CENTURIO M CONTROL RESEARCH. Simulator Training. Rapid Control Prototyping. Hardware in the Loop. Messwerterfassung. Mobile Testsysteme

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1 CENTURIO M Rapid Control Prototyping Hardware in the Loop Automatiierte Teten Mewerterfaung Training Mobile Tetyteme CONTROL RESEARCH

2 alte pfade ESP Prozeleitkontrolle ABS SPS Servodrive ASR ESC Ventile Motorteuergerät Motorcontroller Getriebeteuergerät Turbinenregler Flight Management Sytem Guidance&Navigation Computer Attitude Control Sytem Computer FADEC Lidar Radar Sonar IMU Indutrie-Automotive-Verteidigung-Luft/Raumfahrt-Medizin-Energie Steuergeräte Methoden RCP rapid control prototyping HIL hardware in the loop AT automatiierte teten ST imulator training MT Mobile Tetyteme DAQ mewerterfaung Steuergeräte finden ich fat überall, und ie ind ein elementarer Betandteil unerer Umwelt geworden. Die Wichtigkeit von Steuergeräten hat zahlreiche Methoden hervorgebracht, welche deren Entwicklung und Anwendung verbeern. Uner Ideal: Die Methoden werden überall wo hilfreich eingeetzt und tehen jedem Mitarbeiter zur Verfügung. In der Realität werden die Methoden nach wie vor eher elten, und wenn überhaupt nur vereinzelt eingeetzt. Die Methoden benötigen Werkzeuge und in genau dieen Werkzeugen ehen wir Defizite:. Die meiten Werkzeuge pezialiieren ich auf eine Methode. Wer mehrere Methoden einetzen will mu mehrere Werkzeuge ertehen, teil von mehreren Zulieferern. Für jede Werkzeug it erneut eine Einarbeitung nötig.. Durch die Spezialiierung auf einzelne Methoden bleiben die Stückzahlen der Werkzeuge klein, die Preie dementprechend hoch. Die Werkzeuge haben den Charakter von Einzeltücken. 3. Durch die hohen Preie wird höchten ein Sytem gekauft, da nur Wenigen zur Verfügung teht. Fazit: Die Methoden ind bekannt, der Weg it klar, aber die vorhandenen Werkzeuge zu ihrer Implementierung ind mangelhaft und tehen dem Fortchritt im Wege. Seite

3 neue wege - CENTURIO M CENTURIO M wurde al Werkzeug entwickelt um eine Vielzahl von Methoden anwenden zu können. Mit relativ wenigen Grundkonzepten wurde da Entwicklungziel erreicht: Modularität, Vielfalt, Offenheit, Robutheit und die Verwendung von Standard. Modularität Da CENTURIO M Sytem it in drei große Technologieblöcke eingeteilt: CPU-Module, IO-Module und Software. Diee Modularität erlaubt die Anpaung de Werkzeug an unterchiedliche Methoden, Märkte und Produkte. E garantiert Erweiterbarkeit und damit Zukunfticherheit. Vielfalt Unterchiedliche Märkte bevorzugen unterchiedliche Schnitttellen. Da Schnitttellen in die IO-Module augelagert ind, können durch eine adäquate Auwahl von IO-Modulen die unterchiedlichen Anforderungen der Märkte erfüllt werden. Offenheit E werden unterchiedliche Entwicklungumgebungen untertützt: C/C++ erleichtert die Übernahme betehenden Code, Matlab it weitverbreitet und Scico eine güntige Alternative. Standard bei CPU-Modulen und viele alternative Lieferanten bieten Unabhängigkeit und Zukunfticherheit. Open- Source-Komponenten teigern ebeno die Unabhängigkeit von einzelnen Firmen und ermöglichen Update ohne kotenintenive Wartungverträge. Robutheit, Kompaktheit Die Kompaktheit de Sytem erlaubt einen einfachen Tranport. Ob Schreibtich, Labor, Produktion oder Inbetriebnahme beim Kunden: Ihr CENTURIO M Sytem begleitet Sie mit geringem Aufwand. Die Robutheit ermöglicht den Tranport und einen icheren Betrieb in allen Bereichen. Prei Apothekerpreie tehen einer weiten Verbreitung entgegen, dewegen unterlag der Entwicklungproze klaren Zielpreien. Der Haupteffekt wird durch die Stückzahlen erreicht: Durch die Abdeckung vieler Methoden, Märkte und Produkte werden ehr viel höhere Stückzahlen und damit niedrigere Preie erzielt. Außerdem werden zum Beipiel tandardiierte CPU-Board au der Indutrie verwendet. Ebeno führt die Verwendung von Open Source (Entwicklungumgebung, Compiler, Betriebytem) zu niedrigeren Koten. Da Reultat: VERFÜGBARKEIT der Methoden Die Methoden ind nicht nur bekannt, ondern können tatächlich implementiert werden, und zwar zu jedem Zeitpunkt im Projekt, an jedem Ort, von jedem Entwickler, in jedem Markt und jedem Produkt. Nicht weniger al da it da Ziel von Control Reearch. CONTROL RESEARCH Seite 3

4 CENTURIO M CENTURIO M it ein modulare Sytem, betehend au Software und Hardware. Die Hardware it aufgeteilt in CPU-Module und IO-Module. Die CPU-Module ind in verchiedenen Leitungklaen erhältlich. Sie enthalten die grundlegende Echtzeitoftware und können Regler, Algorithmen oder Streckenmodelle berechnen. IO-Module ind die Schnitttelle zur Welt. Sie können Senoren auleen und Aktoren anteuern. Hierbei werden die unterchiedlichten Schnitttellen untertützt. Ebeno werden Feldbue implementiert oder dezentrale Funktionen angeboten... CPU-Module IO-Module Die CPU- und IO-Module können zuammengeteckt werden. Der interne Bu wird automatich gekoppelt und minimiert den Verdrahtungaufwand. Die mechaniche Verbindung und da Alugehäue orgen für Stabilität im Aufbau und einen icheren Betrieb. Die IO-Module ind 64x60x4 mm groß, da CPU-Modul 6x0x40 mm. Jederzeit können zuätzliche IO-Module eingefügt werden. Durch die Freiheit bei Art und Anzahl der Module können unterchiedlichte Aufgaben bewältigt werden. CENTURIO M kann mit C/C++, Matlab /Simulink oder Scico programmiert werden. Control Reearch bietet die Crocompiler und Toolboxen kotenfrei an. Für die C/C++-Programmierung it keine zuätzliche Software nötig. Scico it eine kotenloe grafiche Open- Source-Entwicklungumgebung. Außerdem können Python Skript auf dem CPU-Modul augeführt werden. Native C/C++ Matlab/Simulink Scico Control Reearch Crocompiler Application Python Realtime Linux CENTURIO CPU Seite 4

5 CPU-Module CPU-Module tehen in verchiedenen Leitungklaen zur Verfügung, unter anderem mit Atom- oder Core--Duo (Doppelkern) Prozeor. CPU-Module führen die Algorithmen, Regelchleifen, Tetvektoren etc. au. Ein Echtzeitbetriebytem (Linux mit Xenomai) erlaubt die Auführung in Echtzeit. Reglerzyklen von 00 µ. RAM bi zu GB 3. CPU (Atom oder Dual Core) 8 3. Compact Flah (GB) und chneller ind kein Problem Spannungverorgung Zwei Erweiterungbue erlauben 5. USB.0 Anchlu 5 den Anchlu von IO-Modulen. 6. Statuled 4 Mit maximal 6 Modulen pro Bu 7. VGA (Monitor) können ingeamt 3 IO-Module 8. 0/00 MBit Ethernet pro CPU verwendet werden. 9. USB.0 Anchlu 9 0. Port für IO-Module Reettater Externe Zubehör W-Lan USB-Stick USB-Fetplatte Joytick, Mau USB-Cam IO-Modul 4 Stecker (abnehmbar) Interner Bu (hrinked PCI) Endkappe Befetigunglachen 5 IO-Module Die IO-Module implementieren verchiedene Funktionen. Die können dikrete Schnitttellen ein wie analoge oder digitale IO, Poitiongeberchnitttellen wie Encoder, SSI, LVDT, Reolver, beondere Senoren wie Dehnmetreifen, Thermoelemente etc. Für Methoden wie HIL werden auch die Inveren dieer Schnitttellen angeboten, z.b. Encoder/ SSI/Reolver/LVDT-en. Endtufen ermöglichen die direkte Anteuerung von Motoren, Magneten, Ventilen etc. Ein Relaimodul mit 4 Relai it erhältlich. Jede Modul hat einen eigenen Stecker und erlaubt o eine flexiblere Verwendung der Kabel im Gegenatz zu Sytemen mit nur einem großen Stecker. CONTROL RESEARCH Seite 5

6 Flexibilität Ein Vorteil von CENTURIO M it eine Anpaungfähigkeit. Au einem Baukatenytem werden die paenden CPU- und IO-Module gewählt, um eine Methode wie Rapid Control Prototyping, Hardware in the Loop, Automatiierte Teten uw. zu implementieren. Die Art und Anzahl der verwendeten Module kann vom Anwender frei betimmt werden. Damit lät ich ein CENTURIO M- Sytem an eine Vielzahl von Sytemen anpaen. Au dieer Flexibilität ergibt ich auch eine große Zukunfticherheit. CPU können durch leitungfähigere Modelle eretzt werden, da Sytem lät ich an neue Anforderungen anpaen uw. CPU Digital IO CM-00-C00 CM Intel 4V Digital Atom 8 x In.6GHz 0.5GB..GB Ram GB..3GB Flah CM V Digital 8 x Out, 4A CM-00-C00 Intel Core Duo.6GHz CM GB..GB Ram Timer, Counter, GB..3GB Flah Pule/Period, PWM 8 x In Mewerterfaung Analog In Analog Out Poition Po. Senor Endtufen Feldbu Senoren Leitung CM CM CM CM CM CM V..0V -0V..0V Incremental Incremental Powertage RS3, 8 Channel 6Bit, 8 x In 6Bit, 4 x Out Encoder, A/B/Z Encoder, A/B/Z 3 phae, 4A iolated 5V Supply CM CM CM CM-060- CM CM mA 4..0mA SSI Interface SSI Interface Device Power RS485, 8 Channel 6Bit, 8 x In 6Bit, 4 x Out Channel Supply iolated Channel CM Fat Signalgenerator CM CM-060- CM CM CM High Preciion -0V..0V Heidenhain Heidenhain Electronic CAN, 8 Channel 4bit, variable 4 Channel Interface Interface Load iolated input range 5MSp MB Ram Rapid Control Prototyping Hardware in the Loop Automatiierte Teten Eine Lite mit allen Modulen finden Sie auf der letzten Seite. Typiche Beipiele für Module und deren Verwendung: Rapid Control Prototyping: Digitale Eingangmodule erfaen Endchalter Analoge Eingangmodule meen Senoren Analoge Augangmodule teuern Aktoren an Module mit Poitiongeberchnitttellen leen Weggeber au Feldbue kommunizieren mit anderen Anlagenteilen (Aktoren, Materteuerung) Dehnmetreifen-Module erfaen Verformungen von Machinenteilen Leitungendtufen teuern direkt Verbraucher an (z.b. verchiedene Motoren) Module für HIL: Analoge Augangmodule imulieren Senoren (z.b. Druck- und Kraftenoren) Poitiongeberimulatoren imulieren Poitiongeber mit pezifichen Schnitttellen (z.b. SSI) Elektroniche Lat en imulieren elektriche Verbraucher (z.b. bürtenloe Servomotoren) Module für Automatiierte Teten: Simulationmodule für Schnitttellen (z.b. Encoder-) hochpräzie analoge Eingangmodule (z.b. 4bit Modul) Allgemein gleichen Syteme für AT ehr den HIL-Sytemen Seite 6

7 IM PRODuktLebenzyklu E gibt viele Methoden, die im Produktlebenzyklu Verbeerungen erbringen. Biher wurden jedoch elten alle Methoden durchgängig genutzt; ei e weil hierfür zu viele Tool nötig waren, weil jede Tool für ich allein zu teuer war, oder weil die Methoden grundätzlich nur ioliert voneinander betrachtet wurden. Ziel bei der Entwicklung von CENTURIO M war e immer, alle Methoden mit nur einem Tool abdecken zu können. Vorteilhaft it hierbei der geringe Trainingaufwand, da nur ein Sytem erlernt werden mu. De Weiteren können zahlreiche Symbioeeffekte genutzt werden, wenn ein durchgängige Tool in der Entwicklung und Anwendung von Steuergeräten verwendet wird. Ein Tool für alle Methoden Analye Konzepttet,Prototyp Produktentwicklung Serieneinführung CONTROL RESEARCH Serie und Betrieb Hardware in the Loop Während der Entwicklung müen Tet beweien, da alle Anforderungen erfüllt werden. CENTURIO M HIL-Syteme bieten hier eine flexible Hilfe. Rapid Control Prototyping Mit RCP können Prototypen einer elektronichen Steuerung chnell ertellt werden. Mit CENTURIO M RCP-Sytemen können Konzepte vorab getetet und Projektriiken minimiert werden. Mewerterfaung Sammeln und Auwerten von phyikalichen Informationen. Je mehr Informationen vorhanden ind, deto geringer it da Projektriiko. Inbetriebnahme-Tool Auch Inbetriebnahmen werden komplexer, weil immer mehr Steuergeräte immer komplexer ind. Entwickeln Sie mit CENTURIO M mobile Tetyteme für Ihre Geräte. Training Steuergeräte werden zunehmend komplexer. Trainieren Sie die Bediener indem Sie mithilfe eine CEN- TURIO M HIL-Sytem die Umwelt imulieren, während der Lernende da Steuergerät bedient. Automatiierte Teten Nach jeder Änderung gilt e, ämtliche Tetfälle erneut durchzupielen. Automatiche Tetyteme auf der Bai von CENTURIO M können die effizient erledigen. Vorteile der Durchgängigkeit: Weniger Trainingaufwand durch ein Tool. Einfache Wiederverwendung und Autauch von Daten und Modellen; einfachere Zuammenarbeit mit Kollegen. Durch vielfache Anwendung eine Tool mehr Expertie, mehr Redundanz bei Experten. Geringere Koten durch höhere Stückzahlen. Bei Bedarf kann mit Hardware augeholfen werden. Seite 7

8 Rapid control prototyping Onboard Electronic P U P U T A P B T RCP Sytem P U P U T A P B T Monolithiche Steuergerät Rapid Control Prototyping Mit Rapid Control Prototyping (kurz: RCP) verucht man in möglicht kurzer Zeit einen Prototypen für eine Regelung zu ertellen. Schnelltmöglich ollen Konzepte oder Verbeerungen getetet werden. Durch Überdimenionierung der Komponenten (mehr Rechenleitung, mehr Auflöung, höhere Taktraten etc.) werden aufwendige Optimierungen vermieden. Durch die Modularität kann da RCP-Sytem auf beliebige Strecken, Konzepte und Algorithmen angepat werden. Auch der Einatz zuätzlicher Senoren it einfacher und kann wichtige Daten liefern. Serienhardware it immer kotenoptimiert und bietet elten Reerven in Bezug auf Flexibilität und Rechenleitung. Genau diee zwei Faktoren ind aber nötig, wenn neue Konzepte in kurzer Folge getetet werden ollen. Mit RCP müen Sie ich nicht auf da vielverprechendte Konzept bechränken. Teten Sie die wichtigten Konzepte und eignen Sie ich da Wien und die Erfahrung an, die nötig ind, um da bete Produkt im Markt zu entwickeln. Ihre Kunden werden e zu chätzen wien, wenn Sie in Ihren Produkten die modernten Algorithmen und Reglertrukturen implementieren, die denkbar ind. Mit RCP können Sie auch Fehlentwicklungen vermeiden, indem Sie da Produktkonzept chon vor der Produktentwicklung teten. RCP erfordert nur einen geringen Aufwand und liefert doch wichtige Informationen über die grundlegende Machbarkeit von Konzepten. Wertvolle Erkenntnie können zu einem ehr frühen Zeitpunkt im Projekt erlangt werden und verhindern päter teure Korrekturen. Mit dem RCP-Sytem kann zudem die Softwareentwicklung tarten, obwohl die endgültige Hardware noch nicht verfügbar it. Projektzeit it immer auch Lebenzeit, und mit CENTURIO M-RCP Sytemen können Sie diee ehr viel effizienter nutzen. Mit den leitungfähigen CENTURIO M-CPU können elbt komplexe Algorithmen ohne Optimierung gerechnet werden, und die vielen IO-Module bieten Flexibilität in Bezug auf Senoren und Aktoren. Die grafiche Software erlaubt eine chnelle Implementierung oder Änderung von Algorithmen. Zudem ind Open-Source-Löungen verfügbar (Scico). Rapid Control Prototyping Ohne RCP müen Algorithmen, Regler etc. immer auf die Zielplattform hin optimiert werden. Gleichzeitig it durch die bechränkten Reourcen der Serienhardware eine Mewerterfaung und Auwertung nur eingechränkt möglich, wa ebenfall zu Verzögerungen führt. Implementierung, Optimierung, Tet und Auwertung eine Algorithmu ohne RCP Ohne RCP Mit RCP entfällt der Optimierungaufwand. Durch integrierte Datenerfaung, Auwertung und Debugging werden Fehler im Algorithmu chneller erkannt. In der gleichen Zeit können mehr Konzepte überprüft und augewertet werden. Der bete Algorithmu wird am Ende auf der Zielhardware implementiert. Mit RCP Implementierungzyklu mit RCP Finaler Implementierungzyklu auf Zielplattform t t Warum RCP chneller it:. Keine Optimierung de Code nötig aufgrund hochperformanter CPU. Integrierte Datenerfaung und Viualiierung erlaubt chnelle Vertändni der Vorgänge und Abhängigkeiten 3. Grafiche Entwicklungumgebung erlaubt chnelle und fehlerarme Entwicklung von Algorithmen 4. Debuggingmöglichkeiten erlauben chnelle Fehlerdetektion 5. Zuätzliche Senoren erlauben mehr Medaten und einen beeren Einblick 6. Modulare Sytem erlaubt chnelle Anpaung an neue Konzepte, Ideen etc. Seite 8

9 CENTURIO M im RCP Einatz Digitale IO Endchalter, induktive Schalter, druck/temperaturabhängige Schalter, Freigabeignale, Leuchtmittel, Schaltventile, Hubmagnete Analoge Eingänge Druckenoren, Potentiometriche Senoren, Temperatur Analoge Augänge Stellwerte, Sollwerte, hydrauliche/pneumatiche Ventile Digital erweitert Pulgeber (z.b. Kurbelwellenenoren), Zähler, Pullängenmeung Strecke Poitiongeber Imkrementalencoder, SSI, LVDT, RVDT, Reolver, Endat, Hiperface Feldbu Interner Bu PWM Endtufe Divere RS3, RS485, CAN, Gigabitethernet NTC, PTC, Thermoelemente, Kraft, Dehnmetreifen, Relaimodul Gleichtrommotoren, DC Motoren, Permanentmagnetmotoren, Linearmotoren, Proportionalmagnete Externe Endtufen (IGBT, Mofet, mit Treiber) für elektriche Antriebe Implementierung einer Feldorientierten Kontrolle (Kommutierung eine Permanentmagnetmotor) mit CENTURIO M: Einleen eine Reolver Einleen eine Encoder Algorithmu Teil einer Viualiierung CONTROL RESEARCH Leen/Schreiben auf die Endtufe Vorteile der Methode: Teten Sie viele Konzepte. Erlangen Sie mehr Wien über da, wa möglich und nötig it. Vermeiden Sie Fehlentwicklungen durch frühzeitige Konzepttet. Steigern Sie Ihr Anehen im Markt durch die Verwendung der modernten Algorithmen. SW-Entwicklung kann auf RCP- Sytemen beginnen bevor die Serienhardware verfügbar it. Vorteile von CENTURIO M: Anpaungfähigkeit durch hochperformante CPU und eine Vielzahl von IO-Modulen Untertützung von kommerziellen und Open Source Tool für die Softwareentwicklung Bei Open Source Tool entfallen Lizenzkoten Nahtloe Integration von Softwareentwicklung, Mewerterfaung und Viualiierung Die untertützten Tool bieten viele Baialgorithmen Die Kompaktheit erlaubt einfachen Tranport (auch auf Inbetriebnahmen) Seite 9

10 Hardware in the loop Aktorchnitttelle Aktoren Aktorchnitttelle Steuerung Senorchnitttellchnitttellimulator Strecke Steuerung Senor- Senor- HIL- Senoren Simulation Aktorimulator Normaler Einatz de Steuergeräte Einatz von Hardware in the Loop Mit Hardware in the Loop (HIL) kann eine elektroniche Steuerung getetet und betrieben werden ohne hierzu die tatächliche Strecke zu benötigen. Erzielt wird die indem die geamte Strecke imuliert wird, inkluive der Senoren, der Aktoren und der phyikalichen Geetze. Permanent liet da HIL-Sytem alle Stellwerte (Augänge) der Steuerung ein, führt ie dem phyikalichen Modell zu, berechnet die Streckengrößen (Druck, Poition, Gechwindigkeit etc.) und liefert diee wieder an die Senoreingänge der Steuerung. Wie genau kennen Sie Ihre Steuerung? Wie genau können Sie da Verhalten in unterchiedlichen Situation vorheragen? Wenn Sie ich mit Vermutungen nicht zufrieden geben wollen, erlaubt Ihnen HIL Ihre Steuerung in den verchiedenten Zutänden zu erproben. Beliebige Permutationen von Zutänden und Sollwerten können imuliert werden und erlauben e, da Verhalten der Steuerung zu beobachten. E macht Spaß neue Dinge zu entwickeln und nicht ewig auf denelben Problemen herumzukauen. Minimieren Sie die Zeit für die Fehlerbehebung in alten Produkten, indem Sie die Fehler im Feld durch augiebige HIL-Tet ert gar nicht aufkommen laen. Schützen Sie Mench und Machine, indem Sie die Integrität ihrer Steuerung durch realitätnahe HIL-Tet gewährleiten. Da kommt nicht nur Ihrem und dem Anehen Ihrer Firma zugute, e lät Sie auch nacht beer chlafen. HIL kann nicht alle Tet eretzen, und der Tet an der realen Strecke wird in letzter Intanz immer nötig ein. Jedoch erlaubt HIL Tet zu geringeren Koten, und geringere Koten in der Folge erlauben mehr Tet und damit mehr Sicherheit. Laen Sie Ihre Produkte von Verion.0 an tabil und zuverläig ein. Überrachen Sie Ihre Kunden mit einer reibungloen Inbetriebnahme indem Sie mit HIL die Inbetriebnahme imulieren und da Peronal chulen. So können Sie bereit vorab viele Fehler heraufinden und beeitigen. Vorabtet am bequemen Schreibtich durchzuführen, erpart Ihnen päter lange Nächte während der Inbetriebnahme. Da HIL-Prinzip Steuergerät FPGA CPU Regler Signal Generator Sollwert IGain PGain Poition Itwert Integrator 3 4 Stellwert 5 Hardware Analog Augang HIL-Sytem Analoger Eingang Hardware Encoder Encoder Poition Itwert Phyikaliche Modell 6 Signal Generator CM 040 [00/ 00] / AI AI AI3 AI4 AI5 AI6 AI7 AI8 CM-040 Analog Input (8) Sollwert a = F / m IGain av PGain dynamiche Reibung Integrator v 7 Set Stellwert CM / CM Encoder AI CM AI 060 CM AI3 Set AI4 a = F / m av v / [00/ AI5 00] CM Diee einfache Beipiel zeigt anchaulich, wie weit der Tet de Steuer- / AI6 Encoder AI7 AI8 CM-040 dynamiche Analog Input (8) Reibung geräte mit der HIL-Methode geht. E wird die Firmware, CPU, FPGA und die IO-Hardware eingebunden in die Simulation. Durch den Echtzeitcharakter de HIL-Sytem werden auch zeitliche Abläufe getetet. Durch die höhere Tetabdeckung werden Fehler ehr viel eher entdeckt. Nur der Tet in der Realität elbt bietet noch mehr Realitätnähe. Der Ablauf im Detail:. Da phyikaliche Modell im HIL-Sytem hat einen Zutand, der an den Encoder- weitergegeben wird.. Da Steuergerät wertet die Encoderignale au. 3. Der neuete Encoderwert wird in den Regler gepeit. 4. Der Regler wird berechnet. 5. Der Stellwert wird an den analogen Augang weitergegeben. 6. Da HIL-Sytem liet den Stellwert ein. 7. Da phyikaliche Modell wird abhängig vom letzten Zutand, den phyikalichen Geetzen und dem Stellwert berechnet. Nach Schritt 7 wird wieder Schritt augeführt. Dieer Vorgang findet in Echtzeit tatt. Seite 0

11 CENTURIO M im HIL Einatz Schnitttelle HIL-Sytem Schnitttelle Steuergerät Digitale IO Digitaler Eingang Digitaler Augang Digitaler Augang Digitaler Eingang Analoge Eingänge Eingang +-0V Augang +-0V Eingang 0..0V Augang 0..0V Eingang 4..0mA Augang 4..0mA Analoge Augänge Augang +-0V Eingang +-0V Augang 0..0V Eingang 0..0V Augang 4..0mA Eingang 4..0mA Digital erweitert Rotat.Emulation Kurbelwellenen. Frequenzmeer Frequenzaugang Pulgenerator Zähler PWM-Auwertung PWM-Augang Poitiongeber Encoder Sim. SSI Sim. Endat Sim. Hiperface Sim. Encoder SSI Endat Hiperface HIL in der Servohydraulik: Einleen Stellignal Ventil Feldbu Interner Bu Device Power Supply Device Power CAN Supply RS3/RS485 Ethernet Reolver Sim. LVDT Sim. CAN RS3/RS485 Ethernet Electronic Load Electronic- Load- Spannung- verorgung Phyikaliche Modell der Strecke Beipiel Viualiierung Reolver LVDT Hochtrom DO PWM-Augang Motorendtufe Ventilendtufe Schreiben auf den SSI- CONTROL RESEARCH Vorteile der Methode Hohe Anehen bei Kunden durch augiebig getetete Steuerungen Stabile Steuerungen ab V.0 Weniger Rework an Altprodukten Simulation chwieriger und gefährlicher Zutände Vorabimulation von Inbetriebnahmen Vorteile von CENTURIO M: Durchgängigkeit: Wiederverwenden von Modellen au dem Rapid Control Prototyping für HIL Wiederverwendung von HIL- Modellen für den Automatichen Tet. Leitungfähige CPU erlauben die Echtzeitberechnung von komplexen phyikalichen Modellen IO-Module erlauben die Simulation von zahlreichen Senoren und Aktoren Modularität erlaubt die Anpaung und Erweiterbarkeit an beliebige Szenarien. Durch Open-Source-Entwicklungumgebung (Scico) Lizenzkotenfreiheit bei Software Seite

12 Automatiierte Teten Entwickler Zu tetende Gerät Automatiche Tetytem Zu tetende Gerät Teter Manuelle Teten Automatiierte Teten Ziel de Automatiierten Teten it e, die Soft- und Hardware einer elektronichen Steuerung zu teten, ohne dabei auf die Einflunahme von Menchen angewieen zu ein. Im Tetytem it da zu tetende Gerät vorhanden owie ein Tetaufbau, der ämtliche Schnitttellen, Feldbue und Funktionen de zu tetenden Geräte timulieren und prüfen kann. Für die Tet werden immer die neueten Sourcen kompiliert und heruntergeladen; alle Tet werden automatich durchgeführt. Teil de Tetytem it die Viualiierung und Archivierung der Ergebnie. Moderne elektroniche Steuerungen beinhalten immer mehr Funktionalität. Gleichzeitig ollen die Entwicklungzyklen möglicht kurz ein und die Qualität dennoch ehr hoch. Fehler können chwerwiegende Schäden und omit Koten verurachen, und in jedem Fall bechädigen ie da Image der Firma und ihrer Mitarbeiter. Augiebige Tet ind der einzige Weg, um bei teigenden Anforderungen dennoch eine hohe Qualität anbieten zu können. Nach wie vor it hierbei manuelle Teten, alo da händiche Abarbeiten von Tetvorchriften, Standard. Diee Tet können wirkam ein, allerding prechen viele Faktoren dagegen. Softwaretet ind eine monotone und langwierige Tätigkeit. Nach jeder kleinen Änderung müen ämtliche Tet wiederholt werden, um Seiteneffekte auzuchließen. Tet finden meit vor Freigaben tatt, genau dann it jedoch am wenigten Zeit vorhanden. Darüber hinau ind die Entwickler meiten damit augelatet, im Kern-Know-How de Unternehmen Fortchritte zu erzielen, womit da Teten definitiv zur zweiten Priorität wird. Automatiierte Teten löt alle diee Probleme. Hier werden alle Funktionen, Schnitttellen, Feldbue, Fehlerreaktionen uw. vollautomatich über ein entprechend augerütete Tetytem geprüft. Da hierfür keine Entwickler nötig ind, entfällt da Problem der fehlenden Zeit während der Freigaben. Von der Monotonie de Teten befreit, können ich Entwickler auf die Kernaufgaben konzentrieren. Die Durchführung der Tet kann täglich erfolgen. Dadurch werden Fehler durch Änderungen zeitnah erkannt. Der Geamttet einer elektronichen Steuerung beteht au 8 Segmenten, welche im Folgenden bechrieben ind. Mit den einzelnen Segmenten werden immer betimmte Bereiche de Geräte getetet. Sukzeive werden o alle Elemente de zu tetenden Gerät verifiziert. Der Tetaufbau erlaubt die Durchführung der Tet ohne menchliche Eingriffe und kann damit beliebig oft augeführt werden. ) Nightly Build Automatiche Kompilieren aller Sourcen und Download auf da Target ) Ein/Auchalttet Tet der unterchiedlichen Spannungniveau, Rampen, Einbrüche etc. 3) Schnitttellen Tet aller dikreten Schnitttellen (DI, DO, AI, AO etc.). Statiche Werte, Sprünge etc. 8) Bedienoftware Automaticher Tet der Bedienoftware auf unterchiedlichen Betriebytemen Durchführung alle 4 h oder nach jeder Änderung (SW/HW/FPGA/ GUI etc.) und ohne jeden händichen Eingriff. 4) Feldbue Tet ämtlicher Kommunikationfunktionen und zugänglicher Parameter 7) Crotet Durchführen aller Tet in unterchiedlicher Reihenfolge. Prüfen ob Seiteneffekte auftreten. 6) Sicherheitfunktionen Simulation von Fehlerfällen und Tet aller Sicherheitfunktionen 5) Funktionalität Tet ämtlicher Gerätefunktionen wie Regler, Zutandmachinen, Diagnoefunktionen uw. Seite

13 Build/Teterver Build Sytem Sourcen Compiler Virtuelle OS WinXP Linux Vita Win7 Zu tetende Gerät Device Power Supply Software Applikation Regler Statemachine Betriebytem CPU FPGA Tetyteme orientieren ich immer am zu tetenden Gerät. Im rechten Beipiel wird ein Frequenzumrichter automatich getetet. Durch den Aufbau kann jede Schnitttelle und jede Peripherie de Geräte angeprochen und getetet werden. Im HIL-Sytem ind zahlreiche Tetfälle und Simulationen hinterlegt, die periodich augeführt werden. Da Ergebni wird viualiiert und teht allen Entwicklern zur Verfügung. POWER- STAGE Electronic Load Profinet Ethercat Profibu CAN AI AO DI DO Reolver ENC SSI SINCOS HIL-Sytem Profinet Ethercat Profibu CAN AO AI DO DI ReolverSim ENCSim SSISim SINCOSSim Sollwert Signal IGain Integrator Tetvektoren Funktiontet, Poition ItwertFehlertet, Anlagenimulatioin,... Generator AI AI CM AI3 040 AI4 [00/ AI5 00] / AI6 AI7 AI8 CM-040 Analog Input (8) a = F / m av PGain dynamiche Reibung Protokolltack Treiber Spannungverorgung v Set Stellwert CM / CM Encoder Manuelle Teten chlägt fehl ein mathematicher Bewei Ein einfache Beipiel: Ein Entwickler oll eine neue Funktionalität entwickeln und verbringt 9 Wochen mit der Implementierung, eine Woche mit dem Teten. Implementierung Manueller Tet Aktivität Menge Code Da Problem: Bei einer kontanten Tetzeit, aber immer mehr Code, verringert ich die Tetqualität zwangläufig. Immer mehr Code wird immer weniger getetet. E genügt auch nicht, nur den neuen Code zu teten: Um Seiteneffekte auzuchließen, mu immer die geamte Firmware getetet werden. Die Löung: mehr Zeit für da Teten. Implementierung Manueller Tet Aktivität t Da Problem: Die Tetzeit überwiegt irgendwann die Implementierungzeit. Die einzige Löung: Automatiche Teten. Die manuelle Tetzeit wird in die Entwicklung von automatichen Tet invetiert. Tet werden permanent augeführt. Mit der Menge Code teigt auch die Menge Tet. Aktivität Tettand Menge Tet Menge Code Implementierung Automatiche Tet entwickeln CONTROL RESEARCH t t t Vorteile der Methode Entwickler werden von monotoner Tetarbeit entlatet. Entwickler können ich auf die Kernaufgaben konzentrieren. Über Jahrzehnte können Tauende Tettunden gepart werden. Die Tetfrequenz kann bei niedrigeren Koten erhöht werden. Durch eine hohe Softwarequalität kann da Anehen der Entwickler und der Firma gewahrt werden. Schäden, Rückrufaktionen und Bugfixe im Feld werden vermieden. Vorteile von CENTURIO: Da Baukatenytem erlaubt die Anpaung an beliebige Tetzenarien. Zahlreiche Schnitttellen können getetet werden. Beliebige Streckenmodelle dienen al Tetfall. HIL-Modelle au der Entwicklung können für den Tet wiederverwendet werden. Wir bieten eine Tetbibliothek mit einer Vielzahl von Tet. Auf Wunch entwickeln wir da geamte Tetytem für Sie. Seite 3

14 Weitere Methoden mewerterfaung Die zu regelnde oder teuernde Strecke genau zu kennen, it Grundlage für innovative Algorithmen. Durch die integrierte Mewerterfaung können leicht die intereierenden Streckengrößen erfat, archiviert oder viualiiert werden. Durch die Integration in Matlab oder Scico kann noch vor Ort die Streckenidentifikation tattfinden. Eine genaue Kenntni der Strecke minimiert die Projektriiken und erlaubt e, die Anforderungen chon bei Projektbeginn klar zu definieren. Auerdem it eine komfortable Mewerterfaung Grundlage einer chnellen Fehlerdiagnoe. SimulatoR Training Die beten Produkte und ihre Feature ind wertlo, wenn die Bediener ie nicht beherrchen. Durch ein gute Training kann man ichergehen, da die Bedienmannchaft da volle Produktpotenzial auchöpft. Lernender Produkt HIL Trainer Mithilfe eine HIL-Sytem wird die Umgebung imuliert. Da Steuergerät mitamt Bedienoftware oll dann vom Lernenden in Betrieb genommen werden. Fehlerimulationen erlauben ein erweiterte Training. Inbetriebnahme Tool Große Inbetriebnahmen tellen erhöhte Anforderungen an die Anwender. Durch die Kompaktheit von CENTU- RIO M laen ich mobile Tetyteme entwickeln (z.b. in einem Koffer), welche leicht tranportabel ind. Vor Ort kann mit ihnen da Steuergerät geprüft oder kalibriert werden. Durch die integrierte Mewerterfaung laen ich chneller Fehler finden. Mit Rapid Control Prototyping können noch vor Ort Modelle validiert oder Streckenparameter betimmt werden. Durch die Verwendung eine durchgängigen Tool it die Übergabe der Daten ein Leichte. Entwicklunguntertützung HIL Produktiontet IP Buy out Während der Entwicklung fehlt e oftmal an einem paenden Tetignal, einem Senor oder ogar an einer kompletten Sytemkomponente. CENTURIO M kann hier Abhilfe chaffen. Die zahlreichen IO-Module untertützen viele Schnitttellen. Damit wird der Eratz von Senoren, Aktoren oder die Retbuimulation möglich. Die erlaubt neben der Verwendung von HIL oder RCP ein zügige Voranchreiten im Entwicklungproze. Die integrierte Mewerterfaung und die Fähigkeiten zum Automatiierten Teten erlauben e den Entwicklungfortchritt zu dokumentieren. Erweitern Sie Ihren Produktiontet um HIL-Tet. Damit gehen Sie icher, da die Kombination au Software, Hardware, Kalibrierdaten, Parametern, FPGA-Dateien etc. timmt. Denn grundlegende Produktiontet haben meit nur eine geringe Abdeckung. Wenn Sie kundenpezifiche Produkte haben, können Sie mit pezifichen Tet ichertellen, da genau da vom Kunden erwartete Produkt augeliefert wird. Denn zwichen dem Tet in der Entwicklung bi zur Fertigung in der Produktion kann viele chiefgehen. Realitätnahe Tet decken Mivertändnie rechtzeitig auf. Wenn Sie mit CENTURIO M erfolgreich ein RCP-Sytem aufgebaut haben, können Sie auch Teile der CENTURIO M-Hardware al Buy Out erwerben. Sie erhalten dann die Software, Schaltpläne, VHDL- Sourcen und eine auführliche Moduldokumentation. Au dieen Teilen zuammen mit Ihren Hardwareblöcken wird dann die Serienhardware erzeugt. Da Sie da Sytem bereit mit RCP validiert haben, können Sie icher ein, da e den Anforderungen genügt. Durch die Verwendung von Standardmodulen erhalten Sie eine kundenpezifiche Elektronik mit geringem Entwicklungaufwand. ymbioe Die auf dieer und den vorangegangenen Seiten beprochenen Methoden verbeern den Einatz von Steuergeräten. Darüber hinau ergeben ich zahlloe Symbioeeffekte, wenn ein Tool wie CENTURIO M durchgängig im Produktlebenzyklu eingeetzt wird. So laen ich Daten ehr viel beer weiterreichen. Im Rapid Prototyping erzeugte Modelle laen ich bei Hardware in the Loop wiederverwenden. HIL-Software kann auf dem Tettand oder während der Inbetriebnahme weiterverwendet werden. Durch die breite Verwendung von CENTURIO M gibt e mehr Wien über da Produkt, die Abhängigkeit von einzelnen Experten inkt. Komponenten werden bei Bedarf augeliehen. Durch den Wegfall von pezialiierten Tool inkt auch der Trainingaufwand. Seite 4

15 DIE Technologie im Detail Da Prozeor-Board () beteht au einem Zukaufteil. Control Reearch etzt auf Standardformfaktoren wie ETX oder ETXExpre. Dadurch gibt e keine Abhängigkeit von einzelnen Lieferanten, e ind immer die neueten Prozeoren erhältlich und durch die hohen Stückzahlen 3 ind die Preie niedriger. Da Baeboard () it eine Eigenentwicklung 4 und tandardiiert in allen CPU-Modul-Varianten. E enthält die notwendigen Netzteile, bringt die Schnitttellen nach auen und bildet die Brücke von PCI nach hrinked - PCI. Letzterer it der Bu (4) zwichen den IO-Modulen (3) und dem CPU- Modul. Dieer Bu it nicht andere al ein tark vereinfachter Standard- PCI-Bu. Er ermöglicht einen Datentranfer zwichen den IO-Modulen und dem CPU-Modul mit einem minimalen Overhead und erhält o die CPU-Leitung für die Applikation. Die IO-Module (3) beitzen eine eigene Intelligenz. Diee reicht von impler Logik bi hin zu FPGA-baierten Prozeoren und hart-kodierter FPGA-Arithmetik. Komplexe IO-Module beitzen einen FPGA-baierten Softprozeor. Dieer kann dezentral Aufgaben bearbeiten und o die Haupt-CPU entlaten. Hartkodierte Arithmetik im FPGA erlaubt Updateraten im MHz-Bereich. So berechnen z.b. Reolverimulatoren abhängig von der gewünchten Poition und dem Eingangignal die korrekten Augangignale. Feldbue greifen ebenfall auf diee Technik zurück, um die Haupt-CPU von Protokollen zu entlaten. Elektroniche Latimulation Steuergerät Regler Spannungmeung POWER- STAGE Elektroniche Latimulation Strommeung POWER- STAGE FPGA Phyikaliche Streckenmodell Regler Viele Steuergeräte erzeugen hohe Ströme. In herkömmlichen HIL-Sytemen wurden diee ignoriert oder über Linearregler in Wärme umgewandelt. Die Fähigkeit zur Simulation komplexer Laten war ehr eingechränkt. Control Reearch entwickelt eine eigene elektroniche Lat, bei der eine Simulation der Strecke im FPGA gerechnet wird. Die entlatet die Haupt-CPU und ermöglicht extrem kurze Simulationzykluzeiten. Mithilfe einer peziellen Endtufe können Regel-, Simulation- und PWM-Zyklen größer 70 khz erreicht werden. Damit ergibt ich ein quaianaloge Simulationmodell. Die Energie wird ein- oder zurückgepeit mit nur geringen Verluten. Durch die Berechnung im FPGA können unterchiedliche Strecken (z.b. Bürtenloe Permanentmagnetmotoren, Gleichtrommotoren, Linearmotoren etc.) imuliert werden. Zuätzlich zum Aktor lät ich auch die retliche Strecke imulieren, alo z.b. ein kompletter elektricher Antrieb mit Spindel und Lat. E können unterchiedliche Motoren imuliert werden (Induktivität, Widertand, Trägheit) oder Fehlerfälle (Kurzchlu, Wellenbruch etc.). control reearch ervice Sind die gezeigten Methoden neu für Sie? Brauchen Sie Starthilfe? Control Reearch bietet einen Kunden Untertützung in vielen Bereichen. Ob Rapid Control Prototyping, Hardware in the Loop oder andere Methoden wir helfen ihnen dabei, die erten Schritte chnell zu gehen. Typiche Leitungen umfaen: Training (für CENTURIO M oder allgemeine Themen in der Regelungtechnik) Aufbau automaticher Tetyteme, Implementierung der Tetfälle Aufbau mobiler Tetyteme Aufbau von HIL/RCP-Sytemen (auch zu Evaluierungzwecken) Revere Engineering Conultance Allgemeine Entwicklungen im Bereich Steuergeräte, Software und Hardware Sparen Sie Zeit und entlaten Sie Ihre Entwicklung- und Applikationingenieure. Wir tehen jederzeit gern für ein Gepräch zur Verfügung. CONTROL RESEARCH Seite 5

16 CPU CM-00-C00 Intel Atom.6GHz 0.5GB..GB Ram GB..3GB Flah CM-00-C00 Intel Core Duo.6GHz 0.5GB..GB Ram GB..3GB Flah Gigabit Ethernet Bucoupler no intelligence Dektop/Server Sytem Flexibilität bringt auch immer Vielfalt mit ich. Rufen Sie un an, und wir helfen Ihnen gerne bei der Auwahl der richtigen Komponenten. CM Pule, PWM, Frequency Generator 8xOut CM Timer, Counter, Pule/Period, PWM 8 x In CM V Digital 8 x Out, 4A CM V Digital 8 x In Digital IO Analog Out Analog In Poition Po. Senor Endtufen Senoren Leitung CM V..0V 6Bit, 4 x Out CM V..0V 6Bit, 8 x In CM Incremental Encoder, A/B/Z 5V Supply CM CM Incremental Powertage Encoder, 3 phae, 4A A/B/Z CM mA 6Bit, 4 x Out CM mA 6Bit, 8 x In CM SSI Interface Channel CM-060- SSI Interface Channel CM Device Power Supply CM Fat Signalgenerator -0V..0V 4 Channel 5MSp MB Ram CM V..40V 6Bit, 8 x In CM Endat Interface CM-060- Endat Interface CM Electronic Load CM V..0V 6Bit, 8 x In CM Hiperface Interface CM-060- Hiperface Interface CM High Preciion 4bit, variable input range CM LVDT/Reolver CM LVDT/Reolver CM High Speed x5msp Bit Verchiedene CM Thermocouple 4 Channel CM Relai CM Straingauge Feldbu CM RS3, 8 Channel iolated CM RS485, 8 Channel iolated CM CAN, 8 Channel iolated CM Gigabit Ethernet iolated CONTROL RESEARCH GmbH Remtraße Kornwetheim Telefon: / Kontakt: info@control-reearch.com Homepage CENTURIOM_Intro 0_.pdf