Auswahl der passenden Hardware zur Reduzierung der Systemkosten in robusten Anwendungen

Überblick

Verlässliche Messungen unter extremen Bedingungen durchzuführen, kann schwierig und teuer sein. Wenn Steuerungs- und Überwachungssysteme für den Einsatz in extremen Temperaturbereichen oder unter gefährlichen Bedingungen gebaut werden, sind etliche Aspekte zu beachten. Bei der Entwicklung einer robusten Anwendung müssen Temperatur, Stoß- und Schwingungsbelastungen, Umweltzertifizierungen und der Formfaktor der Hardware berücksichtigt werden.

Inhaltsverzeichnis

  1. Temperatur
  2. Stoß- und Schwingungsfestigkeit
  3. Umweltzertifizierungen
  4. Formfaktor
  5. Hardwareoptionen für robuste Systeme
  6. Robuste Hardware
  7. Weitere Informationen

Temperatur

Bei robusten Anwendungen müssen häufig Tests bei extremen Temperaturen durchgeführt werden, die zu Einschränkungen bei der Hardware führen können. Bei der Kaltstartprüfung eines Motors wird beispielsweise eine Prüfzelle eingesetzt, die eine Temperatur von bis zu -40 °C erreichen kann. Hier ist eine kontinuierliche Datenerfassung notwendig, z. B. der Temperatur, des Drucks und diverser weiterer Messungen. Der Einsatz von unzureichend robuster Hardware in rauen Umgebungen kann dazu führen, dass Komponenten in der Hardware fehlerhaft arbeiten und falsche Daten ermittelt werden oder Schäden an der Hardware entstehen.

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Abb. 1: Eine Prüfzelle wird eingesetzt, um unterschiedliche Tests an Motoren durchzuführen, unter anderem bei extremen Temperaturen.

Hardware kann diesen extremen Temperaturbereichen auf zweierlei Weise standhalten. Einerseits kann die Hardware durch ein Gehäuse geschützt werden. Abhängig davon, an welchem Ende des Temperaturbereichs die Hardware eingesetzt wird, ist es notwendig, Heiz- oder Kühlelemente im Gehäuse zu implementieren, um die Komponenten auf Betriebstemperatur zu halten. Außerdem sollte eine Abschirmung von der Umgebung eingesetzt und die Farbe des Gehäuses so gewählt werden, dass sie Wärme reflektiert. All diese Faktoren bei der Entwicklung eines Gehäuses zu berücksichtigen, kann ein teurer und zeitaufwendiger Prozess sein.

Alternativ kann Hardware gewählt werden, die bereits dafür entwickelt wurde, extremen Temperaturbedingungen standzuhalten. Für seine robuste Hardware hat NI deshalb ein Chassis entwickelt, das den Betrieb der enthaltenen Komponenten innerhalb des Temperaturbereichs gewährleistet. Gehäuse werden umfangreichen thermischen Prüfungen und umfassender Validierung unterzogen, um sicherzustellen, dass die ausgewählten Komponenten innerhalb ihrer Spezifikationen arbeiten. Aufgrund dieser Tests entspricht die Hardware auch den internationalen Standards für den Betrieb innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs.

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Stoß- und Schwingungsfestigkeit

Einen weiteren typischen Aspekt bei der Entwicklung einer robusten Anwendung stellen die Spezifikationen hinsichtlich Stoß- und Schwingungsfestigkeit dar. Anwendungen, die von der Überwachung des Hauptgetriebes im Schaltungssystem eines Schaufelradbaggers bis hin zur Durchführung analoger und digitaler Messungen in einem Formula-SAE-Rennwagen reichen, erfordern die Berücksichtigung der Erschütterungen, denen die Prüfhardware ausgesetzt wird. Befindet sich die Hardware in einer anspruchsvollen Umgebung, in der hohe Stoß- und Schwingungswerte auftreten, denen die Hardware nicht gewachsen ist, könnte es zur Beschädigung der Hardwarekomponenten kommen, wodurch hohe Kosten für Reparatur und Ersatz entstehen.

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Abb. 2:
Diese Anwendung überwacht die Erschütterungen, die auf das Hauptgetriebe des Schaufelrads eines KWK-1500-Baggers wirken.

Wird eine Testkonfiguration für eine raue Umgebung entworfen, gibt es erneut einige Optionen, deren Vergleich sich lohnt. So könnte etwa ein Gehäuse zum Schutz gegen Schwingungen entworfen werden, damit die Hardwarekomponenten innerhalb ihrer Spezifikationen für Stoß- und Schwingungsfestigkeit arbeiten können. Ein Ansatz wäre hier, die Hardware innerhalb des Gehäuses gegen die auftretenden Erschütterungen zu isolieren. Das kann sich jedoch als schwierig erweisen und viel Prüfzeit in Anspruch nehmen, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Hardware innerhalb der Stoß- und Schwingungswerte in der Umgebung zu gewährleisten.

Alternativ kann Hardware gewählt werden, die bereits dafür entwickelt wurde, diesen Spezifikationen zu entsprechen. Um solche Hardware zu entwickeln, gibt es mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise kann eine interne Schwingungsisolierung für enthaltene Komponenten entwickelt werden, sodass diese innerhalb ihrer Spezifikationen arbeiten. NI entwickelt Hardware, die Stöße bis zu 50 g und Schwingungen bis zu 5 g verträgt. Nach der Entwicklung der Hardware ist deren Montage auf einer festen Oberfläche empfehlenswert, um alle internationalen Standards zu erfüllen und das Produkt für den Gebrauch innerhalb dieser technischen Spezifikationen für Stoß- und Schwingungsfestigkeit zu zertifizieren. Mit den Produkten der C-Serie führt NI alle notwendigen Tests durch, um sicherzustellen, dass die Komponenten ordnungsgemäß arbeiten, wenn sie diesen extremen Werten ausgesetzt sind.


Abb. 3:
Dieser Schwingungstest nutzt die CompactDAQ-Plattform.

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Umweltzertifizierungen

Obwohl Temperaturbereich und Spezifikationen für Stoß- und Schwingungsfestigkeit eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung robuster Anwendungen spielen, muss auch die Umgebung, in der diese Tests durchgeführt werden, genauer betrachtet werden. Das ist besonders wichtig, wenn es sich dabei um einen Gefahrenbereich handelt, in dem unter anormalen Betriebsbedingungen explosive Gase oder Dämpfe auftreten können. Dies ist zum Beispiel in Chemiefabriken oder Raffinerien der Fall. Wird ein Testaufbau für eine Anwendung in einem Gefahrenbereich entwickelt, stellt die korrekte Zertifizierung der Konfiguration einen wichtigen Teil des Prozesses dar.

Bei den Zertifizierungen für den Betrieb in Gefahrenbereichen handelt es sich, je nach Einsatzort, um Zertifizierungen von UL (UL Hazardous Locations) oder der Europäischen Union (European Union Hazardous Locations). Beide Institutionen zertifizieren Produkte für den Einsatz in Bereichen mit Explosionsgefahr. Die UL-Zertifizierung umfasst die Einteilung in bestimmte Klassen (Class) und Unterklassen (Division). Die Klassen bezeichnen die Art des Gefahrenbereichs und die Unterklasse die dort herrschenden Bedingungen. Mit Class 1 bis Class 3 werden Standorte mit Gasen oder Dämpfen über Staub bis hin zu Staub, Fasern und Schwebstoffen in einer möglicherweise explosionsgefährdeten Atmosphäre bezeichnet. Dazu gibt es zwei Unterklassen: Division 1 bezieht sich auf normale Betriebsbedingungen und Division 2 auf Material unter anormalen Bedingungen.

Normalerweise muss die gesamte Testkonfiguration allen Zertifizierungsprüfungen unterzogen werden, um zu gewährleisten, dass sie für den Einsatz in Gefahrenbereichen geeignet ist. Die Prüfung der gesamten Hardware kann ein kosten- und zeitintensiver Prozess sein, ist jedoch für den Betrieb in diesen Arten von Umgebungen erforderlich.

Abb. 4: Für diesen Test einer Pipeline ist eine Zertifizierung für den Einsatz in Gefahrenbereichen unabdingbar.

Eine weitere gängige Zertifizierung für robuste Anwendungen ist die Zulassung durch das Lloyd's Register. Bei dieser Zertifizierung handelt es sich um eine Bewertung duch eine Drittpartei, welche die Konformität eines Produkts mit nationalen und internationalen Standards bestätigt sowie die Qualitätssicherung eines Herstellers für die Fertigung verifiziert. Die Typzulassung kommt für Produkte infrage, die bei Anwendungen im Marine- und Offshore-Bereich, in Industrieanlagen und -prozessen sowie im Bereich der Informationstechnologie eingesetzt werden. Zusätzlich zur Gewährleistung, dass das Produkt die passenden Sicherheitsstandards für Meeresumgebungen erfüllt, stellt die Typzulassung sicher, dass die Produktleistung unter den Bedingungen der Meeresumgebung beibehalten wird.

Um diese Zertifizierung zu erhalten, wird die Hardware den gesamten, von der Drittpartei gestalteten Bewertungsprozess durchlaufen. Zunächst überprüft die Drittpartei das gesamte Hardwaredesign, um festzustellen, ob dieses mit den speziellen Spezifikationen und Codes übereinstimmt. Im Anschluss ist die Drittpartei verpflichtet, die Tests und Überprüfungen zu überwachen und die Ergebnisse einzuschicken, um sie weiteren Überprüfungen zu unterziehen. Sobald alle Ergebnisse bestätigt sind, wird die Hardware für die Zulassung durch das Lloyd's Register validiert und autorisiert. Der Zertifizierungsprozess für Hardware ist umfangreich und kostspielig, jedoch unumgänglich für die Auszeichnung mit diesem Gütesiegel.

NI bietet eine große Bandbreite an Hardware mit unterschiedlichen Umweltzertifizierungen für die Industrie an, die den geltenden internationalen Standards entsprechen. Die Hardware wurde bereits den strengen Tests unterzogen, die zur Zertifizierung einer Anwendung notwendig sind. Zertifizierungen erlauben den möglichen Einsatz der Hardware in Gefahrenbereichen bis hin zu Meeresumgebungen.

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Formfaktor

Bei der Auswahl von Hardware für eine robuste Anwendung spielt der Formfaktor eine große Rolle. Die Abmessungen von Prüfsystemen sind maßgeblich für die Entscheidung, welche Hardware in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden soll, beispielsweise an Deck einer Offshore-Ölplattform oder mitten in der Wüste. Wenn das Material, aus dem die Hardware besteht, den rauen Umgebungen nicht standhält und ein Schutzgehäuse benötigt, könnte dies die Systemabmessungen drastisch erhöhen. Ist das Gehäuse zu groß, führt dies unter Umständen zu Einschränkungen in Bezug auf den Einsatzort. Für verteilte und dezentrale Anwendungen sollte die Größe der Hardware minimal gehalten werden.

Abb. 5: Motorprüfzellen sind ein weiteres Beispiel für Anwendungen, in denen robuste Hardware mit kleinem Formfaktor gebraucht wird.

Des Weiteren muss auch die Kühlung der Hardware bedacht werden. Hier gibt es mehrere Möglichkeiten, v. a. die aktive und die passive Kühlung. Hardware, die sich passiv kühlt, ist in vielen Fällen robuster, da dafür keine beweglichen Teile nötig sind. Sind bewegliche Bauteile zur Kühlung der Hardware bei der Durchführung von Tests unumgänglich, könnte dies zu Einschränkungen in Bezug auf den Einsatzort führen. Bei einem aktiv gekühlten Gerät müssen mechanische Komponenten mit eigenem Energieverbrauch berücksichtigt werden, aber auch andere Faktoren, wie der Temperaturbereich, in dem das Gerät arbeitet, oder die Spezifikationen für Stoß- und Schwingungsfestigkeit.

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Hardwareoptionen für robuste Systeme

Die Kenntnis der Einsatzumgebung einer Anwendung sowie zusätzlicher externer Faktoren, welche die Konfiguration beeinflussen, entscheidet darüber, ob ein Gehäuse für das System entwickelt werden soll oder ob robuste Hardware die bessere Option ist. Bei den Produktlinien von NI, wie CompactDAQ und CompactRIO, wurden all die harte Arbeit und alle Tests zur Gewährleistung der Widerstandsfähigkeit der Hardware in extremen und anspruchsvollen Umgebungen bereits durchgeführt.

Für welche Option Sie sich entscheiden, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. So sollten Sie sich beispielsweise die Frage stellen, ob mehrere Messungen überwacht oder ob eine Steuer-, Regel- und Überwachungsanwendung durchgeführt werden soll. Für die einfache Übertragung von Signalverlaufsdaten zur Überwachung oder zum Speichern für die spätere Bearbeitung ist CompactDAQ die erste Wahl. Soll sämtliche Verarbeitung jedoch auf dem integrierten FPGA stattfinden oder die Hardware als Controller in einem Steuer- und Regelsystem eingesetzt werden, empfiehlt sich CompactRIO.

Bei CompactDAQ handelt es sich um eine modulare Plattform mit integrierter Signalkonditionierung und einer großen Bandbreite an I/O-Optionen. Für robuste Anwendungen können optimierte Systeme erstellt werden, ohne dass Kosten für unbenötigte Funktionalität anfallen, jedoch mit der Flexibilität, die Anwendung an sich ändernde Anforderungen anzupassen. CompactDAQ und alle Module der C-Serie sind aus einem A380-Aluminiumguss für robuste Systeme gebaut, die Betriebstemperaturen von -20 °C bis 55 °C standhalten können und eine Stoßfestigkeit von bis zu 30 g aufweisen. Robustere Versionen der CompactDAQ-Chassis und -Controller stehen mit cDAQ-9188XT, cDAQ-9134 und cDAQ-9135 zur Verfügung. Sie halten Betriebstemperaturen von -40 °C bis 70 °C stand und weisen Stoßfestigkeiten bis zu 50 g auf. Mit einem robusten, flexiblen System wie CompactDAQ können Sie ein einzelnes Prüfsystem rekonfigurieren und von Ort zu Ort transportieren, ohne für jedes Labor oder jeden Prüfstand eine neue Ausstattung anschaffen zu müssen. Die Module der C-Serie, die innerhalb von CompactDAQ-Chassis und -Controllern eingesetzt werden, sind gleichermaßen robust und mit gefederten Verschlüssen ausgestattet, sodass sie bei der Installation im Chassis einrasten. Die Spezifikationen für Stoß- und Schwingungsfestigkeit wurden alle auf einem CompactDAQ-System mit installierten Modulen geprüft, sodass sich Module auch unter den spezifizierten Bedingungen nicht lösen. Die robusten Versionen der CompactDAQ-Systeme wurden ebenfalls strengen Tests unterzogen und haben die Zertifizierungen für den Einsatz in Gefahrenbereichen von UL und der Europäischen Union bereits erhalten. Dank der Eigenschaften von CompactDAQ können Anwender schnell mit den Tests beginnen, da weniger Zeit zur Vorbereitung der Messtechnik hinsichtlich der Anforderungen von Feldtests benötigt wird.

Abb. 6: Das cDAQ-9188XT ist für einen Temperaturbereich von -40 °C bis 70 °C, Stöße bis 50 g und Schwingungen bis 5 g ausgelegt, sodass praktisch jede Art von Messung an jedem beliebigen Ort vorgenommen werden kann.

CompactRIO vereint eine offene Embedded-Architektur mit kompakten, besonders robusten und im Betrieb austauschbaren industriellen I/O-Modulen und basiert auf der rekonfigurierbaren I/O-Technologie (RIO) und LabVIEW. Abmessungen, Gewicht und Kanaldichte sind bei vielen Embedded-Anwendungen dieser Art kritische Faktoren. Dank der extrem hohen Leistungsfähigkeit sowie der geringen Größe der FPGAs bietet CompactRIO unübertroffen leistungsstarke Mess-, Steuer- und Regelfunktionen in einem kompakten, robusten Formfaktor und erfüllt zudem Industrienormen für den Betrieb in rauen Industrieumgebungen. CompactRIO-Module decken Temperaturbereiche von -40 °C bis 70 °C ab und bieten eine Stoßfestigkeit bis 50 g. Zudem erfüllen sie eine Vielzahl internationaler Sicherheits-, EMV- und Umweltstandards.

Abb. 7: Ultrarobuste CompactRIO-Systeme bieten eine hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität.

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Robuste Hardware

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein System so zu entwickeln und einzurichten, dass es den externen Faktoren standhält, denen es in rauen und anspruchsvollen Umgebungen unterliegt. Zu den wichtigsten Aspekten, die dabei berücksichtigt werden müssen, zählen der Temperaturbereich in der Umgebung, Spezifikationen für Stoß- und Schwingungsfestigkeit, denen die Hardware standhalten muss, eventuell erforderliche Umweltzertifizierungen sowie Formfaktor und benötigte Funktionen des Gesamtsystems. Bei der Entwicklung eines solchen Systems können Sie Zeit und Nerven sparen, indem sie bereits auf Robustheit ausgelegte Hardware wie CompactDAQ- und CompactRIO-Systeme einsetzen, statt selbst Tests durchzuführen, um die Einhaltung von Umweltnormen oder den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems innerhalb des Hardwaregehäuses sicherzustellen.

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