Vor allem bei Prüfstandsanwendungen ist eine Integration von schneller, dezentraler Messtechnik und Automatisierung unerlässlich. Schließlich müssen beim Test von Systemen und Aggregaten nicht nur Messwerte erfasst, sondern der Prüfablauf an sich gesteuert und kontrolliert werden. Außerdem sind die Messstellen häufig räumlich verteilt, so dass bei einem zentralen Aufbau der Messtechnik erhebliche Kabellängen nötig werden. Ein Messdaten-Erfassungssystem, das die Messgrößen sensornah digitalisiert und zusätzlich alle zur Steuerung der Anlage notwendigen Daten erfasst, hat hier klare Vorteile.

Voraussetzung für eine solch umfassende Datenerfassung sind sensornahe Messmodule und eine echtzeitfähige Busverbindung wie sie Ethercat ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist die Hersteller-Unabhängigkeit und die Unterstützung durch andere Automatisierungsanbieter. Bereits 2007 begann die Berliner Firma imc Messsysteme gemeinsam mit ihrem Vertriebspartner Additive in Friedrichsdorf die prinzipielle Nutzung des schnellen Feldbusses zu untersuchen. Zur Sensor+Test stellt diese Firma jetzt eine Reihe von Messsystemen vor. Mit insgesamt drei Implementierungsvarianten unterstützt das Unternehmen die Integration der Messtechnik-Komponenten in Ethercat-Infrastrukturen. Zum einen lässt sich das Messsystem komplett als eine konfigurierbare Datenquelle definieren und als Ethercat-Slave betreiben. Als dezentrale Stand-Alone-Messbox konfiguriert, liefert sie dem führenden Automatisierungssystem alle notwendigen Messdaten mit der erforderlichen Datenrate. Außerdem können die Messdaten bei Bedarf im Messsystem vorverarbeitet und mit unterschiedlichen Datenraten gespeichert werden.

In einer weiteren Systemausprägung kommen zwei Ethercat-Anschaltungen zum Einsatz. Die Messsignale, zum Beispiel von abgesetzten Schall- oder Schwingungssensoren, können mit hoher Abtastrate vom Messsystem erfasst, gespeichert und erst danach als „verdichtete" Kennwerte zum Automatisierungssystem übertragen werden. In dieser Konfiguration arbeitet das Cronos-System bezüglich der dezentralen Messmodule als Ethercat-Master und zum Automatisierungssystem hin als Slave. Bei der Variante 3 kommunizieren die Messmodule als Ethercat-Slaves direkt mit dem Automatisierungssystem. Dieser Aufbau eignet sich für Applikationen, die keine spezielle High-End-Messdatenerfassung benötigen und daher auch vom Automatisierungssystem übernommen werden kann. Durch den Einsatz von Messmodulen mit Ethercat-Schnittstelle und ihre Integration in das Messsystem Cronos steht ein Datenerfassungssystem für das gesamte Signalspektrum elektromechanischer Systeme zur Verfügung.

Als Backbone ermöglicht Ethercat eine sensornahe Digitalisierung bei räumlich weit verteilten Messstellen und einen Datendurchsatz von bis zu 8 MByte/s. Das Gesamtsystem erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der Messtechnik, der Online-Datenanalyse und der Automatisierung.

Automation ersetzt Spezialmesstechnik

Ethercat bringt die Messtechnik näher an die Steuerungswelt - so nah, dass sie von ihr „geschluckt" wird, wie das Projekt der Firmen BSautomatisierung und Marquardt zeigt. BSAutomatisierung aus Rosenfeld realisiert komplexe Automatisierungslösungen für Fertigungs- und Montage-Anlagen schwerpunktmäßig für den Maschinen- und Anlagenbau. Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde ein Prüfplatz für die dynamische Erfassung der Kraft-Weg-Kennlinien von elektronischen Geräteschaltern realisiert - mit einer Auflösung im Mikrosekunden-Bereich.

Der von der Firma BSautomatisierung entwickelte Messplatz für dynamische Kraft-Weg-Kennlinien kommt ohne spezielle Messtechnikkomponenten aus.

Der Schalter wird in gängigen akkubetriebenen Handgeräten eingesetzt und ist für eine Betriebsspannung von 14,4 V(DC) ausgelegt. Am Ausgang des Schalters lässt sich ein DC-Motor anschließen und dessen Drehzahl über den Betätigungsweg linear regeln. Die Ansteuerung des Motors erfolgt über eine im Schalter integrierte Elektronik, die ein PWM-Signal (PWM: Pulsweitenmodulation) mit einer Periodendauer von 100 μs erzeugt.

Der maximale Betätigungsweg des Schalters beträgt etwa 8,5 mm, wobei eine Betätigungskraft von 21 N aufzuwenden ist. Da das PWM-Signal nicht direkt als Messwert, sondern nur invertiert über den Kühlkörper des Geräteschalters zur Verfügung steht, wird dessen Tastverhältnis (TV) bestimmt. Das TV gibt das prozentuale Verhältnis der Ein- zur Ausschaltzeit des PWM-Signals an.

Um eine qualitative Aussage über den Schalter treffen zu können, sind die elektrischen und die mechanischen Eigenschaften zu erfassen. Hierfür müssen zwei Teilkennlinien ausgewertet werden. Einerseits die Betätigungskraft über den Betätigungsweg und andererseits der Verlauf des Tastverhältnisses über den Betätigungsweg. Nach einem Betätigungsweg von etwa 2 mm wird die integrierte Elektronik über einen mechanischen Kontakt in Betrieb gesetzt, wobei das Tastverhältnis zu diesem Zeitpunkt bei <15 % liegt.

Nach einem Weg von 6,5 mm ist das TV auf rund 75 % linear angestiegen. Danach wird die Elektronik über einen Schaltkontakt überbrückt. Der restliche Betätigungsweg hat keinen weiteren Einfluss auf das elektrische Verhalten. Nach dem Einlegen und Kontaktieren des Schalters fährt die Linear-Achse im Eilgang an den Betätigungsgriff des Schalters, der anschließend mit der definierten Prüfgeschwindigkeit betätigt wird. Dabei erfasst das Messsystem die aufzuwendende Kraft, den zurückgelegten Weg und das Tastverhältnis des PWM-Signals von 20 bis 80 %.

Mit einem entsprechend leistungsfähigen Industrie-PC kann die Messdatenerfassung sogar parallel zur Fertigungssteuerung auf dem gleichen Rechner implementiert werden. Dadurch fallen die Kosten für eine eigenständige Messtechnik weg.

Prüfplatz mit Standardkomponenten

Kennlinien des Geräteschalters: Die blaue Kurve zeigt die zur Betätigung erforderliche Kraft über den Betätigungsweg mit den minimalen und maximalen Betätigungskräften (A und B); die rote Kurve visualisiert das Tastverhältnis über den Betätigungsweg mit dem Einschaltpunkt der PWM-Elektronik (C) und deren Überbrückung (D).

Der Prüfplatz ist komplett mit Standardkomponenten der Firma Beckhoff aufgebaut. Die Wegmessung erfolgt mittels Inkremental-Messtastern der Firma Heidenhain, die Kraftmessung über Ladungsverstärker der Firma Kistler. Das PWM-Signal wird über die Oversampling-Klemmen auf Basis der eXtreme Fast Control Technology (XFC) erfasst.

Unter dem Begriff bietet die Firma Beckhoff eine Technologie für hoch performante Steuerungsaufgaben mit Taskzeiten von bis zu 50 μs und einer Erfassungszeit von 30 μs für 1000 dezentrale I/Os. Auf Basis des Oversampling sind Messraten von bis zu 1 MSample/ s möglich. Jede Slave-Klemme besitzt dazu eine eigene Uhr, die mit einer Abweichung <100 ns synchronisiert wird. Damit sind die Oversampling-Klemmen in der Lage, während eines SPS-Zyklus das Eingangssignal mehrfach abzutasten. Die Klemme speichert die Messwerte in einem Array, das der Ethercat-Master mit dem nächsten Eingangsprozessabbild komplett einliest. Der Oversampling-Faktor der Klemme beschreibt dabei die Anzahl Abtastungen pro Zyklus.

Diese speziellen Klemmen ermöglichen die Messwerterfassung mit einer Auflösung von 0,5 μs. Im konkreten Projekt lässt sich damit eine deutliche höhere Auflösung der Kennlinie realisieren, als dies mit der bisher eingesetzten Messtechnik der Fall war. Aufgrund der vielfach höheren Abtastrate besteht die Möglichkeit, die Kennlinie nun dynamisch während der Betätigung des Schalters zu ermitteln. Dadurch bleibt trotz der wesentlich genaueren Erfassung die Prüfdauer je Schalter mit 22 s im Rahmen der bisherigen Prüfzeiten - ohne zusätzliche und teuere Mess-Hardware einsetzen zu müssen. Bislang musste der Prüfvorgang immer mehrmals angehalten werden, damit keine Messwerte bei der Datenerfassung verlorengehen. Die Messdaten können in der SPS auch direkt weiterverarbeitet und in einem angebundenen Datenbanksystem der Qualitätssicherung oder in einem PPS-System abgelegt werden.