DAQ-Systeme mit hohen Kanalzahlen vereinfacht einrichten

Eine der schwierigsten Aufgaben für Ingenieure besteht darin, die Einrichtung eines Datenerfassungssystems (DAQ-System) effizienter zu machen, denn die für diese Anfangsphase aufgewendete Zeit ist effektiv unproduktive Ausfallzeit. Besonders wichtig ist dies bei DAQ-Systemen und Workflows mit hohen Kanalzahlen. In diesem White Paper sollen die Vorteile der Vereinfachung bei hohen Kanalzahlen in Anwendungen wie beispielsweise Strukturanalysen gezeigt werden, um den Zeitaufwand beim Einrichten eines Systems zu verringern.

Beim Einrichten eines DAQ-Systems zur Erfassung hoher Kanalzahlen sind vor allem vier Schlüsselbereiche sorgfältig zu berücksichtigen. Diese sind: 

1. Konfigurationsprozess

Der Konfigurationsprozess gliedert sich in drei verschiedene Phasen. In der ersten geht es darum, die durchzuführende Prüfung so zu planen und zu konzipieren, dass mit Sicherheit davon ausgegangen werden kann, dass die Sensoren korrekt definiert sind, sodass sie die gewünschten Daten genau erfassen. In dieser Phase müssen folgende Fragen beantwortet werden: Welche Komponenten müssen geprüft werden? Soll mit der Prüfung vorrangig die statische oder dynamische Belastung oder vielmehr die Betriebsfestigkeit der Struktur untersucht werden? Dazu muss der grobe Umfang des Belastungsspektrums definiert werden, und man muss sich ansehen, welche Parameterbereiche wahrscheinlich zu erfassen sind.

In der zweiten Phase geht es um die Definition der Prüfung. Dazu muss geklärt werden, welche Sensoren – z. B. Dehnung, Weg, Last und Temperatur – benötigt werden und an welchen Stellen der Struktur sie am besten platziert werden können, um exakte Daten zu erfassen, die für die Parameter in dieser Komponente repräsentativ sind, ohne die Funktionalität der Struktur negativ zu beeinflussen. Im Anschluss daran ist sorgfältig zu überlegen, wie die Sensoren verdrahtet werden und wie sich die Verdrahtung am besten an der Struktur oder einer einzelnen Komponente befestigen lässt. In dieser Phase muss auch die Netzwerk- und die Stromversorgungs-Infrastruktur berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass sie die Anforderungen der Prüfung erfüllt.

Im letzten Stadium des Konfigurationsprozesses müssen die Konfigurationsparameter noch genauer definiert werden. Dazu werden die erwarteten Prüfwerte der Parameter bewertet, und es wird sichergestellt, dass die Aufnehmer ordnungsgemäß kalibriert sind.

2. Datenquellen

Für eine Strukturanalyse müssen Daten aus einer Vielzahl verschiedener, an dem Projekt beteiligter Quellen zusammengeführt werden. Jede von ihnen stellt unterschiedliche Anforderungen, die manchmal miteinander in Konflikt geraten können und daher eine sorgfältige Abwägung erfordern, wenn die endgültige Entscheidung über die Einrichtung des DAQ-Systems getroffen wird.

Die Konstruktionsabteilung spielt bei einer Strukturanalyse üblicherweise eine wichtige Rolle, denn sie ist für die Konzeption und die Festlegung der verschiedenen Sensoren verantwortlich, die für die Prüfungen benötigt werden. Die Konstruktionsabteilung kann sich auch dazu äußern, wo die verschiedenen Sensoren platziert werden sollten, um eine optimale Datenerfassung sicherzustellen.

Ein Faktor, der in der Anfangsphase der Planungen sorgfältig bedacht werden muss, sind die erwarteten Werte der Sensoren während des Prüfschritte. Beispielsweise hat die mögliche Dehnung bei 100 % Last Auswirkungen auf die Spezifikationen und damit auf die Auswahl des richtigen Sensors für die jeweilige Messaufgabe.

Eine weitere Abteilung, die bereits im Vorfeld der Prüfungen hinzugezogen werden muss, ist die Abteilung, die für die korrekte Kalibrierung aller zum Einsatz kommenden Messgeräte verantwortlich ist. Dabei kann es einfach um die Daten gehen, die vom Lieferanten der Aufnehmer oder Sensoren bereitgestellt werden, doch Informationen wie beispielsweise Seriennummern und die Skalierung sind wichtig und werden benötigt.

Alle Namen und Kenndaten für alle zum Einsatz kommenden Sensoren müssen berücksichtigt werden. Normalerweise werden diese Informationen von der Prüfabteilung bereitgestellt und umfassen Daten wie k-Faktor, Skalierungsinformationen, Filter und Bilder. Weitere Informationen wie Details der Aufnahmer, Kanalkonfiguration, Prüf- und Projekteinstellungen müssen ebenfalls verfügbar sein. Kurz gesagt: Sämtliche Konfigurationsdaten müssen in die DAQ-Prüfdatenbank eingepflegt werden, und alle an den Prüfsequenzen Beteiligten müssen ohne Weiteres darauf zugreifen können.

3. Workflow-Optionen

Die Einrichtung von Systemen mit hohen Kanalzahlen kann mit einer Vielzahl unterschiedlicher Workflow-Optionen organisiert werden. In diesem White Paper werden vier verschiedene Ansätze beschrieben, von denen jeder unterschiedliche Vor- und Nachteile hat. Normalerweise ist für eine bestimmte Messaufgabe nur ein Ansatz geeignet. Eine sorgfältige Bewertung aller Aspekte hilft dabei, die richtige Wahl zu treffen, bevor man sich zu weit in die Messmechanik hinein begibt.

a.        Manuelle Zuordnung

Die manuelle Zuordnung ist die einfachste Workflow-Variante für Messaufgaben. Dazu wird zuerst ein Modell von der Hardware des DAQ-Verstärkers erstellt, üblicherweise in Form einer Tabelle. Alle Parameter für die verschiedenen Sensoren – z. B. Name und k-Faktor – können manuell eingegeben werden, nachdem der Verstärker in einer Tabelle modelliert wurde. Danach kann das System initialisiert und die für die Messung erforderlichen Prüfungen können durchgeführt werden.

Der größte Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Ingenieure sehr genau aufpassen müssen, dass sie beim Eingeben der verschiedenen Parameter keine Fehler machen. Die Fehlersuche bei einer Prüfung mit manueller Eingabe kann sehr zeitaufwändig sein, da jeder Aspekt der Tabelle sorgfältig nachkontrolliert werden muss, um herauszufinden, wo der Fehler liegen könnte.

b.        Zuordnung auf Basis der Verdrahtung

Beim zweiten Ansatz entwickeln die Ingenieure eine auf der Verdrahtung basierende Zuordnung, indem sie eine Prüfpunkteplan-Datenbank erstellen und diese mit der Datenbank des bevorzugten Hardware-Setups zusammenführen. Dabei handelt es sich um einen unabhängigen, zweistufigen Prozess, da der Prüfpunkteplan entweder vor oder nach der Konfiguration der Datenerfassungs-Hardware festgelegt werden kann.

Als Ergebnis aus der Zusammenführung erhält man einen Schaltplan, anhand dessen die Ingenieure jeden Kanal anschließen können. Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Sensordaten in den Prüfpunkteplan eingebettet sind, das heißt, Daten brauchen nicht manuell eingegeben zu werden.

Die Eingabe aller für die Prüfung spezifischen Aufnehmer- und DMS-Parameter kann vollständig vor der Durchführung der Prüfungen erfolgen, sodass der Setup-Prozess beschleunigt werden kann. Bei dieser Methode können verschiedene Kanalgruppen definiert werden, um die Arbeit mit hohen Kanalzahlen zu erleichtern.

Während des Verfahrens kann der Status der Zusammenführung der beiden Datenbanken – der Prüfpunkteplan-Datenbank und der Datenerfassungs-Datenbank – überprüft werden. Dabei wird kontrolliert, ob alle Kanäle korrekt verbunden werden können. Danach ist die Prüfung bereit zur Durchführung.

c.        ID-basierte Zuordnung

Mit Hilfe der T-ID-Technologie (für „Transducer IDentification“) kann der Import der Aufnehmerdaten in die Datenbank immer stärker erleichtert werden. T-ID funktioniert nach dem Prinzip, dass jeder Aufnehmer eine eindeutige, aus 8 Byte bestehende Nummer besitzt, die auf einem Chip/ROM gespeichert ist und in der Messkette berücksichtigt wird. Die Aufnehmerdaten können problemlos von einem USB-Dongle mit einem 1-Wire-Adapter ausgelesen und direkt als Excel-Arbeitsblatt gespeichert werden.

Bei diesem Ansatz wird der T-ID-Code Bestandteil der Prüfdatenbank, um die Erstellung des Prüfpunkteplans zu vereinfachen, nachdem die Kanäle korrekt mit dem DAQ-Hardwaresystem verbunden sind. Alle Einstellungen werden automatisch importiert, die manuelle Eingabe von Zahlen und Parametern entfällt vollständig. Mit dieser Methode kann die Hardware wesentlich schneller initialisiert und mit den Prüfungen zur Datenerfassung kann wesentlich schneller begonnen werden als bei der manuellen Zuordnung oder dem auf der Verdrahtung basierenden Ansatz .

d.        Einrichtung mit TEDS

Noch fortschrittlicher als die T-ID-Methode ist der Ansatz, bei dem alle Aufnehmerdaten direkt im Aufnehmer oder auf einem Steckverbinder in einem elektronischen Datenblatt auf einem EEPROM-Chip gespeichert sind. Dieser TEDS-Ansatz („Transducer Electronic DataSheet“) bedeutet, dass die erforderlichen Informationen gelesen und die Kanäle automatisch gemäß der TEDS-Einstellung eingerichtet werden.

Diese Methode kann in Verbindung mit einem 1-Wire-Protokoll für die Kommunikation zwischen dem DAQ-System und dem TEDS-Chip angewendet werden. Die TEDS-Informationen müssen einem IEEE-Standard entsprechen, der die Verwendung unterschiedlicher Vorlagen und Sprachen für die Informationen zulässt.

Verschiedene Workflow-Optionen

Die verschiedenen Workflow-Optionen werden in der nachfolgenden Tabelle geordnet nach ansteigender Zuverlässigkeit und Sicherheit dargestellt.

Option

Vorteile

Nachteile

Manuelle Zuordnung

 
  • Sinnvoll für einfachen Workflow-Prozess
  • Daten müssen nicht in einem bestimmten Format vorliegen
 
 
  • Hohe Fehlerwahrscheinlichkeit beim Abschreiben
  • Beim Zuordnen von Sensoren und Verstärkerkanälen können leicht Fehler unterlaufen
  • Das Übertragen der Konfigurationsdaten von den Dateien eines Kunden in eine maßgeschneiderte DAQ-Datenbank dauert sehr lange
  • Diese Option ist nicht zu empfehlen, wenn das Setup häufig geändert werden muss
 

Zuordnung auf Basis der Verdrahtung

 
  • Mögliche Fehler beim Abschreiben können durch Verwendung eines vorläufigen Setup verringert werden
  • Schnelle Konfiguration, vereinfacht häufige Änderungen im Setup
  • Unterschiedliche DAQ-Konfigurationen können problemlos angepasst werden 
  • Ausfallzeit des DAQ-Systems wird verringert
 
 
  • Weiterhin Fehlermöglichkeiten durch manuelle Zuordnung von Sensoren und Verstärkerkanälen
  • Für die Dateneingabe wird ein vordefiniertes Format des Lieferanten benötigt
 

ID-basierte Zuordnung

 
  • Wie bei Zuordnung auf Basis der Verdrahtung plus:
  • Automatisiertes Verfahren minimiert Möglichkeit von Zuordnungsfehlern
 
 
  • Erfordert zusätzliche Hardware, z. B. T-ID-Platine
 

Einrichtung mit TEDS

 
  • Wie bei ID-basierter Zuordnung plus:
  • Automatisierte Einrichtung minimiert Möglichkeit von Zuordnungsfehlern
  • Kalibrierung kann problemlos auf Gültigkeit geprüft werden
 
 
  • Erfordert zusätzliche Hardware und Software: TEDS-Aufnehmer und ein DAQ-System, das TEDS unterstützen kann
 

4. Überprüfung der Konfiguration

Die abschließende Kontrolle, bevor mit den Prüfungen zur Datenerfassung begonnen werden kann, besteht in der Überprüfung der Konfiguration. Eine Kanalkonfiguration mit klarer Anordnung stellt sicher, dass Fehler und Verwechslungen vermieden werden. In dieser Phase kommt es darauf an, die Fähigkeiten der ausgewählten DAQ-Hardware zu berücksichtigen. Beispielsweise ist catman® Enterprise von HBM mit Software-Tools ausgestattet, um die Konfiguration und die Validierung der Daten einfach und schnell zu überprüfen.

Außerdem sollte grundsätzlich immer eine Verdrahtungskontrolle durchgeführt werden, da dies die Zuverlässigkeit der gesamten Systemeinrichtung erhöht. Im Rahmen von Verdrahtungskontrollen kann ein Shunt-Vergleich durchgeführt werden, bei dem bequem per Mausklick der Shunt-Nennwert mit dem Shunt-Messwert verglichen wird. So lässt sich leicht feststellen, ob ein Sensor beispielsweise aufgrund eines Drahtbruchs ein Problem darstellen könnte.

Zusammenfassung

Wenn die Einrichtung eines DAQ-Systems mit hohen Kanalzahlen für Strukturanalysen vereinfacht werden soll, sind einige wenige, jedoch sehr wichtige Punkte zu beachten. Der Datenaustausch sollte flexibel und zuverlässig sein. Aufgrund dessen sollte die Verwendung manuell eingegebener Daten so weit wie möglich vermieden werden. Der Einsatz der T-ID- und TEDS-Technologie erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Einrichtung und Konfiguration. Ebenso ist die Nutzung automatisierter Prüffunktionen für Kanäle und Verdrahtung ein wertvolles Hilfsmittel beim Einrichten von Systemen mit hohen Kanalzahlen. Zudem ist es effizienter, wenn das DAQ-System Import- und Exportfunktionen erleichtert und eine automatische Kanalzuordnung ermöglicht.

HBM verfügt über langjährige Erfahrung in einem breiten Spektrum unterschiedlicher Anwendungen, darunter auch statischen Prüfungen von Tragflächen bei einer ganzen Reihe unterschiedlicher Flugzeughersteller, und war intensiv sowohl an den Tests als auch der Entwicklung moderner, effizienter Rotorblätter für Windkraftanlagen beteiligt. Außer an der Arbeit mit unterschiedlichen Strukturen haben die Ingenieure von HBM auch an Prüfungen für Unterrichtszwecke sowie an Funktions- und Leistungsprüfungen und der Betreuung von Anwendungen aus vielen verschiedenen Bereichen mitgewirkt.

HBM arbeitet fortlaufend an der Entwicklung neuer Produkte für eine rasche Durchführung von Prüfungen bei gleichzeitiger Steigerung ihrer Effizienz. Ein weiteres wesentliches Ziel von HBM ist die Maximierung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Prüfungen, um hochpräzise Daten über Bauteilprüfung und den Produktlebenszyklus bereitzustellen. Das Produktportfolio des Unternehmens deckt die gesamte Messkette von den Sensoren bis hin zur Software für eine umfassende Datenanalyse ab. 

HBM kann eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme liefern, darunter auch maßgeschneiderte Lösungen für spezielle Prüfanforderungen, die je nach Kundenanforderungen eine zentrale oder dezentrale Anordnung ermöglichen.

Die Datenerfassungs-Hardware von HBM unterstützt alle relevanten Funktionen, die für die Erfassung der Daten bei Prüfungen mit hohen Kanalzahlen benötigt werden. Hierzu gehören auch die entsprechenden Schnittstellen zu Steuerungssystemen. HBM hat darüber hinaus professionelle Softwarelösungen für Konzeption, Analyse und Datenmanagement entwickelt.

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