Hatékony mérésadatgyűjtés analóg EtherCAT-terminálok segítségével

A világszerte 230 telephellyel rendelkező ZF Friedrichshafen AG az erőátviteli és alvázszerkezeti elemek, valamint az aktív és passzív biztonságtechnika területén nemzetközi szinten vezető helyet foglal el. A korábban Gigatronik Köln GmbH. néven ismert Akka DNO GmbH. járműipari cégek tervezőpartnere, többek között a ZF-fel karöltve korszerű környezetszimulációs (HIL – Hardware-in-the-Loop) tesztelőrendszereket is fejleszt. Sören Ole Kuklau, az Akka DNO Funkcionális Fejlesztési Csoportjának vezetőségi tagja minderről a következőket nyilatkozta: „Sokéves szaktudásunkra alapozva a tesztelési követelmények kidolgozása, a tesztelés automatizálása és kiváltképp a tesztelési infrastruktúra kiépítése terén nyújtunk támogatást. Kiváló példa erre a járművek kormányrásegítő egységében található teljesítményelektronikai alegység (EEP) teszteléséhez kidolgozott környezetszimulációs rendszerünk, melyet a ZF-fel szorosan együttműködve alkottunk meg. A munka 2016-ban kezdődött. Már akkor a Beckhoff be/kimeneti méréstechnikai termináljaira támaszkodtunk, többek között az EL3751 típusú bemeneti EtherCAT-egységre is. Ez a sokoldalú, túlmintavételezést, járulékos szűrők beiktatását és a mérési tartomány határának beállítását is lehetővé tevő terminál képességeit kiaknázva, a szakterületünkön különösen kritikus jelentőségű analóg mérési értékeket is megbízhatóan voltunk képesek begyűjteni.”

Dr. Michael Moczala, a ZF vállalat Aktív és Passzív Biztonságtechnikai Részlegéhez tartozó Szoftverfejlesztési és Rendszertesztelési Eszközök Csoportjának vezetője, aki Düsseldorfból irányítja tevékenységét, további részleteket árul el a környezetszimulációs rendszerrel kapcsolatban: „A teljesítményelektronikai alegység (EPP) köré épített környezetszimulációs rendszerrel (EPPiL – EPP-in-the-Loop) végzett tesztelések során szimulációs szinten vizsgáljuk az EPP viselkedését. Ez utóbbi nem más, mint egy elektronikus vezérlőmodul és a jármű elektromos kormányrendszerét hajtó motor együttese. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a jármű ezzel a két egységgel kapcsolatban álló összes elemét virtuális modellként képezzük le és egy különleges, valósidejű rendszerrel szimuláljuk.”

A PC-alapú vezérlés előnyei: univerzális, nyílt és skálázható

PC-alapú vezérléssel a környezetszimulációs tesztelőrendszerek teljes mértékben, univerzálisan automatizálhatók, a mérés- és biztonságtechnikai elemek fennakadásmentes integrálását érintően is. Sören Ole Kuklau az EPPiL elrendezés vonatkozásában kihasznált előnyöket ecseteli: „Az EPPiL esetében a Beckhoff PC-alapú vezérléstechnikájára épül a teljes be/kimeneti infrastruktúra. A tényleges szimuláció a különálló valósidejű rendszeren fut. A számítási teljesítmény tekintetében a CX5140 típusú beágyazott PC bizonyult a legmegfelelőbbnek az adatok kezelésére. Mindezeken felül a Beckhoff eszközei szükség esetén igen egyszerűen tovább bővíthetők egy adott alkalmazás követelményeinek megfelelően, akár nagy számítási teljesítményű, többmagos rendszerekké is.”

Sören Ole Kuklau állítása szerint a be/kimeneti modulok lenyűgöző választéka és a világszerte meghonosodott EtherCAT szabvány további, fontos lehetőségeket rejt magában: „Komoly elvárásokat támasztottunk a be/kimeneti egységek időbeli felbontásával és működési pontosságával kapcsolatban, valamint figyelembe vettük az EtherCAT nyújtotta további lehetőségeket is, például a túlmintavételezést. A Beckhoff EtherCAT-mérőtermináljai ideálisak e tekintetben, különösen azért, mert az EtherCAT széles körű elterjedésének köszönhetően külső fejlesztők megoldásai is könnyedén hozzáépíthetők rendszereinkhez – például kifejezetten a járműiparban használatos buszrendszerek esetében is. Az elmondottakon túlmenően az EtherCAT rendkívül hasznos diagnosztikai képességeit úgyszintén kihasználjuk a tesztelőállomásunkon, többek között a tesztkonzol és a vezérlőszekrény közötti adatátviteli kapcsolat ellenőrzése terén. Emellett fontos támaszt jelent számunkra az igen megbízható és kiváló paraméterekkel rendelkező adatátvitel”. Dr. Michael Moczala további gondolatokat fűz mindehhez: „A rendkívül nagy adatmennyiség kezelésében sokat segít, hogy két különböző mintavételi sebességgel is rögzíthetjük és továbbíthatjuk az információkat – a kritikus adatokat, mint amilyenek a pozíció- és nyomatékértékek, 4 kHz-es mintavétellel (vagy, másképpen fogalmazva, 250 μs-os ciklusokban), míg a többi adatot 1 kHz-es mintavételi sebességgel (azaz 1 ms-os ciklusokban). Ily módon a működési sebesség tekintetében nem az adatátviteli rendszer, hanem a különálló, beágyazott PC-hez EtherCAT-elemként csatlakozó slave szerepkörű, valósidejű szimulációs rendszer képességei jelentik majd a szűk keresztmetszetet.”

Analóg be/kimeneti egységek alkotják az EPPiL tesztelőrendszer gerincét

Dr. Michael Moczala ismerteti a tesztelőrendszer működésének elvét: „Az EPPiL szimulátor hardver interfésze, az ún. tesztkonzol egy terhelőmotorhoz és egy nyomatékszenzorhoz csatlakozik, az utóbbival érzékelve a mozgatott tengely állapotát. A ténylegesen tesztelendő minta, konkrétan az elektronikus vezérlőmodul és a hozzá csatlakozó hajtómotor alkotta teljesítményelektronikai alegység ehhez a tengelyhez kapcsolódik. A valós mechanikai kormánymechanizmus elemeit, továbbá a különféle járműfajtákat és útviszonyokat járműkommunikációs szintig modellező szimulációs rendszer felé a hidat az EtherCAT be/kimeneti rendszer képezi. A modellezési szint és a terhelőmotor, valamint a nyomatékmérő tengely közötti kommunikációt szintén EtherCAT be/kimeneti modulok biztosítják. A szimulációs alrendszer kiszámítja az EPP-motor tengelyszögállását és átadja az eredményt a terhelőmotor konverterének. A mérőtengely nyomatékérzékelője az eredőnyomatékkal arányos jelet szolgáltat, aminek ismeretében a szimulációs alrendszer megoldja a vonatkozó mozgásegyenleteket, megkapva a terhelőmotoron beállítandó új állásértékeket – és ezzel bezárult a környezetszimulációs szabályozó hurok.”

Az EtherCAT be/kimeneti rendszer öt darab EK1100 típusú EtherCAT-csatolót és 57-féle EtherCAT-terminált tartalmaz. Az analóg jelkezelésért három EL4732 típusú, eXtreme Fast Control (XFC) képességű kimeneti terminál, továbbá hét EL3702 XFC típusú és 18 darab EL3104 típusú bemeneti terminál felel. Sören Ole Kuklau kifejtette a szerepüket: „Az EL4732 típusú kimeneti terminálok a tesztelőrendszer programozható tápegységeinek célértékeit állítják be, míg az EL3702 sorozatú egységek visszaolvassák a tényleges feszültségeket. A véletlenszerűen fellépő elektromos hibákat – például rövidzárakat vagy szakadásokat – szimuláló, ún. hibajel-bevezető egység (FIU – Fault Insertion Unit) 64 csatornájának megbízhatóságát a 18 darab EL3104 típusú terminál ellenőrzi.” Dr. Michael Moczala még hozzáteszi: „A FIU-egység helyes működését így figyelemmel tudjuk kísérni, és a megfelelő kapcsolási műveletsor idejét is meg tudjuk határozni. Ezen a ponton különösen fontos az adatgyűjtés sebessége, mivel a kapcsolási idők jellemzően milliszekundumos nagyságrendbe esnek.”

A rendszer három darab EL3751 típusú, többrendeltetésű bemeneti terminált is tartalmaz. Az egyik a nyomatékérzékelő adatait olvassa be, a másik kettő pedig a tápegységek feszültségértékeit. Ezzel kapcsolatban Sören Ole Kuklau a következőket jegyzi meg: „A mérési feszültségtartománnyal szembeni rugalmasság jelentősen megkönnyíti munkánkat, mivel a nyomatékérzékelő esetében +/-10 V-os tartományra, a tápegységek vonatkozásában pedig +/-30 V-os dinamikára állítjuk be a terminálokat.” Dr. Michael Moczala számára az EL 3751 típusú terminálok által begyűjtött mérési adatok minősége kritikus jelentőségű: „A nyomatékérzékelő által szolgáltatott jel alapvető fontosságú a rendszer szimulációs modellel együtt tanúsított stabilitása szempontjából. Ennek a szenzornak az adatait ezért a lehető legkisebb késleltetéssel, alacsony zajszinttel és a lehető legpontosabban kell továbbítani.”

www.beckhoff.hu

(Nyitókép: Sören Ole Kuklau az Akka DNO és Dr. Michael Moczala a ZF képviseletében, valamint Wilm Schadach, a Beckhoff Monheim-ben (Németország) található értékesítési irodájának munkatársa (balról jobbra), az elektromos gépkocsi-kormányrásegítő rendszer vezérlőmoduljának és elektromotorjának környezetszimulációs tesztelésére szolgáló berendezés mellett.)