Prüfstandsautomatisierung in der Kfz-Entwicklung Zentrale Rolle intelligenter Karten - Quality Engineering

Prüfstandsautomatisierung in der Kfz-Entwicklung

Zentrale Rolle intelligenter Karten

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In der Automobilindustrie müssen in immer kürzeren Zeiträumen neuartige Antriebskonzepte und wirkungsgradverbesserte Systeme zur Serienreife gebracht werden. Die Verlagerung teurer und zeitraubender Fahrversuche auf den Prüfstand ist nur folgerichtig. Zentrale Bedeutung bei der Prüfstandsautomatisierung kommt dem optimalen Zusammenspiel der eingesetzten Hard- und Software zu. So sind nicht nur umfangreiche Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit zu erfassen, sondern es müssen gleichzeitig zahlreiche Parameter in Echtzeit geregelt werden.
Die "GIF - Gesellschaft für Industrieforschung" mit Stammsitz in Aachen zählt zu den führenden Dienstleistern der Automobilindustrie und sieht sich im Bereich der Antriebsstrangentwicklung sogar als weltweiter Marktführer. Insgesamt 72 Antriebsstrang- und Komponentenprüfstände betreibt das Unternehmen in Aachen seit 1997 in einem weiteren Forschungs- und Entwicklungszentrum im nahegelegenen Alsdorf und in Kürze in Wolfsburg. Die Niederlassung Alsdorf ermöglichte auf einem Gelände von 75.000 Quadratmetern neben der Errichtung zahlreicher Firmengebäude auch den Bau einer ein Kilometer langen Teststrecke. Diese verfügt über Steigungsstrecken, Wendeschleifen mit Kurvenüberhöhung und eine Akustikmessstrecke. Umfangreiche Sicht- und Lärmschutzmaßnahmen garantieren höchste Geheimhaltung, so dass auch Probeläufe streng geheimer Prototypen, sogenannter "Erlkönige", stattfinden können.
Antriebsstrangoptimierung im Focus
Während auf den Rollenprüfständen komplette Fahrzeuge getestet werden, untersucht man auf den Antriebsstrangprüfständen zum Beispiel nur Motoren und Getriebe bis hin zu den Gelenkwellen. Stärkere Motoren, hohe Anzugsmomente auch aus niedrigen Drehzahlen und neuartige Werkstoffe bleiben nicht ohne Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten und die Geräuschentwicklung. Dies macht intensive Untersuchungen am Antriebsstrang erforderlich.
Welcher technische Aufwand hinter dem gesamten Prüfstandsbetrieb steckt, lässt sich nur erahnen. Neben den Prüfständen mit ihren klimatisierten Kontrollräumen gibt es umfangreiche Versorgungseinrichtungen für Lüftung, Druckluft und Abgasentsorgung. Zur Simulation der Fahrwiderstände werden hochdynamische 4-Quadranten-E-Maschinen eingesetzt. Die Fahrzeugmasse kann komplett von den E-Maschinen oder über mechanische Schwungmassen nachgebildet werden. Die Maschinen sind drehmoment- oder drehzahlgeregelt. Mit einer Anregelzeit von circa 20 ms lässt sich jeder erdenkliche dynamische Betriebszustand einstellen. Zur Speisung der E-Maschinen dienen Trockentransformatoren mit Leistungen von 1.600 beziehungsweise 2.400 kVA. Separate Transformatoren mit 400 kVA speisen die Mess- und Hausnetze. Zur Kühlung des Kühlwassers gibt es eigene Kühltürme. Falls erforderlich, simulieren Luftgebläse die Fahrtwindkühlung. Für Kältetests kann man Kühlzellen über die Prüfstände absenken, die Temperaturen von bis zu -30 °C erzeugen.
Skalierbare Echtzeitsysteme im Industrie-PC
Zu jedem Prüfstand gehört ein Schaltschrank, in dem alle Mess- und Steuerleitungen zusammenlaufen. Für die hochdynamischen Mess- und Regelvorgänge wurden Industrie-PCs mit intelligenten PC-Erweiterungskarten der Serie Modular-4/486 ausgerüstet. Bei den Steckkarten dieses Heidelberger Unternehmens handelt es sich um komplette Single-Board-Computer mit Prozessoren der 486- oder 586er-Generation, Cache-Speicher, Arithmetikprozessor, bis zu 4 MByte statischem CMOS-RAM, Interrupt-Controller, Timer, zwei RS 232-Schnittstellen, Watch-Dog, usw auf einer PC-Karte. Das im Eprom untergebrachte Betriebssystem OsX ist multitaskingfähig und für die Bearbeitung von Echtzeitaufgaben optimiert. Bis zu 1024 Tasks laufen parallel.
Wichtig für die Anbindung an den Prozess sind die vier freien Modulsteckplätze je Karte, die der Anwender mit Schnittstellen seiner Wahl bestückt. Die Palette der verfügbaren Module reicht von analogen und digitalen Ein-/Ausgängen über serielle Schnittstellen der Typen RS 232/422/485, Feldbusanschaltungen für Profibus, CAN, usw. bis hin zu Funktionsmodulen mit Zählern oder Inkrementalgeberinterfaces. Bei Bedarf erweitert man die Basiskarte durch einen Modulextender um fünf weitere Modulsteckplätze. Damit stehen insgesamt neun Steckplätze zur Verfügung.
Das flexible Konzept der Schnittstellengestaltung gab seinerzeit den Ausschlag zugunsten dieser PC-Karten. Die Richtigkeit dieser Entscheidung hat sich inzwischen mehr als bestätigt: Kam die GIF am Anfang mit vier Schnittstellenmodulen auf der Basiskarte aus, so hat sich die Komplexität der Prüfstände mit den Jahren derart erhöht, dass inzwischen der Modulextender zur Standardausrüstung gehört. Die Schnittstellenebene sieht heute drei A/D-, zwei D/A- und ein Zählermodul sowie eine oder mehrere CAN-Schnittstellen vor. Damit verfügt ein Prüfstandsrechner über 48 analoge Eingangskanäle, 8 PID-geregelte analoge Ausgangskanäle, 64 digitale E/A-Kanäle und 6 16-Bit-Zählerkanäle für Periodendauermessungen. Alle Kanäle sind galvanisch getrennt. Messumformer sorgen für die Signalanpassung.
Optimierte Hard- und Software arbeiten Hand in Hand
Pro Prüfstand befinden sich bis zu drei Industrie-PCs im 19´´-Rack. Mit der Kombination "Industrie-PC plus intelligente Einsteckkarte" realisiert die GIF eine sinnvolle Arbeitsteilung zwischen Host-Rechnern und den echtzeitfähigen Subsystemen. Während sich die Modular-4-Karte um I/O-Aufgaben kümmert und für schnelle Regelvorgänge zuständig ist, läuft auf den eigentlichen PCs die Bedien-, Archivierungs- und Visualisierungssoftware. Als Automatisierungssystem dient die eigens entwickelte Software PDES, die auch separat oder im Rahmen kompletter Prüfstände vertrieben wird. Die GIF-Ingenieure haben PDES speziell auf die Sorcus-Hardware zugeschnitten, um deren Möglichkeiten optimal nutzen zu können. Alle Messkanäle und berechneten Größen sind in beliebig konfigurierbaren Text- und Grafiklayouts online darstellbar. Für die Grenzwertüberwachung lassen sich Messstellen beziehungsweise berechnete Größen als Alarmstellen definieren. Bei Überschreiten vorgegebener Werte schaltet das System den Prüfstand automatisch ab. Komplexe Messaufgaben sind in Form einer Ablaufsteuerung frei programmierbar. Alternativ ist es durch Echtzeitdateneingabe möglich, im Fahrzeug aufgenommene Fahrprofile direkt auf dem Prüfstand nachzufahren.
Parallele Echtzeitsysteme
Die Herausforderung für die Prüfstands-Hard- und Software liegt in der Bewältigung zahlreicher paralleler Echtzeitprozesse. Nach Aussage von Dieter Apold, Bereichsleiter Automatisierungstechnik, wäre dies sonst nur über (ungleich teurere) VME/VXI-Bus-Hardware realisierbar. Das Automatisierungssystem ist neben der Datenerfassung und Regelung, der Aufzeichnung und Archivierung von Daten in regelmäßigen Abständen zum Beispiel auch für einen permanenten Datenringspeicher verantwortlich. Dieser gestattet nach einem Schadensfall oder einer Sicherheitsabschaltung eine Post-Mortem-Analyse, um die genauen Fehlerursachen aufspüren und Zusammenhänge rückwirkend untersuchen zu können.
Erfreulich für die Entwickler ist, dass die Echtzeitprogrammierung der Modular-4-Karten unter OsX kein proprietäres Programmiersystem erfordert. Vielmehr verwendet man zu diesem Zweck die gängigen Standard-Entwicklungsumgebungen von Borland unter DOS oder Windows. Bibliotheken für die aktuellen Hochsprachen C, Visual-Basic, Pascal einschließlich Delphi stehen für DOS und Windows zur Verfügung.
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