Systemintegrierte Messtechnik verbessert Prozessführung

Ziegler: Was sind typische Anwendungsfelder für die systemintegrierte Messtechnik und wie hat sich dieses Spektrum über die Jahre hinweg erweitert?

Podrouschek: Klassische Produktionsmaschinen werden zunehmend mit integrierter Messtechnik aufgerüstet. Hier steigt das Anwenderinteresse an Energiemessung und Verbrauchsdatenerfassung sowie der Inline-Teilemessung am gefertigten Objekt kontinuierlich an. In diesem Umfeld sind seit Langem die 12/16/24-Bit-Analogeingänge im 12-mm-Kunststoffgehäuse allgemein akzeptiert. Dazu zählt auch die Ethercat-Klemme EL3751 als erste Präzisionsklemme neuer Generation mit 100 ppm Genauigkeit. Die 2016 vorgestellten Messtechnikmodule ELM3xxx im 30-mm-Metallgehäuse öffnen zusätzlich ein breites Anwendungsspektrum insbesondere im Highend-Bereich. Zumal auch der allgemeine Test- und Prüfmarkt diese Produktentwicklung sehr positiv aufnimmt und sich die Ethercat-Module nicht nur per Twincat nutzen, sondern an jedem Ethercat-Master betreiben lassen. Bei dem steigenden Automatisierungsbedarf im Test- und Prüfsektor profitiert man in idealer Weise vom integrierten Beckhoff-Ansatz, der auch die Einbindung von Safety, Vision, Cloud-Technologie und Motion auf einer Plattform ermöglicht.

Ziegler: Können Sie zur Ethercat-Klemme EL3751 eine interessante Anwendung nennen?

Podrouschek: Ja – spannend ist etwa die Realisierung eines leistungsfähigen Hardware-in-the-Loop-Prüfsystems für das Electronic Powerpack einer Fahrzeug-Lenkeinheit durch die Kölner Akka DNO GmbH gemeinsam mit der ZF Friedrichshafen AG. Hintergrund ist, dass die Lenkung bei einem Fahrzeug eines der wichtigsten sicherheitsrelevanten Elemente ist und dementsprechend hohe Anforderungen schon an die entwicklungsbegleitende Systemprüfung gestellt werden. Bereits zu Beginn des Projekts im Jahr 2016 kamen Messtechnikklemmen von Beckhoff zum Einsatz wie die Ethercat-Eingangsklemme EL3751. Diese Multifunktionsklemme bot mit Oversampling, zusätzlichen Filtern und dem einstellbaren Messbereich zahlreiche Möglichkeiten, um in der Anwendung einige als besonders kritisch erkannte Analogwerte zuverlässig zu erfassen. Über eine der drei XFC-Multifunktionseingangsklemmen EL3751 wird zum Beispiel der Drehmomentsensor eingelesen, die beiden anderen Klemmen dienen zum Einlesen der Netzteilspannung. Für den Anwender vereinfachte die Flexibilität im Spannungsbereich die Arbeit deutlich, weil sich die Klemmen zum einen auf ± 10 V für den Drehmomentsensor und zum anderen auf ± 30 V für die Netzteile einstellen lassen. Entscheidend war zudem die Qualität der Messdatenerfassung durch die EL3751, da das Signal des Drehmomentsensors von essenzieller Bedeutung ist, um in Verbindung mit dem Simulationsmodell ein stabiles Systemverhalten erreichen zu können. Daher müssen die Werte des Drehmomentsensors mit möglichst geringer Verzögerung, sehr wenig Rauschanteil und einer möglichst hohen Genauigkeit übertragen werden. Diese Anwendung zeigt zudem, dass sich mit PC-based Control Prüfsysteme auch im Hardware-in-the-Loop-Bereich komplett und durchgängig automatisieren lassen – bis hin zur nahtlos integrierten Mess- und Sicherheitstechnik (Anm. d. Red.: zu weiteren Details dieser Anwendung siehe Kasten).

Ziegler: Was kennzeichnet insbesondere die Ethercat-Messtechnikmodule für Highend-Anwendungen?

Podrouschek: Die Verarbeitung von Analogdaten kann technisch gesehen einerseits lokal im Messmodul und andererseits aber auch in der MSR-Welt zentral in der Twincat-Steuerung vorgenommen werden. Je nach Anlagenkonzept ist der eine oder andere Weg sinnvoller, beide werden von den Beckhoff-Analogeingängen seit jeher unterstützt. Temperaturstabile, präzise Messungen mit einer Oversampling-Funktion mit derzeit bis zu 50 kSamples/s ergeben für beide Anwendungen Vorteile. Speziell für die lokale Verarbeitung bieten die Module vielfältige Analogfunktionen wie mehrstufige frei vorgebbare Filterung, TrueRMS-Berechnung und Schleppzeiger. Darüber hinaus verfügen einige Klemmen über besondere Technologien für den Sensoranschluss: In den Messtechnikmodulen ELM350x für Wiege- und Dehnungsanwendungen sind Spezialitäten wie Tara, Brückenergänzungen und Shunt-Kalibrierung integriert, bei den IEPE-Klemmen ELM360x für Vibrationsmessung sind TEDS und AC/DC-Kopplung nutzbar. Die integrierte Messtechnik von Beckhoff setzt technologieorientierten Anwendern somit fast keine Grenzen, die etablierten Methoden der Messtechnik auch in Produktions- und Testmaschinen zu installieren und damit marktführende Anwendungen zu realisieren.

Weitere Informationen speziell zu den Highend-Messtechnikmodulen:

„Produktionsmaschinen werden zunehmend mit integrierter Messtechnik aufgerüstet. Im Test- und Prüfsektor profitiert man ebenfalls vom integrierten Beckhoff-Ansatz, der auch die Einbindung von Safety, Vision, Cloud-Technologie und Motion auf einer Plattform ermöglicht.“

Anwendungsbeispiel: HiL-Prüfsystem für den Test von Lenkeinheiten

Die Lenkung ist bei einem Fahrzeug eines der wichtigsten sicherheitsrelevanten Elemente. Dementsprechend hohe Anforderungen werden schon an die entwicklungsbegleitende Systemprüfung gestellt. Die Kölner Akka DNO GmbH GmbH (ehemals Gigatronik Köln GmbH) hat daher gemeinsam mit der ZF Friedrichshafen AG ein leistungsfähiges Hardware-in-the-Loop-Prüfsystem (HiL) für das Electronic Powerpack (EPP) einer Fahrzeug-Lenkeinheit entwickelt, das die erforderlichen Messdaten über die in PC-based Control direkt integrierte Messtechnik von Beckhoff erfasst.

Beim Test als EPP-in-the-Loop (EPPiL) werde das Electronic Powerpack, also die Kombination aus elektronischem Steuergerät und dem davon angesteuerten Elektromotor einer Kfz-Elektrolenkung, im Simulationsumfeld geprüft, erläutert Dr. Michael Moczala, Teamleiter Software/System Test Tooling im Bereich Active & Passive Safety Technology, Steering von ZF in Düsseldorf. „Konkret bedeutet dies, dass alle Komponenten, die mit diesen beiden Hardwareelementen im Fahrzeug interagieren, als virtuelle Modelle abgebildet und auf einem speziellen Echtzeitsystem simuliert werden.“

Von Vorteil ist, dass sich mit PC-based Control Prüfsysteme auch im HiL-Bereich komplett und durchgängig automatisieren lassen – bis hin zur nahtlos integrierten Mess- und Sicherheitstechnik. „Beim EPPiL-System sorgt die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff für das gesamte I/O-Handling, die eigentliche Simulation läuft auf dem separaten Echtzeitsystem“, berichtet Sören Ole Kuklau, Team Management Function Development bei Akka DNO. „Hinsichtlich der Rechenleistung hat sich der Embedded-PC CX5140 für das Datenhandling als optimal geeignet erwiesen.“ Dazu komme, dass sich die Beckhoff-Hardware bei Bedarf sehr gut entsprechend den jeweiligen Applikationsanforderungen bis hin zu hochleistungsfähigen Multicore-Systemen skalieren lasse.

Weitere Vorteile bietet laut Kuklau die große Breite des I/O-Spektrums und die Offenheit über den weltweit etablierten Standard Ethercat. Man habe an die I/Os sehr hohe Anforderungen bezüglich der zeitlichen und wertemäßigen Auflösung gestellt und auch auf die zur Verfügung stehenden Zusatzfunktionen wie zum Beispiel Oversampling geachtet. „Hier bieten die Ethercat-Messklemmen von Beckhoff die ideale Lösung, zumal sich durch die weite Verbreitung von Ethercat auch entsprechende Drittkomponenten einfach einbinden lassen, um beispielsweise Automotive-spezifische Bussysteme nutzen zu können.“ Weiterhin profitiert Akka DNO bei den Prüfständen von den guten Diagnosemöglichkeiten bei Ethercat, unter anderem um die Datenverbindung zwischen der Prüfkonsole und dem Schaltschrank zu überwachen. „Bei dem sehr hohen Datenaufkommen hilft es, dass wir die Informationen mit zwei verschiedenen Abtastraten erfassen und übertragen können – die kritischen Signale wie Positionsvorgabe und Drehmomentmessung mit 4 kSamples, also im 250-μs-Takt, und die übrigen Daten mit 1 kSamples beziehungsweise im 1-ms-Takt“, ergänzt Dr. Michael Moczala. „Auf diese Weise lässt sich der Flaschenhals bei der Datenübertragung zum separaten, als Ethercat-Slave an den Embedded-PC angeschlossenen Echtzeitsimulationssystem vermeiden.“

Aufbau des EPPiL-Prüfsystems

Das Hardwareinterface des EPPiL-Simulators – die sogenannte Prüfkonsole – umfasst einen Lastenmotor sowie einen Drehmomentsensor zur Erfassung des Zustands der Verbindungswelle. Daran angeschlossen ist der eigentliche Prüfling, also das Electronic Powerpack aus Steuergerät und Unterstützungsmotor. Das Ethercat-I/O-System bildet die Verbindung zur Simulationswelt, unter anderem mit den Modellen der mechanischen Komponenten der Lenkung, verschiedenen Fahrzeugen und Fahrbahnen bis hin zur Fahrzeugkommunikation. Über die Ethercat-I/Os ist die Kommunikation zwischen der Modellwelt und dem Lastenmotor sowie der Momentenmesswelle realisiert. „Aus der Simulationswelt erhalten wir den Winkel der Welle des EPP-Motors und übertragen diesen an den Umrichter des Lastenmotors“, führt Moczala aus. „Der Drehmomentsensor der Messwelle liefert das daraus resultierende Moment.“ Mit dieser Information werden die Bewegungsgleichungen in der Simulation gelöst, woraus sich zum Schließen der Hardware-in-the-Loop-Schleife der neue an den Lastenmotor zu übertragende Positionswert ergibt.

Die Ethercat-I/O-Ebene umfasst fünf Buskoppler EK1100 sowie 57 unterschiedliche Ethercat-Klemmen. Für die Analogwertverarbeitung zählen dazu neben den genannten drei EL3751 unter anderem drei XFC-Ausgangsklemmen EL4732, sieben XFC-Eingangsklemmen EL3702 und 18 Eingangsklemmen EL3104. Deren konkrete Aufgaben erläutert Sören Ole Kuklau: „Die Ausgangsklemmen EL4732 übermitteln die Sollwerte an die programmierbaren Netzteile des Prüfsystems und die EL3702 lesen deren Istwerte zurück. Über die 18 EL3104 werden die 64 Kanäle der sogenannten Fault Insertion Unit (FIU) zur Einstreuung elektrischer Fehler, wie zum Beispiel Kurzschluss oder Kabelbruch, plausibilisiert.“ Damit werde die korrekte Funktion der FIU überwacht und der Zeitpunkt des jeweiligen Schaltvorgangs ermittelt, ergänzt Dr. Michael Moczala. „Hierbei ist die Schnelligkeit der Datenerfassung von besonderer Bedeutung, da typischerweise mit Schaltzeiten im Millisekundenbereich gearbeitet wird.“

PC-based Control mit Zukunftspotenzial

Seit dem Beginn im Jahr 2016 steht inzwischen die dritte Generation an den mit Beckhoff-Technik ausgestatteten EPPiL-Prüfsystemen zur Verfügung, fährt Moczala fort: „Die Erfahrungen mit der Beckhoff-Technik sind sehr gut, sodass wir diese bei den kommenden Generationen beibehalten und auch Neuentwicklungen bei den Ethercat-Klemmen nach Möglichkeit einsetzen werden.“ Weiteres Entwicklungspotenzial sieht auch Sören Ole Kuklau: „Es gibt bei uns bereits Vorentwicklungsprojekte zu Automotive-spezifischen Testsystemen, die komplett auf Beckhoff-Technik aufbauen. Hierzu zählt auch die Servoantriebstechnik, die durch ihre hohe Performance und Schnelligkeit sowie aufgrund der komfortablen Konfiguration in Twincat Vorteile mit sich bringt. Ein weiteres Vorentwicklungsprojekt befasst sich mit der Matlab/Simulink-Integration in Twincat, um die Echtzeitsimulation auf den Embedded-PC verlagern und so Kosten sparen zu können. Außerdem arbeiten wir derzeit daran, mit Twincat den ASAM-Standard XiL-API zur Entkopplung von Testcase, Testautomatisierungstool und HiL-Prüfhardware zu nutzen.“