Neue Einsatzmöglichkeiten für innovative Drehmomentmessung in Motorprüfständen mit PMX

Bei der Konzeption neuer Prüfstände im industriellen Umfeld spielen die Messung von Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel, und den daraus abgeleiteten Größen eine immer größere Rolle. Neben den gestiegenen Anforderungen an Genauigkeit und Geschwindigkeit werden auch die Möglichkeiten der Automatisierung und effizienten Bedienung zum bestimmenden Auswahlkriterium. Wie kann all das erreicht werden?

Der folgende Artikel behandelt die wichtigsten Erfolgsfaktoren:

  1. Welche Anforderungen werden an innovative Prüfstände gestellt
  2. Wie müssen die Drehmomentsensoren ausgelegt sein
  3. Wie kann die Performance der Drehmomentmessung weiter gesteigert werden.
  4. Welche Performance muss das Datenerfassungs- und Automatisierungssystem aufweisen – feldbusbasierte Messtechnik
  5. Welches Automatisierungskonzept wird gewählt
  6. Wie sieht das Servicekonzept aus

1. Welche Anforderungen werden an innovative Prüfstände gestellt

Ein wichtiges Ziel aus Politik und Wirtschaft  ist die Entwicklung von Normen für die nächste Stufe von Fahrzeugen mit sparsamerem Kraftstoffverbrauch, insbesondere für mittelschwere bis schwere Flotten. Dies wird einen wichtigen Beitrag zur Energiesicherheit und zur Senkung des CO2-Ausstoßes leisten und dabei gleichzeitig Kosten einsparen und zu Innovationen in der Fertigungstechnik anregen. Motorenhersteller und die Ingenieure, die der Antriebstrang-Entwicklung arbeiten, stehen damit vor einer echten Herausforderung: Die Leistungsfähigkeit der derzeitigen und künftigen Motoren so weiterzuentwickeln, dass sie aufgrund ihrer Kraftstoffeffizienz die Normen erfüllen und gleichzeitig sowohl im Wettbewerb bestehen als auch die Erwartungen der Kunden erfüllen.

Wesentliche Erfolgsfaktoren in der heutigen Zeit sind das blitzschnelle reagieren auf Marktbedürfnisse mit neuen und doch ausgereiften Produkten. Darauf müssen Hersteller reagieren mit kürzeren Entwicklungszeiten und effizienten und flexiblen Testmethoden. Die wiederum bedeutet die zeitliche und organisatorische Trennung bei der Vorbereitung und Durchführung von Prüfaufgaben. Hier lässt sich ein Effizienzgewinn um den Faktor 10 erzielen. Energieeffizienz ist dabei ein wichtiges Thema (auch) in der Automobil- und Flugzeugindustrie. Motorenentwicklung, Rollwiederstand und Wirkungsgrad rücken dabei in immer in den Fokus.

Zum einen müssen die Testaufbauten in kurzer Zeit realisiert werden können, was durch intelligente Sensoren und Messverstärkersysteme erreicht werden kann, die untereinander kommunizieren und Konfigurationsdaten austauschen, wie zum Beispiel die Sensordatenerkennung „TEDS“. Eine hohe Messwertgüte und Genauigkeit sind dabei Grundvoraussetzungen. Beides erfüllen die Drehmomentmessflansche der Serie T10, T12 und T40 von HBM – hohe Genauigkeit bei gleichzeitiger hoher Dynamik und Drehzahl.

Zum anderen muss der Verstärker und das Kontrollsystem in der Lage sein, die gemessenen Daten in Echtzeit weiter zu verarbeiten - damit kann der Prüfstand dann geregelt werden. Parallel dazu müssen die Messdaten in hoher Auflösung zur Analyse bereitgestellt und auch gespeichert werden. Um hier einen wirklichen Effizienzgewinn zu erzielen, müssen all diese Funktionen in einem Gerät vereinigt sein. Auf genau diese Anforderungen hin wurde das das Messverstärkersystem PMX® von HBM entwickelt. Es erlaubt zum einen den Einsatz im Prüf- und Versuchsfeld und kann dann aber auch als Mess- und Automatisierungssystem im Produktionsbereich eingesetzt werden. Dies wird möglich durch die flexible Bestückung mit Mess- und Ausgabekanälen. Je nach Automatisierungsgrad können dann analoge oder Ethernet-basierte Feldbusschnittstellen in Echtzeit genutzt werden.

Gerade diese Flexibilität von Hardware kombiniert mit der Möglichkeit der Datenaufzeichnung in höchster Datenrate und Auflösung bringe den Anwendern einen weiteren Effizienzgewinn von bis zu Faktor 30.

Drehmomentsensoren von HBM
Modulares Messverstärker- und Automatisierungssystem PMX von HBM

2. Wie müssen die Drehmomentsensoren ausgelegt sein?

Moderne Drehmomentaufnehmer der Serie T10, T12 und T40 von HBM müssen digitalisiert mit hohen Abtastraten arbeiten um den hohen Anforderungen der Funktionstest zu genügen. Als Ausgangssignale stehen hier neben Drehmoment auch Drehzahl und Drehwinkel zur Verfügung. Diese sind wichtig, um daraus abgeleitete Größen wie Leistung und Wirkungsgrad im nachgelagerten Automatisierungssystem PMX® von HBM berechnen zu können. Dabei werden die Messsignale in Frequenzsignale gewandelt um störsicher übertragen werden zu können. Das ist bei den oftmals rauen Umgebungsbedingungen wichtig, da auch größere Motoren oder Frequenzumrichter mit ihren elektromagnetischen Feldern die Messqualität nicht beeinträchtigen dürfen. Zu den wichtigsten messtechnischen Eigenschaften der Drehmomentsensoren zählen dabei:

  • Genauigkeitsklasse
  • Kennwerttoleranz
  • Temperaturstabilität
  • Linearitätsabweichung und Hysterese

Auf die Qualität und Einhaltung der Betriebsdaten wurde bei der Entwicklung der HBM Drehmomentsensoren besonderer Wert gelegt.

Der Anwender sollte aber auch die Einsatzbereiche und Belastungsgrenzen beachten:

  • Drehzahlgrenzen
  • Zulässige Schwingungsbreiten
  • Grenzquer- und Längskräfte
  • Maximaltemperaturen

3. Wie kann die Performance der Drehmomentmessung weiter gesteigert werden?

Erfasst werden die Messsignale der Drehmomentsensoren mit dem Frequenzmesseinschub PX460 des PMX. Dieser arbeitet mit einer Genauigkeit von 0,01% und es können bis zu vier Drehmomentsensoren der Serie T10, T12 oder T40 betrieben werden – auch ein Mischbetrieb ist möglich. Um dann die Messdaten weiter zu optimieren, enthällt das Messverstärkersystem PMX® eine ganze Reihe von internen Berechnungskanälen, die speziell auf den Betrieb und Einsatz von Drehmomentaufnehmern ausgelegt sind. Diese arbeiten genau wie die Messkanäle in Echtzeit mit einer Berechnungsrate von 50 Mikrosekunden.

Dazu zählt z. B. eine 21-Punkt-Linearisierung der Aufnehmerkennlinie des Drehmomentsensors. Das Rohsignal des Sensors wird damit im PMX® weiter verbessert über die in Datenblatt angegebene Genauigkeit hinaus. Mit diesem verbesserten Messsignal kann dann weiter gearbeitet werden, was sie Messqualität des Prüfstanden steigert.

Eine weitere Möglichkeit der Skalierung ist die Verwendung von Polynomen und Geradensteigungen. Speziell mit der Verwendung von Polynomskalierungen kann eine Erhöhung um den Faktor 10 erreicht werden, da diese die Sensorkennlinie nochmal deutlich genauer abbilden. Die Koeffizienten des Polynoms des Sensors werden bereits währen der Produktion und der anschließenden Kalibrierung der Sensoren im Kalibrierlabor ermittelt. Da hier nur Polynome 3. Ordnung benötigt werden, ist auch die spätere Parametrierung der PMX Messkanäle sehr einfach und vermeidet Fehleingaben.

Um die Genauigkeit der Drehmomentmessungen weiter zu steigern, kann über hochgenaue Kalibieranlagen das Verhalten des Sensors in verschiedenen Belastungssituationen ermittelt werden. Dazu zählt zum einen der Betrieb in dynamischem Rechts- oder Linkslauf. Zum anderen wird oftmals neben den 100% Messbereichen auch eine hochgenaue Messung in kleinen Teillastbereichen benötigt. Dies ist z. B. nötig, um das Losbrechmoment zu ermitteln. Dazu werden während das Kalibiervorgangs diese unterschiedlichen Einsatzfälle mit dem Sensor durchlaufen und die entsprechenden Sensorkennlinen nach DIN51309 oder  VDI/VDE 2646 ermittelt und im Kalibierprotokoll fest gehalten. Diese Kennlinien können dann im PMX®  hinterlegt werden und werden dann im Einsatz im Prüfstand je nach Einsatzfall genutzt. Dabei erkennt PMX®  anhand der aktuellen Messparameter welcher Einsatzfall vorliegt und aktiviert danach automatisch die vorher definierten Sensorkennlinien.

Weitere wichtige Funktionen sind das parallele, unabhängige Verarbeiten der Rohmesswerte, wie z. B. das Filtern. Damit können die Signale für die Regelung und Automatisierung des Prüfstandes angepasst werden. Gerade in Kombination mit den Analogausgängen und/oder der Echtzeit-Ethernet Feldbussen des PMX® lässt sich hier eine effiziente Prüfstandsautomatisierung realisieren.

Spezialfilter zum Test von Verbrennungsmotoren: Aufgrund des Arbeitstakts mit Verdichtung und Ausdehnung in einzelnen Zylindern und der zugehörigen Schwankungen bei der Verbrennung weist das von einem Motor erzeugte Drehmoment ein recht dynamisches Verhalten auf, das in vielen Messsystemen als „Rauschen“ (oder schnelle Änderungen) erscheint. Dies kann durch das Verwenden eines CASMA-Filters (winkelsynchron arbeitendes Filter) eliminiert werden.

Die obige Abbildung zeigt das Ergebnis der Implementierung eines solchen CASMA-Filters. Hierbei ist klar zu sehen, dass das CASMA-Filter eine sehr gute Stabilisierung der Drehmomentmessungen in Korrelation zur Motordrehzahl erreicht, die sich ebenfalls im Zeitverlauf ändert. Je größer die Breite dieses Filters ist, desto besser sind die Ergebnisse.

Weitere Funktionen sind die Ermittlung der Spitzenwerte oder Mittelwerte von Messsignalen, um Testgrenzen zu ermitteln und zu dokumentieren. Diese Kontrollwerte können wiederum mit Grenzwerten oder Toleranzbändern in Echtzeit überwacht werden und den Prüfstand damit steuern.

Liegen die Rohwerte der Drehmomentmessung mit Drehmoment und Drehzahl vor, kann über mathematische Berechnungskanäle daraus dieMomentanleitung in Echtzeit errechnet und ausgegeben werden. Über zuschaltbare Zeitglieder können zusätzlich Lauftzeitunterschiede der Messsignale korrigiert werden. Diese entstehen bei hoch performanten Belastungsfällen bereits schon auf der Aufnehmerseite, und können das Messergebnis beeinträchtigen.

Testsignale: Mit PMX verfügen Anwender über die komfortable Möglichkeit, Signale und Anlagenzustände bereits während der inbetriebnahme zu simulieren und die Funktionsfähigkeit zu testen, ohne den Prüfstand komplett in Betrieb nehmen zu müssen. Dies geschieht auf der Sensorseite durch aktivieren des „Shuntsignals“. Damit sendet der Drehmomentaufnehmer 50 % seines Nennsignals aus und die Funktion kann bereits in „Trockenlauf“ überprüft werden. Zum anderen Verfügt PMX über internen Signalgeneratoren, mit denen Prüfabläufe statisch und dynamisch simuliert werden können.

4. Welche Performance muss das Datenerfassungs- und Automatisierungssystem aufweisen?

Das Spektrum der zu erfassenden Messsignale ist dabei sehr umfangreich und reicht von einfachen Signalen, die mit niedriger Frequenz erfasst werden – beispielsweise ein sich langsam ändernder Temperaturwert – bis hin zu komplexen Messdaten, die gleichzeitig mit hoher Messfrequenz gemessen werden müssen wie z. B. Drehmomentsignale mit dazu synchron zu erfassenden Drehwinkelsignalen und Rotationsgeschwindigkeiten.

Entscheidend ist hier neben den robusten und genauen Sensoren eine ebenso robuste und genaue Messwerterfassung. Beide sollten in der gleichen Genauigkeitsklasse liegen und min. 0.1 % oder besser 0.01 % betragen. Ebenso wichtig ist neben der Messgenauigkeit auch die Abtastrate der Signale. Diese sollte hoch genug sein, um auch schnelle oder kleine Teiländerungen noch sicher auflösen und darstellen zu können. Um die Bereiche Spitzenwerterfassung, Berechnungsgeschwindigkeit und Regelgüte abdecken zu können, sind alle Mess- und Berechnungskanäle parallel mit mindestens 20 kHz abzutasten, was einem Mess- und Berechnungsraster von 50 Mikrosekunden entspricht. PMX arbeitet im Bereich der Drehmomentmessung mit der PX460 mit 38,4 kHz um die volle Bandbreite der Messsignale der Drehmomentsensoren  auszuschöpfen.

Neben den Prozessdaten stehen dem Anwender auch umfangreiche Diagnoseinformationen standardmäßig zu Verfügung. Durch die entsprechende Auslegung der Echtzeithardware unterstützt PMX mit seinen Echtzeit-Ethernet Schnittstellen Buszykluszeiten von bis zu ≤ 10 kHz und minimiert darüber hinaus die Latenz der Nachrichtenübertragung.

Je nach Automatisierungsanwendung kann zwischen folgenden Echtzeit-Ethernet-Schnittstellen gewählt werden:

  • EtherCAT
  • PROFINET (IRT-Protokoll)
  • Ethernet/IP

Neben der Ausgabe der Mess- und Regelsignale können diese Feldbusse parallel im PMX betrieben werden. PMX arbeitet damit als Slave zusammen mit einem Steuerungsmaster im Prüfstand. Damit liefert das System die Dynamik, welche zur Realisierung der Simulation hochdynamischer Fahr- bzw. Belastungszyklen erforderlich ist.

Web-basierte Bedienung und Visualisierung

5. Welches Automatisierungskonzept wird gewählt?

Prinzipiell unterscheidet man zwischen PC-basierten Systemen und Embedded (eingebetteten) Systemen. Dies gilt sowohl für die Messdatenerfassung, die Steuerung/ Regelung und auch Visualisierung. Ist hohe Echtzeit (Deterministik) für die Regelung gefordert, wird man Embedded-Systeme einsetzen. Die Menge der anfallenden Daten ist hier eher gering – aber sehr zeitkritisch.

Regelungen in harter Echtzeit lassen sich nicht auf PC-basierten Systemen ausführen. Hier werden die Ressourcen gleichmäßig auf alle Komponenten verteilt, sodass Regelungsaufgaben zum Teil „warten“ müssen bevor sie ausgeführt werden. Daher liegen die Zykluszeiten hier bei 50 ms und mehr, was für eine schnelle und sichere Prüfstandsregelung keinesfalls ausreicht.

Hier können Embedded-Systeme ihre Stärken voll ausspielen, da diese über die interne CPU ihre Ressourcen voll für die Regelungsaufgaben reservieren. Dies ist auch im Fall von Soft-SPS-Lösungen der Fall, die in den Messsystemen integriert sind. PMX kann dazu mit einer CODESYS Soft-SPS ausgerüstet werden, mithilfe derer der gesamte Prüfablauf gesteuert werden kann.

Visualisierungen sind heute immer mehr durch die neuen, webbasierten Technologien geprägt. Diese haben den unschlagbaren Vorteil, dass sie lediglich einen modernen Web-Browser benötigen und auf allen modernen Endgeräten zur Verfügung stehen. Dazu zählen PCs, Tablets aber auch Smartphones. Die Mobilität dieser Geräte und damit auch die Verfügbarkeit wird zunehmend von Bedienern, aber auch von Wartungspersonal sehr geschätzt. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass keine zusätzliche Software auf dem Endgerät installiert werden muss. Ein Browser ist bereits vorhanden.

Echtzeit-Messdatenerfassung in Automatisierungskonzepten - PMX übernimmt die Messung, Regelung und Automatisierung.

Bei der Datenspeicherung im Prüfstandbereich muss man wieder zwei Unterscheidungen treffen. Sollen nur die Endergebnisse der Prüfung gelogged oder gespeichert werden, kann dies von den Embedded-Systemen auch erledigt werden. Sollen aber auch größere Datenmengen und Rohdaten gespeichert werden, haben PC-System einen klaren Vorteil durch ihre Massenspeicher wie z. B. Festplatten.

Dazu kann DAQ-Software parallel zum Mess-und Regelbetrieb die Daten auf PC aufzeichnen. Die Bandbreite geht von fertiger Standardsoftware, die für solche Aufgaben vorgefertigt ist, bis hin zu Speziallösungen, die über Softwaretreiber und APIs (Application Programming Interface) diese Aufgaben erledigen.

Auch die Dokumentation der Prüfergebnisse kann auf unterschiedlichen Wegen gelöst werden. PC-Systeme können leicht über einen PDF-Drucker die Ergebnisse einzeln abspeichern und bei Bedarf ausdrucken. Jedoch geht der Trend immer mehr in Richtung datenbankorientierte Dokumentation. Hier werden die Ergebnisse und Messdaten zu großen Datenbanken übertragen und archiviert. Über Abfragen lassen sich dann die benötigten Reports generieren und Aussagen über Zustand, Auslastung oder Qualität der Bauteile erzeugen.

Effizienter Service durch integrierte Diagnosefunktionen und Fehlerspeicher

6. Wie sieht das Servicekonzept aus?

Bei den Serviceanforderungen ist zwischen dem „Service-vor-Ort“ und „Remote-Service“ zu unterscheiden. Die Mess-und Regelsysteme müssen das Personal „vor Ort“ aktiv bei Inbetriebnahme und Wartung unterstützen. D. h. es muss die Möglichkeit geben, über das Abfragen von Messwertstatus und Gerätestatus direkt als LED-Anzeige an Gerät oder per Menü über den Web-Browser die gewünschten Informationen zu erhalten. Zum anderen erleichtern Log-Dateien die Aufzeichnung und Abfrage aller Fehler und Gerätebedienungen. Dies ist besonders hilfreich bei der Suche von sporadischen Fehlern oder Effekten. Eine weitere Möglichkeit bietet das zur Verfügung stellen von „Monitoring-Signalen“. Dies sind Spannungssignale, auf die zu Monitoring-Zwecken Messsignale oder auch Berechnungskanäle geschaltet werden können. Damit ist eine einfache Messung von jedem Servicetechniker vor Ort möglich. Die Log-Dateien, die netzausfallsicher im Gerät abgelegt sich, können zu Dokumentationszwecken auch über den Webbrowser heruntergeladen und archiviert werden.

Fazit

Moderne und leistungsstarke Drehmomentsensoren, wie z. B. die Serien T10, T12, T40 von HBM, kombiniert mit Embedded-Systeme mit offenen Kommunikationsschnittstellen, wie z. B. die Messverstärkerplattform PMX® von HBM, sind gleichermaßen für qualitativ hochwertige Mess- und Regelungsaufgaben geeignet.

Hier ist der generelle Trend zu beobachten, dass klassische Messtechnik-Systeme auf der einen Seite und Automatisierungslösungen auf der andere Seite sich immer mehr aufeinander zubewegen. Neben der Steuerung der Messabläufe an sich lassen sich mit solchen modernen Systemen auch die Maschinen steuern und moderne, zukunftsweisende Prüfstände realisieren.

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