Ziegler: Was zeichnet die direkt in die Steuerungstechnik integrierte Messtechnik von Beckhoff aus und welche Vorteile bietet sie speziell für den Bereich der Test- und Prüftechnik?
Podrouschek: Hier sind zwei Anwendungsfelder zu nennen: Einerseits sind dies konventionelle Fertigungsmaschinen, bei denen Entwickler, Konstrukteure, Programmierer und Anwender mehr Details über den ablaufenden Prozess wissen möchten. Dazu zählen die Qualität der gefertigten Teile, Betriebsmittelverbräuche und Taktzeiten. Die Steuerungs- und Regelungstechnik ist in solchen Maschinen meist schon vorhanden – ein zusätzliches Mess- und Datenloggingsystem zu installieren, scheitert aber oft an finanziellen beziehungsweise organisatorischen Hürden. Mit PC-based Control oder zumindest einem Ethercat-basierten I/O-System eröffnen die Ethercat-Messklemmen von Beckhoff hingegen den Weg für eine einfache Ergänzung des Steuerungssystems um messtechnische Komponenten – auch für die schnelle und hochgenaue Erfassung von Analogwerten sowie den Transport großer Mengen Analogdaten über 100-Mbit/s-Ethercat. Der größte Vorteil liegt hierbei darin, dass dieses zusätzliche Prozesswissen nicht nur dem Post-Process-Messtechniker eine umfangreiche Nachbearbeitung ermöglicht. Vielmehr kann auch der Steuerungsprogrammierer nun anhand hochqualitativer Daten den Regelkreis der Maschine besser beeinflussen und somit den Prozess optimal beherrschen.
Ziegler: Und das zweite Anwendungsfeld…
Podrouschek: …umfasst vorrangig messtechnische Anwendungen aus der Test- und Prüftechnik. Diese werden durch die Beckhoff-Kombination aus Mess- und Steuerungstechnik in die Lage versetzt, auch aktiv einzugreifen und die Prüfaufgabe zu automatisieren. Und gerade das umfangreiche Spektrum von Ein- und Ausgangsmodulen, Antrieben und Schaltern, Analog- und Digitaltechnik, Positionserfassungs- und Feedback-Klemmen aus dem Industrie-Umfeld verbunden mit der fast grenzenlosen Programmierbarkeit der Software Twincat – mit Bibliotheken, Wizards und Daten-Connectivity – ermöglicht diesem Anwenderkreis völlig neue Konzepte für automatisierte Prüfstände. Durch die Offenheit von PC-based Control bleiben diese dabei immer noch offen für die Anbindung von Sondergeräten und branchenspezifischer Software.
Ziegler: Von welchen besonderen Eigenschaften profitiert der Anwender der analogen Ethercat-Messtechnikmodule ELM3xxx?
Podrouschek: Ein Anwender, der Messtechnik in seine 24/7-Produktionsmaschine integriert, erwartet, dass die Messtechnikkomponenten ebenso reibungslos und lange funktionieren wie die Steuerung selbst. Insbesondere muss die Messtechnik über die gesamte Zeit und gegebenenfalls auch unter widrigen Bedingungen das tun, wofür sie gedacht ist: präzise messen. Und genau hierauf liegt der Schwerpunkt der Beckhoff-Messtechnik. Durch vielfältige interne Funktionen und eine entsprechend ausgerichtete Produktionstechnik erfüllen die Messtechnikprodukte diese Kunden-Erwartung. Beispiele sind umfassende integrierte Selbsttests, die sicherstellen, dass das Mess-Modul einwandfrei arbeitet, sowie eine gründliche Vorbehandlung der Module in der Produktion und optionale Werks- und DAkkS-Zertifikate bis hin zum Beckhoff-Rekalibrierservice.
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:
Martin Podrouschek, Produktmanager Feldbussysteme, Beckhoff AutomationBild: Beckhoff Automation
„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.“
Die Kombination aus elektrischer Servolenkung an der Vorderachse und aktiver Hinterachskinematik erhöht die Fahrsicherheit des PkwBild: ZF Friedrichshafen
Die Prüfkonsole mit dem Electronic Powerpack (rechts), der Drehmomentenmesswelle (Mitte) und dem Lastenmotor (links)Bild: Beckhoff Automation
Sören Ole Kuklau von Akka DNO, Dr. Michael Moczala von ZF und Wilm Schadach, Beckhoff-Vertriebsbüro Monheim, am Hardware-in-the-Loop-Prüfsystem für das Steuergerät und den Elektromotor einer Kfz-Elektrolenkung (v. l. n. r.)Bild: Beckhoff Automation
Die Messtechnik im Ethercat-Klemmenfaktor ist integraler Bestandteil von PC-based ControlBild: Beckhoff Automation
Die Ethercat-I/O-Ebene ist äußerst kompakt an der Schaltschrankseite realisiertBild: Beckhoff Automation
PLUS
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.“
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