Einführung eines neuen Auswerte-Tools bei DEUTZ F&E auf Basis von NI DIAdem, eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit

- Dr. Michael Röbel, DEUTZ AG

"Das auf NI DIAdem basierende Programm bietet eine einfache Bedienung und eine Flexibilität, die es den Ingenieuren ermöglicht, komplexe und individuelle Messaufgaben auszuwerten."

- Dr. Michael Röbel, DEUTZ AG

The Challenge:

Bei der DEUTZ AG werden in der F&E Dieselmotoren entwickelt. Dies findet in vielfältiger Weise satt. Versuche werden an über 60 Motorenprüfständen und in Außenversuchen durchgeführt. Hierbei fallen große Mengen an unterschiedlichen Messdaten an, die von unterschiedlichen Arbeitsgruppen genutzt werden.

The Solution:

Vor über zwei Jahren hat man bei der DEUTZ AG begonnen, die daraus resultierenden Anforderungen mithilfe von NI DIAdem umzusetzen. Ziel war es, ein nicht ausreichendes altes Auswerte-Programm zu ersetzten, um mit neuen Auswertungen, den aktuellen Anforderungen und auch zukünftigen Aufgaben gerecht werden zu können.

Author(s):

Dr. Michael Röbel - DEUTZ AG

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2013 des Technologie- und Anwenderkongress „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

Eingesetzte Produkte: NI DIAdem

Die Abbildungen der Kundenlösung finden Sie in der Galerie und im Fließtext. In der Galerie können Sie die Bilder in größerer Auflösung ansehen.

 

 

Kurzfassung

Bei der DEUTZ AG werden in der F&E Dieselmotoren entwickelt. Dies findet in vielfältiger Weise satt. Versuche werden an über 60 Motorenprüfständen und in Außenversuchen durchgeführt. Hierbei fallen große Mengen an unterschiedlichen Messdaten an, die von unterschiedlichen Arbeitsgruppen genutzt werden. Vor über zwei Jahren hat man bei der DEUTZ AG begonnen, die daraus resultierenden Anforderungen mithilfe von NI DIAdem umzusetzen. Ziel war es, ein nicht ausreichendes altes Auswerte-Programm zu ersetzten, um mit neuen Auswertungen, den aktuellen Anforderungen und auch zukünftigen Aufgaben gerecht werden zu können. Weiterhin sollte eine Möglichkeit gefunden werden, die Daten besser organisieren zu können und mit einem Werkzeug unterschiedliche Datenformate einzubinden.

 

Das endgültige Roll-out begann in alle Arbeitsgruppen der F&E Mitte 2012. Zu diesem Zeitpunkt waren die wesentlichen Ziele erreicht, und man hatte darüber hinaus auch neue Auswertungen geschaffen, die absehbare Forderungen von Kunden und der Gesetzgebung schon jetzt erfüllen.

 

Eine umfangreiche Studie zum Einsatz des neuen Auswerte-Tools, DEUTZ Evaluation Tool (kurz DET), durch NI belegt, dass die Annahmen zur Wirtschaftlichkeit, welche am Beginn der Projektplanung gemacht wurden, sehr konservativ waren.

 

Ausgangssituation

Die DEUTZ AG ist ein unabhängiger Produzent von Dieselmotoren in der Leistungsklasse von 25 kW bis 520 kW mit Hauptsitz in Köln. DEUTZ blickt heute auf eine fast 150-jährige Unternehmensgeschichte zurück und steht seit je als Synonym für führende Technologie und Produkte hoher Qualität. Die DEUTZ AG beschäftigt circa 4 000 Mitarbeiter und ist in mehr als 130 Ländern vertreten.

 

Die hohe Variantenvielfalt und die Anpassung der Motoren an die Kundenwünsche bedingt sehr unterschiedliche Entwicklungsaufgaben.

 

Die Forschung und Entwicklung findet in Köln Porz, am Hauptsitz, statt. Hier stehen den Versuchingenieuren 63 Motorenprüfstände zur Verfügung. Diese werden für unterschiedliche Tests eingesetzt. Im Rahmen einer Motor-Entwicklung arbeiten mehrere Ingenieure mit unterschiedlichen Schwerpunkten an dem Motor. Die Anforderungen an die Tests und vor allem an die Auswertung der Messdaten sind dabei sehr unterschiedlich. Ein Ingenieur, der einen Verbrennungsprozess optimiert, betrachtet andere Messergebnisse und Sensordaten als die Mechanikentwicklung oder das Team, das für die Abstimmung der Abgasnachbehandlung verantwortlich ist. Das Ziel aller an der Entwicklung Beteiligten ist jedoch ein gemeinsames: ein qualitativ hochwertiger Motor, der die von der Gesetzgebung geforderten Emissionsgrenzen einhält und sparsam ist.

 

Um den Entwicklungsingenieuren ein Handwerkszeug an die Hand zu geben, ist Anfang 2011 begonnen worden, ein neues Auswerteprogramm, das DEUTZ Evaluation-Tool, kurz DET, auf Basis von NI DIAdem zu erstellen.

 

Die Anforderungen an dieses Werkzeug sind vielfältig. DET muss in der Lage sein, umfangreiche Messdaten, auch in unterschiedlichen Formaten, einlesen zu können. Weiterhin muss das neue  Auswerte-Tool den Ingenieuren standardisierte Auswertungen ebenso zur Verfügung stellen, wie die Möglichkeit auf Grundlage der vorhandenen Auswertungen eigene Reports zu erstellen, die neue Messstellen mit abbilden. Da an die Forschung und Entwicklung zukünftig Aufgaben gestellt werden, die heute noch nicht absehbar sind, muss das Programm auch Zukunftssicherheit bieten, sowohl im Hinblick auf den Support durch den Hersteller und den Entwicklungspartner als auch im Hinblick auf die Möglichkeit, jetzt noch nicht bekannte Messdaten-Auswertungen umsetzten zu können.

 

Projektrealisierung

Die Umsetzung erfolgte mit der Unterstützung der Firma measX und einem kleinen Projektteam, in erster Linie bestehend aus vier Mitgliedern, mit unterschiedlicher Themenschwerpunkten, wie es Höfler et al. fordern. Als Ausgangspunkt wurde eine vorhandene Auswertungssoftware gewählt, mit deren Hilfe Auswertungen von statischen Tests erzeugt worden waren. In diesem Rahmen wurden ca. 300 Formeln überarbeitet und in NI DIAdem erstellt. Diese bilden die Grundlage für eine Vielzahl an Standard-Analysen.

 

Messdatengewinnung, Datenablage und DataFinder-Server

Motoren-Prüfstände und Applikations-Daten

Der Großteil der Messdaten werden an den Motorenprüfständen gewonnen. Die Motorenprüfstände werden mit einer Automatisierung gesteuert. Diese Automatisierung erfasst auch die Hauptdaten des Tests. Die Messdaten werden nach Ablauf des Tests von dem lokalen Prüfstand auf einen Fileserver kopiert. Abgelegt werden die Daten in einer festgelegten Ordnerstruktur. Die Messungen können bei statischen Tests aus wenigen Messdatensätzen mit bis zu 250 Messkanälen bestehen. Zunehmend werden jedoch dynamische Tests gefahren. Diese wurden bisher mit 2 Hz aufgenommen, nun jedoch mit 5 Hz erfasst. Die Tests laufen über mehrere Minuten bis hin zu Stunden. Neben den eigentlichen Messdaten werden in einer separaten Datei, den Prüfvorgaben.txt, Informationen zu der Messung, wie Nummer des Motors, Ingenieur, Motor- und Kraftstoffdaten, gespeichert.

 

Neben den spezifischen Formaten von der Automatisierung kommen weitere Messdaten hinzu. Die Informationen der Motorelektronik wird über INCA aufgenommen, und diese Daten im DAT-Format werden in dasselbe Verzeichnis mit hinzugelegt.

 

Auf dem Fileserver arbeitet ein DataFinder-Server. Aus Perfomance-Gründen wird mit jedem Kopiervorgang vom Prüfstand auf den Server eine Information für den DataFinder-Server abgelegt, dass neue Daten zur Indizierung vorhanden sind. Dies ermöglicht eine zeitnahe Indizierung innerhalb weniger Sekunden. Danach kann der Ingenieur auf die Messdaten zugreifen. Dies kann über ein Navigieren in der File-Struktur geschehen oder über die Suche nach allen in der Prüfvorgaben.txt vorhandenen beschreibenden Informationen.

 

Der Fileserver hat ein Datenvolumen von 1,4 TByte und eine Anzahl von über 580 000 einzelnen Dateien zu verwalten.

 

Neben den oben genannten Daten kommen weitere Datenformate zum Einsatz. Hierzu gehören Messdaten von Datenschreibern von Yokogawa und Astromed. Dank der DataPlugins von der NI-Hompage können diese Daten problemlos eingebunden werden. Weiterhin können Excel-Daten, CSV-Daten und auch Formate von DEUTZ eigenen Servicetools eingelesen werden; hierzu wurden zum Teil eigene DataPlugins erstellt.

 

Herausforderung Zusammenführen der Daten

Eine der Herausforderung bei der Auswertung von Messdaten ist das Synchronisieren von Daten aus unterschiedlichen Quellen. Die Messungen aus der Automatisierung müssen mit den unabhängig davon ausgezeichneten Motorelektronik-Daten zusammengeführt werden. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Daten nicht zeitgleich aufgezeichnet werden und weiterhin die Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen aufgenommen werden.

 

NI stellte hierzu einen Dialog zur Verfügung, der durch measX auf die Bedürfnisse der DEUTZ AG angepasst wurde. Als Ergebnis dieses Dialogs werden die beiden unabhängig gewonnenen Daten zusammengeführt.

 

 

Arten der Auswertung

Derzeit stehen Auswertungen in den Kategorien Abgasmessungen, Kennfeldauswertung, Volllastkurven, Einspritzsysteme, Prüfstandstest zur Verfügung. Die Zahl der Auswertungen liegt [Stand Juni 2013] bei 86. Diese Auswertungen sind z. T. motorspezifisch, dies bedeutet, dass für bestimmte Baureihen der Motoren eigene Auswertungen existieren, die die Besonderheiten dieser Motorenbaureihe berücksichtigen. Weiterhin stehen vergleichende Auswertungen bereit, die das Einlesen von mehreren Messungen und deren Vergleich ermöglichen (Bild 1).

 

Hinzu kommen eigene Auswertungen der Ingenieure. Jeder Ingenieur hat die Möglichkeit, freie Reports zu erstellen, auf vorhandene Berechnungen zurückzugreifen und eigene Berechnungen anzustellen. Haben diese Auswertungen einen gewissen Reifegrad erreicht und können von mehreren Personen genutzt werden, so werden diese vom Projektteam zentral für alle Nutzer zur Verfügung gestellt.

 

Busines Impact Case Study bei DEUTZ

Ende 2012 führte National Instruments eine Business Impact Case Study in der Forschung und Entwicklung bei der DEUTZ AG durch. Ziel der Studie war es, die Wirksamkeit des Einsatzes von DET in der Entwicklung zu bewerten. Die Gründe aufseiten der DEUTZ AG für die Durchführung einer solchen Untersuchung waren vielfältig. Hierzu gehörten z. B. der Wunsch, die eigenen Annahmen und Erwartungen zu Beginn des Projekts von einer unabhängigen Seite aus einschätzen zu lassen. Dies vor allem vor dem Hintergrund der Wirtschaftlichkeit des Auswerte-Tools. Weiterhin wurde im Laufe der Projektumsetzung klar, dass sich der Projektfortschritt teilweise schleppender zeigte, als anfänglich angenommen. Die Gründe hierfür konnten zwar im Projektteam teilweise grob benannt werden, eine genauere Ursache war jedoch aus dem Tagesgeschäft heraus schwer zu finden und eine Ableitung geeigneter Maßnahmen folglich schwierig. Ein ebenfalls wichtiger Grund für die Unterstützung der Studie war es, die Bedeutung von DET im Unternehmen sichtbarer zu machen.

 

Ergebnisse und Lessons learned

Anfang 2013 wurden durch National Instruments die Ergebnisse der Studie bei uns vorgestellt. Die Erwartungen, die an diese Studie geknüpft waren, wurden übererfüllt. In Bezug auf die Wirtschaftlichkeit zeigte die Studie eine doppelt so hohe Kostenreduzierung als bei der Projektbeantragung ermittelt wurde. Die Payback-Periode war zwar größer als ursprünglich kalkuliert, mit unter 24 Monaten immer noch sehr zufriedenstellend. Ähnliches galt für den ROI (Return of Invest). Der Nutzen der Einführung von DET wurde an einem Beispiel sehr deutlich. Hierbei handelte es sich um ein Entwicklungsteam in der Einspritzung. Die Auswertungen von Testdaten konnte hier bisher nur stichprobenartig in akzeptabler Zeit vorgenommen werden. Durch eine geeignete Auswertung von Sprungantworten waren Auswertungen innerhalb von wenigen Minuten möglich, die vorher einen gesamten Arbeitstag in Anspruch genommen hatten.

 

Qualitativ wurde das Pflegen der Auswertungen verbessert. Da die Standards durch das Projektteam überprüft werden und nur Reports, die den Anforderungen genügen, in den zentralen Pool übernommen werden, verfügt jeder Anwender über die gleichen Mittel zur Auswertung. Die Formeln müssen nur an einer zentralen Stelle gepflegt werden. Die Auswertungen richten sich nach den Vorgaben der Corporate Identiy und alle Auswertungen erscheinen so im einheitlichen Design, was Anwendern, Vorgesetzten und Kunden eine hohe Vergleichbarkeit ermöglicht.

 

Die Ergebnisse der Studie kreisen die Gründe für die teilweise schleppenden Umsetzungsphasen ein, die die längere Payback-Periode zur Folge hatten. Aus den genannten Ursachen konnten auch geeignete Maßnahmen abgeleitet werden, die heute ihren Einsatz finden.

 

 

Einbinden der Prüfstände

Die Motorentests werden von Ingenieuren betreut. Der zuständige Ingenieur legt die Tests fest, die der Motor durchlaufen muss, und abhängig von den Ergebnissen werden Veränderungen an den Motoren vorgenommen. Der Motor wird von einem Prüfstandsfahrer auf- und abgebaut. Dieser Monteur ist auch zuständig, die vom Ingenieur festgelegten Veränderungen an dem Motor vorzunehmen. Dies beinhaltet in erster Linie die mechanischen Anpassungen, z. T. wird von dem Monteur auch ein Eingriff in die Motorelektronik vorgenommen (Bild 2).

 

Bisher war es nur bedingt möglich, Auswertungen der gerade gewonnenen Messdaten an den Prüfständen vorzunehmen. In aller Regel wurden diese mit unterschiedlichen Methoden und Programmen durch den Ingenieur an dessen Arbeitsplatz durchgeführt.

 

Durch die Einführung von DET und dem Einsatz des Systems auf Terminal-Servern können nun die Auswertungen auch am Prüfstand durchgeführt werden. Es ist nun möglich, dass der Ingenieur die für den Entwicklungszyklus wichtigen Messdaten in einem speziellen Report anzeigt und aus der Messung abgeleitete Daten berechnen lässt. Ist diese Auswertung übersichtlich aufgebaut, hat nun auch der Monteur die Möglichkeit, damit Ergebnisse von Motorentests auszuwerten. Idealerweise hat der Ingenieur schon vor dem Fahren des Motortests Maßnahmen bei bestimmten Ergebnissen festgelegt. Somit kann der Monteur in Abwesenheit des Ingenieurs diese Maßnahmen umsetzen und zeitnah weitere Tests anstoßen. Dieser Vorgang verringert Wartezeiten und wertet die Arbeit des Prüfstandsfahrers auf. Der Ingenieur gewinnt wertvolle Zeit für das Lösen von komplexeren Aufgaben, die dessen Fachwissen verlangen. Er kann sich um die Umsetzung seiner Ziele kümmern.

 

Schulungen, Intensivierung der Betreuung und Intranet

Die Schulungsmaßnahmen wurden verändert. Die anfänglichen Schulungen waren zeitlich schlecht mit der Installation von DET am Arbeitsplatz der Mitarbeiter synchronisiert. Schulungen finden nun zeitnaher statt und ermöglichen den Nutzern somit direkt das Erlernte umzusetzen. Weiterhin sind die Schulungen deutlich verkürzt worden. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, z. B. ganze Teams schneller an das Thema heranzuführen. Die Schulungen für die Ingenieure vermitteln die Abläufe, die für das Erstellen der Standard-Reports notwendig sind und versetzen die Nutzer in die Lage, einfache Anpassungen an den Standard selber durchzuführen. Es werden weitergehende Schulungen angeboten, die komplexere Themen, wie Scripting und Verbinden mehrerer Datensätze behandeln.

 

Für die Prüfstandsfaher werden Schulungen von kaum mehr als einer Stunde vorgenommen. Diese reichen aus, um den Monteuren die wenigen notwendigen Schritte vom Laden der Daten, über die Auswahl des richtigen Reports bis hin zur fertigen Auswertung ausführlich zu erläutern.

 

In den Ingenieursschulungen werden Anregungen gegeben, vorhandene Auswertungen auf Basis von anderen Programmen, wie Excel, mithilfe von DET umzusetzen und damit der Allgemeinheit zur Verfügung zu stellen. Dies wird zunehmend von den Nutzern angenommen. Eine Umsetzung findet dann mit der Unterstützung des Projektteams statt. Dies beginnt bei der exemplarischen Umsetzung der Hauptanforderungen an die Auswertung. Die Ergänzung um weitere Messkanäle und Berechnungen obliegt dann dem Fachingenieur. Aufkommende Fragen werden nach Möglichkeit direkt am Rechner des Anwenders oder eines Projektmitglieds geklärt. Bei komplexen Problemen wird die Firma measX mit einbezogen.

 

Soll die Auswertung in den allgemeinen Pool übernommen werden, erfolgt ein gemeinsamer Feinschliff und eine Dokumentation der Auswertung.

 

In diesem Zusammenhang wurde auch ein Bewertungsfragebogen für neue Auswertungen entwickelt. Dieser dient dazu, Verbesserungen zu quantifizieren und somit auch zukünftig die Steigerung der Effizienz durch den Einsatz von DET zu dokumentieren.

 

Als weiterer Punkt wurde der bestehende Intranet-Auftritt, der den Nutzern Informationen zu DET liefert, verbessert. Neben allgemeinen Informationen zum DET fasst der Intranet-Auftritt die Ansprechpartner, die Standard-Tests, zusätzliche Treiber, Dokumentationen, Hilfsvideos und FAQs zusammen.

 

Zusammenfassung und Ausblick

Das DET hat sich mittlerweile als fester Bestandteil der Arbeitsmittel in der Forschung und Entwicklung bei der DEUTZ AG etabliert. Die Akzeptanz bei den Nutzern ist gut und wächst dank der stetig ansteigenden Anzahl an zur Verfügung stehenden Tests. Das auf NI DIAdem basierende Programm bietet eine einfache Bedienung und eine Flexibilität, die es den Ingenieuren ermöglicht, komplexe und individuelle Messaufgaben auszuwerten.

 

Als weitere Themen, die mittelfristig bearbeitet werden sollen, sind der Datefinder-Server und die Einbindung des weiteren DEUTZ-Standorts in Ulm zu nennen. Der DataFinder-Server verrichtet zwar zuverlässig seinen Dienst, es ist jedoch bisher noch nicht gelungen, die Vorzüge den Nutzern vor Augen zu führen. Insbesondere das Verkürzen der Suche nach Messdaten ist in diesem Zusammenhang zu nennen.

 

Die Verteilung der kapp 200 Nutzer [Stand Juni 2013] auf die bei der DEUTZ AG eingesetzten Lizenzmodelle, nutzerbezogen und in Form der Concurrent Version, ist noch nicht abgeschlossen. Hier soll ebenfalls eine verlässliche Balance gefunden werden, die auf der einen Seite jedem Anwender die Möglichkeit einräumt, das Programm zu nutzen, auf der anderen Seite aber die Wirtschaftlichkeit der Projektinvestitionen maximiert.

 

Author Information:

Dr. Michael Röbel
DEUTZ AG
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Tel: +49 (0)221 822-4368
Fax: +49 (0)221 822-154368
roebel.m@deutz.com

Bild 1: Visualisierung einer Temperatur-Verteilung an einem Zylinderkopf
Bild 2: Abläufe am Prüfstand durch Einsatz von DET