Parallele Datenerfassung und Steuerung

Hersteller in der Automobil- und der Luft- und Raumfahrtindustrie verwenden üblicherweise unterschiedliche Datenerfassungsinstrumente für Testanwendungen im Fahrzeug oder am Prüfstand. Das Dewesoft-Datenerfassungssystem bietet dank der Kombination von zwei Datenbussen (USB und EtherCAT®) und der Implementierung von EtherCAT® auf den Reglern der FlexTest®-Serie durch MTS jedoch eine ideale Lösung für beide Szenarien. 

Systemschema des mehrachsigen Prüfstands

Das Datenerfassungssystem Dewesoft R8rtkann eingesetzt werden:

  • als hochkanaliges Datenerfassungssystem für Prüfstände

  • zur Echtzeit-Signalverarbeitung bei der Rückmeldung von Belastungsanalyseergebnissen (per EtherCAT) oder

  • als kompakter Hochleistungs-Datenlogger direkt im Fahrzeug..

Die neue FlexTest-Digitalreglersoftware bietet Unterstützung für die EtherCAT-Kommunikation und ermöglicht so eine kostengünstigere ethernetbasierte Digitalverbindung mit Drittdatenquellen. Die hinzugefügte EtherCAT-Unterstützung ermöglicht es FlexTest-Benutzern, digitale mit Datenerfassungssystemen zu kommunizieren.

Die SIRIUS-Datenerfassungssysteme werden an Prüfständen seit langem zur Signalkonditionierung mit hoher Konfigurationsflexibilität eingesetzt. Die Eingangssignale werden – wie bei analogen Eingangssignalen für Steuerungen üblich – auf einen Ausgangsbereich von +/-10V skaliert.

Dank der direkten Umwandlung von Analog- in EtherCAT-Daten in den SIRIUS-Datenerfassungssystemen kann die sekundäre Eingangsstufe nun vollständig entfallen. Dadurch verbessert sich die Benutzerfreundlichkeit erheblich.


Durch den Einsatz der EtherCAT-Technologie in der Datenerfassung und Prüfstandssteuerung ist steuerungsseitig keine zusätzliche analoge Eingangsstufe mehr erforderlich

Das R8rt-Datenerfassungssystem ist ein 2-in-1-Gerät, das problemlos aus dem Rack genommen und auch als hochkanaliger Hochgeschwindigkeits-Datenlogger direkt im Fahrzeug eingesetzt werden kann.

Das Datenerfassungssystem Dewesoft R8rt kann als fahrzeuginterner Datenlogger oder als Signalkonditionierer am Prüfstand zur Rückmeldung von Belastungsanalyseergebnissen und zur Lieferung von Echtzeit-Datenströmen an die Prüfstandssteuerung eingesetzt werden.

Dadurch reduzieren sich die Kosten für die benötigte Geräteausstattung erheblich, und es werden kilometerlange Verkabelungen eingespart, was indirekt auch den Konfigurationsaufbau stark vereinfacht.

Das Datenerfassungssystem Dewesoft R8rt kann mit bis zu acht SIRIUS-Analogverstärkermodulen ausgestattet werden und lässt sich für den Einsatz als fahrzeuginterner Datenlogger zur Erfassung von Straßenbelastungsdaten einfach aus dem Schaltschrank nehmen.

Darüber hinaus wird die Hardware-Konfiguration durch den reduzierten Verkabelungsaufwand wesentlich vereinfacht. Zwischen Steuerung und R8rt-Datenerfassungssystem ist nur ein einziges Kabel erforderlich. Und die preisgekrönte Software DEWESoft X gewährleistet eine schnelle und einfache Verstärkerkonfiguration.

Das R8rt-System bietet eine hochauflösende und sehr schnelle Datenerfassung (Dynamikbereich 160 dB, Abtastrate 200 kS/s) im selben Gerät, das für die Rückmeldung der Prüfstandslastanalysedaten verwendet wird.

Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung und Echtzeit-EtherCAT©-Ausgang

Das R8rt-Datenerfassungssystem umfasst 8 SIRIUS-Verstärkermodule mit jeweils 8 analogen Hochgeschwindigkeits-Eingangskanälen sowie einen als SBOX bezeichneten integrierten industrietauglichen Hochleistungs-PC.

Es stehen also bis zu 64 DualCoreADC©-Kanäle (Dual 24-Bit) mit einem Dynamikbereich von 160 dB bzw. bis zu 128 Kanäle in Single-ADC-Konfiguration (24-Bit) in einem einzigen kompakten Gehäuse zur Verfügung.

Die DualCoreADC®-Technologie von Dewesoft ermöglicht Messungen mit einem hohen Dynamikumfang von bis zu 160 dB.

Das Datenerfassungssystem kann als fahrzeuginterner Allround-Datenlogger oder als Datenerfassungsgerät am Prüfstand eingesetzt werden. Die DEWESoft-X-Software läuft auf einem integrierten leistungsstarken SBOX-PC-Computer mit Intel-i7-Prozessor, SSD-Laufwerk (bis 1 TB) und 100-Hz-GPS-Empfänger.

Dewesoft Dual-Mode

Jedes mit einer EtherCAT-Schnittstelle ausgestattete SIRIUS-Datenerfassungssystem ist in der Lage, über EtherCAT- und USB-Schnittstellen gleichzeitig Echtzeitdaten an ein Fremdsteuerungssystem und Daten in Hochgeschwindigkeit an die Dewesoft X Software zu übertragen. Dadurch wird dieses System zu einem einzigartigen Instrument, das gleichzeitig im Regelkreis und als Messdatenaufzeichnungsgerät eingesetzt werden kann und dem Kunden eine enorme Kosteneinsparung sowie einen detaillierten Einblick in die Prozessdaten bietet.

Zu den typischen Dewesoft-Dual-Mode-Anwendungen zählen:

  • SIRIUS als Analog-zu-EtherCAT®-Schnittstelle auf einem Prüfstand mit EtherCAT®-Master eines Drittanbieters und Datenerfassungsgerät zur Datenaufzeichnung in der DEWESoft-X-Software
  • SIRIUS als Analog-zu-EtherCAT®-Schnittstelle in Kombination mit SPS und paralleler Zustandsüberwachung mittels hochfrequenter dynamischer Analyse in der DEWESoft-X-Software

Mit der jüngsten Erweiterung um den EtherCAT-Chipsatz dienen die SIRIUS-Datenerfassungssysteme parallel zum Standardbetrieb im USB-Modus auch als EtherCAT-Slaves.

SIRIUS-Dual-Mode-Taktungsdiagramm (SM-Sync)

Das EtherCAT-Protokoll ist eine standardisierte Technologie, die es ermöglicht, in der Gesamtlösung für den Endbenutzer Hardware verschiedener Hersteller zu kombinieren. Wenn der Benutzer den Prüfstand fahren und dabei parallel mit der Software Dewesoft X Daten erfassen möchte, müssen die Daten aus der R8rt-Datenerfassung von zwei Mastersystemen gesammelt werden, nämlich von

  • MTS FlexTest (EtherCAT-Master) und

  • DEWESoft X (auf dem SBOX-Computer).

Daher wird neben dem EtherCAT ein zusätzlicher Datenbus (USB) benötigt, um die Daten mit hoher Übertragungsrate an die Software zu übermitteln.

Dies wird auf folgende Weise erreicht: Die A/D-Wandler in den SIRIUS-Modulen laufen mit der in DEWESoft X eingestellten Erfassungsrate. Die SIRIUS-Firmware kopiert die abgetasteten Daten vom A/D-Wandler in Echtzeit an zwei Stellen:

  • einen Puffer für die USB-Übertragung und

  • einen separaten Puffer für den EtherCAT-Bus.

Der EtherCAT-Puffer speichert nur ein Sample pro Kanal und wird ständig mit den neuesten Werten aktualisiert. Der EtherCAT-Master kann jederzeit die aktuellsten Daten erfassen.

Der genaue Zeitpunkt, zu dem der EtherCAT-Puffer gelatcht wird und die Daten auf den EtherCAT-Bus kopiert werden, wird vom EtherCAT-Master gesteuert. In diesem Fall hängt die Zeit zwischen den auf den EtherCAT-Bus kopierten Samples vom Jitter des EtherCAT-Masters ab, der bis zu 100 µs betragen kann.

Systemkonfiguration

Das Schema des kompletten Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Ansteuerung des Prüfstandsaktuators erfolgt über die direkt an den FlexTest-Regler angeschlossenen analogen Signale. Die restlichen Eingangskanäle, die für die Rückmeldung der Belastungsanalysedaten des Testobjekts (RPC-Analyse) verwendet werden, werden vom R8rt-Datenerfassungssystem erfasst und auf dem SBOX-Computer gespeichert. Diese Daten werden in Echtzeit auch dem EtherCAT-Bus und von dort für die Echtzeitregelung des Prüfstandes zur Verfügung gestellt.

Zur Messung der Reaktion des Testobjektes werden typischerweise Druckkraftsensoren und Beschleunigungssensoren verwendet. Die Einstellung der Verstärker erfolgt im Rahmen der Kanalkonfiguration des Geräts (siehe Abbildung 3). Die EtherCAT-Netzwerkinformation (ENI-Datei) wird vom MTS HWI File Editor benötigt, um EtherCAT-Slaves zur Hardwarekonfiguration hinzufügen zu können (Abbildung 4). Die ENI-Datei wird von DEWESoft X in die MTS-Software exportiert.

Software DEWESoft X – Kanalkonfiguration

Aufgrund der EtherCAT-Bus-Bandbreitenoptimierung sind die vom R8rt-Datenerfassungssystem über EtherCAT gesendeten Daten roh und unskaliert. Die aus der Dewesoft-Kanalkonfiguration stammenden Skalierungsfaktoren werden in eine Textdatei exportiert und zum schnellen Import in den MTS Station Manager in die ENI-Datei übernommen. Die skalierten Daten entsprechen immer dem in der DEWESoft-X-Software angezeigten Wert. Wird in der Software eine benutzerdefinierte Skalierung angewendet, dann ändert sich der Skalierungsfaktor auch, um bei der Anwendung auf die Rohdaten die gleichen physikalischen Werte zu bekommen.

MTS HWI File Editor

RPC-Drive-Dateianalyse auf einem mehrachsigen Straßensimulator

Hier wurde das R8rt-Datenerfassungssystem auf einem MTS-Straßensimulator zur Prüfung der Robustheit von Aufhängungssystemen bei Pkw und Lkw verwendet. Der Simulator umfasste vier Einzelradmessplätze mit je sechs Freiheitsgraden. Für die Ansteuerung des Prüfstandsaktuators verwendete die MTS FlexTest-Regelung 104 analoge Ein- und Ausgangskanäle.

Weitere 96 Kanäle wurden zur Messung des Reaktion des Testobjekts verwendet, um die Belastungen auf dem Prüfstand mit den realen Straßenlastdaten zu korrelieren. Die Signale dieser Kanäle wurden von zwei Dewesoft-R8rt-Datenerfassungssystemen mit jeweils 6 SIRIUS-Verstärkermodulen erfasst und per EtherCAT an den FlexTest-Regler übertragen.

Mit Beschleunigungssensoren ausgestatteter Einzelradmessplatz des Simulators

Wir führten einen Bewertungstest der RPC-Analyse durch, um die Leistung der Dewesoft-Lösung mit digitaler EtherCAT-Datenübertragung mit einer analogen Lösung zu vergleichen, die traditionell auf diesen Anlagen verwendet wird.

Dazu wurden drei dreiachsige Beschleunigungssensoren an einem Einzelradmessplatz des Simulators angebracht und die Eingangskanäle auf die beiden R8rt-Geräten verteilt.

Dann wurde an dem Einzelradmessplatz eine beispielhafte Drive-Datei ausgeführt und die Reaktion von den R8rt-Datenerfassungssystemen aufgezeichnet. Mithilfe der MTS-Software RPC Pro wurde anschließend eine weitere Drive-Datei erstellt, die den ersten Testlauf replizierte. Die Ergebnisse zeigten, dass es bei der Leistung und Konvergenz von RPC Pro keinen Unterschied im Vergleich zur klassischen analogen Datenerfassung gab.

Durch die Installation der R8rt-Datenerfassungssysteme konnten rund 2 Kilometer an teuren Kabeln eingespart werden.

Die durch den Einsatz des Datenerfassungssystems Dewesoft R8rt am MTS-Prüfstand überflüssig gewordenen Kabel

Fazit

Durch standardisierte Technologien, die von verschiedenen Anbietern angepasst werden, werden die Lösungen für die Endbenutzer immer weiter optimiert. In diesem Sinne verbessert die EtherCAT-Technologie die Konnektivität mit dem MTS-Regelungssystem, während die parallele EtherCAT-/USB-Technologie es dem Benutzer ermöglicht, dieselbe Hardware für völlig unterschiedliche Aufgaben einzusetzen. Durch die EtherCAT-Lösung zur Verbindung des Datenerfassungssystems mit der Regelung lassen sich Kilometer an teuren Analogkabeln einsparen, die durch ein einziges CAT5-Kabel ersetzt werden. Dabei unterscheidet sich die Leistungsfähigkeit der RPC-Analyse nicht von der der analogen Vorverstärker.

Vollständige Liste der Vorteile eines solchen Systems:

KOSTENERSPARNIS

  • All-in-One-Gerät für den Einsatz im Fahrzeug und am Prüfstand
  • Dank EtherCAT-Schnittstelle keine analoge Eingangsstufe bei Drittanbietersteuerung erforderlich 
  • Einsparung von Kilometern an analogen Kabeln

ZEITEINSPARUNG

  • Einfache Konfiguration – Nur ein einziges Kabel zwischen Datenerfassungssystem und Regelung

  • Geringere Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler

VERBESSERUNG DER SIGNALQUALITÄT

  • Perfekt aufbereitete Signale, die statt analog direkt über EtherCAT an die Prüfstandssteuerung übertragen werden

ANALYSE DER REGELUNGSDATEN DES PRÜFSTANDES

  • Daten, die über EtherCAT an die Regelung übertragen werden, können auch parallel in der DEWESoft-X-Software aufgezeichnet werden (Dual-Mode-Technologie).