heutigen Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelsysteme verfügen über mindestens eine Festplatte. Diese befindet sich entweder im Desktop- oder Laptop-PC, mit dem das System gesteuert wird, oder ist in einen Embedded-Controller integriert, wie etwa bei modularen Plattformen wie PXI. Viele Stand-alone-Messgeräte haben auch eine interne Festplatte. Egal wo sich die Festplatte im System befindet, bei ihrer Auswahl müssen eine Reihe von Faktoren in Betracht gezogen werden. Dazu gehören die Umgebungsbedingungen des implementierten Systems, der Verwendungszweck und die Anforderungen an Redundanz und Ersatzmöglichkeiten. Außerdem sollten Anwender die Grundlagen der Funktionsweise von Festplatten verstehen. Folgende Themen werden in diesem Whitepaper behandelt:

Anleitung zur Auswahl einer Festplatte

Folgende Tabelle verdeutlicht die in diesem Whitepaper erläuterten Konzepte. Sie soll als Leitfaden für die Auswahl von Festplatten für Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelanwendungen dienen.

Tabelle 1: Leitfaden für die Auswahl von Festplatten für Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelsysteme

Grundlagenwissen zu Festplatten

Die meisten Festplatten speichern Daten auf einer rotierenden magnetischen Scheibe. Der Aktor bewegt den Arm vom äußeren Rand der Scheibe bis zur Achse, um den Schreibkopf dort über der Scheibe zu positionieren, wo die Daten geschrieben oder gelesen werden. Um Daten zu speichern, erzeugt der Schreibkopf beim Schreiben von Daten ein magnetisches Feld, das die Oberfläche der Scheibe magnetisiert. Diese Informationen können zum Auslesen der Daten vom Schreibkopf gelesen werden.

Abbildung 1: Rotierende magnetische Festplatten speichern Daten auf einer magnetischen Scheibe, indem sie mit dem Schreibkopf ein Magnetfeld erzeugen.

Damit mehr Daten gespeichert werden können, enthalten die meisten Festplatten mehrere Scheiben, die übereinander angeordnet sind. Jede Platte hat einen eigenen Arm und Schreibkopf zum Schreiben und Lesen von Daten.

Abbildung 2: Die meisten Festplatten umfassen mehrere Scheiben, so dass sie mehr Daten speichern können.

Daneben gibt es auch die sogenannten Solid-State-Festplatten. Anders als rotierende magnetische Festplatten enthalten sie keine beweglichen Teile. Solid-State-Festplatten basieren auf Flash-Speicher, d. h. dass Daten mithilfe von Transistoren elektrisch gespeichert werden. Anwendungsmöglichkeiten für Solid-State-Festplatten werden später genauer behandelt.

Temperatur

Den größten Einfluss auf die Lebensdauer einer Festplatte hat die Temperatur. Ist es zu heiß, verkürzt sich die Lebensdauer des Schreibkopfs. Eine Temperaturerhöhung von 5 °C kann die Lebensdauer einer Festplatte etwa um bis zu zwei Jahre verkürzen. Zu hohe Temperaturen führen auch dazu, dass sich der Abstand zwischen Schreibkopf und Scheibe reduziert, was dazu führen kann, dass der Schreibkopf das Medium berührt und somit beschädigt. Wird ein System in einem Umfeld mit einer minimalen Temperatur von weniger als 5 °C und/oder einer maximalen Umgebungstemperatur von über 50 °C betrieben, muss eine Festplatte mit erweitertem Betriebstemperaturbereich gewählt werden. Diese Festplatten sind mit Bauteilen ausgestattet, die für hohe Zuverlässigkeit bei extrem niedrigen und hohen Temperaturen konzipiert sind.

National Instruments bietet Versionen von Embedded-PXI- und -PXI-Express-Controllern für erweiterte Temperaturen, die Festplatten mit Temperaturspezifikationen enthalten, welche diejenigen von Standardfestplatten übertreffen (einige dieser Festplatten für erweiterte Temperaturen eignen sich auch für erweiterte Betriebszeiten oder Dauerbetrieb). Diese Festplatten können bei Temperaturen von mindestens -20 bis 80 °C eingesetzt werden. Die Embedded-Controller eignen sich für erweiterte Betriebstemperaturen von 0 bis 55 °C und können bei -40 bis 85 °C gelagert werden.

PXI- und PXI-Express-basierte Embedded-Controller von NI für erweiterte Temperaturbereiche

Stoß- und Vibrationsfestigkeit

Wird ein System in einer Umgebung verwendet, in der es starken Stößen und/oder Schwingungen ausgesetzt ist, sind Standardfestplatten mit einer rotierenden magnetischen Scheibe unter Umständen nicht geeignet. Starke Stöße und/oder Schwingungen können dazu führen, dass der Schreibkopf das Medium berührt und beschädigt. In der Regel sind Festplatten mit 2,5 Zoll robuster als solche mit 3,5 Zoll, da sie für den Einsatz in Laptops konzipiert sind, die deutlich mehr bewegt werden als Desktop-PCs.

Solid-State- oder Flash-Festplatten enthalten keine beweglichen Teile, so dass sie stärkere Stöße und Vibrationen aushalten als Standardfestplatten mit rotierenden Scheiben. Solid-State-Festplatten sollten in Betracht gezogen werden, wenn ein System noch stärkeren Stößen und/oder Schwingungen ausgesetzt wird als ein Standard-Laptop. Auch wenn Stöße und/oder Schwingungen auftreten können, während Daten auf die Festplatte geschrieben oder von ihr gelesen werden, ist es eventuell sinnvoll, eine Solid-State-Festplatte zu verwenden.

Dabei darf man allerdings nicht vergessen, dass Solid-State-Festplatten deutlich mehr kosten als Standardfestplatten. Aber auch hier sollte man bei der Auswahl einige Dinge beachten. Es ist möglich, dass eine Solid-State-Festplatte 24 Stunden pro Tag, 7 Tage die Woche mit einem Durchsatz von 60 MB/s 7 Jahre lang läuft. Genauso ist es möglich, dass dieselbe Festplatte bei den gleichen Bedingungen nur ein paar Monate hält. Deshalb sollte man die Dokumentation für die in Frage kommenden Solid-State-Festplatten genau studieren und sich vom Hersteller der Festplatten beraten lassen.

National Instruments bietet ein Upgrade neuer Embedded-PXI- oder -PXI-Express-Controller mit einer Solid-State-Festplatte.

Solid-State-Festplatten von NI

Dauerbetrieb

Standardfestplatten sind für einen Betrieb von 8 Stunden pro Tag an 5 Tagen pro Woche konzipiert. Dessen sollte man sich bewusst sein, wenn ein Prüf-, Mess-, Steuer- oder Regelsystem in eine Anwendung implementiert wird, die erweiterte Betriebszeiten bis hin zum Dauerbetrieb benötigt. Häufig stellen solche Anwendungen auch besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Auslastung. Standardfestplatten sind in der Regel so ausgelegt, dass sie maximal ein Fünftel ihrer gesamten Betriebszeit den vollen Datendurchsatz liefern müssen. Anwendungen, die erweiterte Betriebszeiten und/oder eine hohe Auslastung erfordern, benötigen eine Festplatte, die speziell für diese Betriebsbedingungen konzipiert ist. Solche Geräte werden häufig auch als „24/7“-Festplatten bezeichnet, sie sind also für den Betrieb von 24 Stunden am Tag an 7 Tagen pro Woche ausgelegt.

National Instruments hat Embedded-PXI- und PXI-Express-Controller für erweiterte Betriebszeiten im Angebot, darunter auch 24/7-Festplatten. Diese eignen sich auch für einen erweiterten Temperaturbereich.

PXI- und PXI-Express-basierte Embedded-Controller von NI für erweiterte Betriebszeiten (bis zum Dauerbetrieb)

Neben der Auswahl der passenden Festplatte ist auch ein geeigneter Systemspeicher (oder RAM) wichtig, wenn das System in einer Anwendung mit erweitertem Betrieb zum Einsatz kommt. Benötigen die auf dem System ablaufenden Programme mehr Speicher als zur Verfügung steht, greift das Betriebssystem auf die Festplatte als virtuellen Speicher zurück. Findet dieser Vorgang kontinuierlich statt, kann sich die Lebensdauer der Festplatte verkürzen. Für Anwendungen im Dauerbetrieb, also 24/7, muss im System genug Speicher zur Verfügung stehen, damit alle Anforderungen der Software abgedeckt werden.

Streaming

Die Leistung einer Festplatte hängt von einer Reihe von Spezifikationen ab. Diese legen auch die kontinuierliche Rate fest, mit der Daten auf eine Festplatte geschrieben oder davon gelesen werden können, was auch als Streaming bezeichnet wird. Drei der einflussreichsten Spezifikationen sind dabei die Suchzeit (also die Zeit, die der Schreibkopf braucht, um sich richtig zu positionieren), die Größe des Puffers und die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe.

Festplatten verfügen über einen kleinen integrierten RAM, der einen Hochgeschwindigkeitspuffer zwischen Schnittstelle und Medium darstellt. Ein größerer Puffer verbessert die Leistung, da er mehr Daten aufnimmt. Daten, auf die häufig zugegriffen wird, können im Puffer gespeichert werden. Außerdem steht der Puffer für die Datenspeicherung zur Verfügung, wenn das Festplattenmedium nicht mit der Geschwindigkeit mithalten kann, mit der Daten von der Schnittstelle geschrieben werden. Die Größe von Puffern variiert meist von 2 MB bis 16 MB.

Am meisten Einfluss auf die Gesamtleistung der Festplatte und die kontinuierlichen Streaming-Raten hat die Rotationsgeschwindigkeit, die als RPM (Rotationen pro Minute) angegeben wird. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit, desto höher ist die Rate, mit der Daten auf die Festplatte geschrieben oder davon gelesen werden können. Oft beträgt die Rotationsgeschwindigkeit 4200, 5400 oder 7200 RPM. Hochleistungsfestplatten erreichen sogar Rotationsgeschwindigkeiten von 10000 RPM.

Eine typische 2,5-Zoll-Festplatte kann mit 15 bis 30 MB/s kontinuierlich schreiben und lesen. Mit einer 3,5-Zoll-Festplatte sind 20 bis 65 MB/s möglich. Eine Möglichkeit, diese Rate zu erhöhen, ist die Verwendung eines RAID-0-Arrays von mehreren Festplatten. RAID steht dabei für Redundant Array of Independent Disks. Ein solches Array erhöht die Rate, mit der Daten auf Festplatten geschrieben und davon gelesen werden, indem die Daten gleichmäßig auf mehrere Festplatten verteilt werden. Mit einer externen SATA- (oder eSATA) ExpressCard im ExpressCard-Steckplatz, der auf vielen Embedded-PXI- und -PXI-Express-Controllern von NI zur Verfügung steht, können Daten mit über 100 MB/s zu oder von einem RAID-0-Festplattenarray übertragen werden. National Instruments bietet speziell für die Messtechnik optimierte RAID-Festplattenarrays, die über eine spezielle PXI-Express-Karte an das Messsystem angebunden werden und Datenraten bis zu 600 MB/s ermöglichen. Auch PXI- und PXI-Express-Controller von NI für die Rackmontage sind mit einem vorkonfigurierten RAID-0-Festplattenarray erhältlich.

Whitepaper: Hochgeschwindigkeits-Datenaufzeichnung und -generierung

Abbildung 3: Ein RAID-0-Array erhöht die Rate, mit der Daten auf Festplatten geschrieben und davon gelesen werden, indem die Daten gleichmäßig auf mehrere Festplatten verteilt werden.

Redundanz

Eine RAID-Konfiguration mit Redundanz erlaubt eine Wiederherstellung des Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelsystems im Fall des Absturzes einer oder mehrerer Festplatten. Im Fall der RAID-1-Festplattenkonfiguration (gespiegelt) werden alle Daten auf mindestens zwei Festplatten geschrieben. Bei einer RAID-1-Konfiguration mit zwei Festplatten kann das System auch bei Versagen einer Festplatte ohne Ausfallzeit weiter arbeiten, indem es die funktionierende Festplatte nutzt. PXI- und PXI-Express-Controller zur Rackmontage von National Instruments können mit einem RAID-1-Array mit zwei Festplatten konfiguriert werden.

Zur Rackmontage geeignete PXI- und PXI-Express-Controller von NI

Abbildung 4: Ein RAID-1-Array (gespiegelt) bietet Redundanz, indem alle Daten auf mindestens zwei Festplatten geschrieben werden.

Wiederherstellung und Sicherung mithilfe von Software

Tritt bei einem Prüf-, Mess-, Steuer- oder Regelsystem ein Softwareproblem auf, kann die Ausfallzeit manchmal erheblich verkürzt werden, wenn Wiederherstellungssoftware eingesetzt wird. Diese ermöglicht das Zurücksetzen des Systems auf einen bekannten Zustand. Im Handel sind viele Pakete mit Wiederherstellungssoftware erhältlich.

Alle PXI- und PXI-Express-Controller von NI (Embedded und für die Rackmontage), die unter Windows laufen, umfassen festplattenbasierte Images und Software zur Wiederherstellung. Der NI-Controller hat bei Lieferung eine separate Partition auf der Festplatte, die ein komplettes Sicherungsabbild enthält. Der Controller kann jederzeit auf dieses ursprüngliche Abbild zurückgesetzt werden, ohne dass eine CD, eine zweite Festplatte, eine zweite Netzwerkanbindung etc. notwendig sind. Außerdem wird der Wiederherstellungsprozess beim Booten gestartet, noch bevor Windows geladen wird. Deshalb kann das ursprüngliche Abbild sogar dann wiederhergestellt werden, wenn der Controller Windows nicht hochfahren kann.

Die Wiederherstellungssoftware, die auf PXI- oder PXI-Express-basierten Embedded- oder Rackmount-Controllern von NI enthalten ist, ermöglicht auch die Erstellung anwenderdefinierter Sicherungskopien, die auf externen oder zusätzlichen Festplatten, wie etwa USB, gespeichert und anstelle des ursprünglichen Abbildes zur Wiederherstellung herangezogen werden können. Nachdem das PXI-System komplett erstellt und geprüft wurde, kann eine anwenderdefinierte Sicherungskopie angelegt werden, die zur Wiederherstellung dienen kann, falls nach der Inbetriebnahme Softwareprobleme auftreten.

Abbildung 5: Wiederherstellungssoftware ermöglicht das Zurücksetzen auf einen bekannten Zustand und die Verkürzung der Ausfallzeit.

Fehlerdiagnose

Bei vielen Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelsystemen wird fälschlicherweise eine fehlerhafte Festplatte diagnostiziert, obwohl der Fehler tatsächlich bei der Software, an korrupten Dateien, einem korrupten Dateisystem oder einem Virus liegt. Viele Hersteller von Festplatten bieten Diagnosewerkzeuge für Festplatten an, mit denen sich herausfinden lässt, ob wirklich ein Versagen der Festplatte vorliegt. Diese Werkzeuge ersparen eine kosten- und zeitaufwändige Fehlersuche und sollten genutzt werden, bevor Festplatte, PC oder Controller zur Reparatur eingeschickt werden. National Instruments bietet ein Diagnosetool für Festplatten von PXI- und PXI-Express-Embedded-Controllern. Stellt das Diagnosewerkzeug fest, dass die Festplatte fehlerfrei ist, kann das Problem in den meisten Fällen mithilfe von Wiederherstellungssoftware behoben werden.

Ersatzmöglichkeiten

Das Bereithalten von Ersatzteilen für ein System verkürzt die Ausfallzeit drastisch, falls doch einmal die Hardware versagt. Die Faustregel lautet, dass für jeweils 25 Systeme, die im Einsatz sind, ein Ersatzsystem vorhanden sein sollte. National Instruments bietet Ersatzfestplatten für PXI- und PXI-Express-basierte Embedded-Controller. Diese Kits enthalten eine detaillierte Dokumentation, in der beschrieben wird, wie die Festplatte vor Ort ausgetauscht wird.

Ersatzfestplatten von NI

Anhang A: Schnittstellen und Größen von Festplatten

Bei der Auswahl einer Festplatte wird man zuerst feststellen, dass es viele unterschiedliche Festplattenschnittstellen gibt: Serial ATA (SATA), Parallel ATA (PATA), SCSI, Serial Attached SCSI (SAS) etc. SATA und PATA sind auf dem kommerziellen PC-Markt weit verbreitet und bieten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. SATA ist eine serielle Schnittstelle und eine Weiterentwicklung der parallelen Schnittstelle PATA. SATA bietet hohen Durchsatz, z. B. 300 MB/s für SATA/300, im Gegensatz zu 133 MB/s bei PATA/133 (dies ist der maximale Durchsatz der Schnittstellen und nicht der maximale kontinuierliche Durchsatz der Festplatten) und SATA-Festplatten sind auf dem besten Weg, für Desktop- und Laptop-PCs zum Standard zu werden.

Abbildung 6: Serial ATA (SATA) und Parallel ATA (PATA) sind die gängigsten internen Festplattenschnittstellen.

Festplatten haben nicht nur unterschiedliche Schnittstellen, sondern sind auch in verschiedenen Größen erhältlich. 3,5- und 2,5-Zoll-Festplatten sind am häufigsten vertreten. 3,5-Zoll-Festplatten werden in Desktop-PCs verwendet und 2,5-Festplatten kommen in Laptops und Embedded-Controllern für modulare Plattformen, wie etwa PXI, zum Einsatz. Beide Größen gibt es mit SATA- oder PATA-Schnittstellen.

Abbildung 7: 3,5 und 2,5 Zoll sind die gängigsten Größen von Festplatten.