Messkammer zur Erfassung von Temperatur, Druck und Drehmoment bei Bus-Klimaanlagen

Dipl.-Inf. (FH) Christoph Jacky, ProNES Automation GmbH

"LabVIEW in Kombination mit den eingesetzten NI-Hardwarekomponenten erwies sich als die perfekte Lösung, (...). So erzielt der Bediener stets aussagekräftige Messergebnisse und verliert nie den Überblick über die Gesamtanlage."

- Dipl.-Inf. (FH) Christoph Jacky, ProNES Automation GmbH

Die Aufgabe:

Test der einwandfreien Funktionsweise von Bus-Klimaanlagen im industriellen Umfeld

Die Lösung:

Entwicklung einer leistungstarken, modularen und skalierbaren Anlagensteuerung für die Erfassung der Messdaten sowie den automatisierten Versuchsablauf samt Messauswertung

Autor(en):

Dipl.-Inf. (FH) Christoph Jacky - ProNES Automation GmbH

 

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2016 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

 

Eingesetzte Produkte: LabVIEW, CompactRIO


Kurzfassung

Eberspächer Sütrak ist einer der weltweit führenden Hersteller von Bus-Klimaanlagen und versteht sich als Systempartner der Bushersteller für das komplette Thermomanagement in allen Arten von Bussen.

Um höchstmöglichen Fahrgastkomfort sowie eine einwandfreie Funktionsweise der Klimaanlagen sicherzustellen, testet Eberspächer Sütrak die Anlagen im eigenen Versuchsgebäude, das direkt auf dem Firmengelände in Renningen steht. Die komplexe Messeinrichtung unterteilt sich in drei Bereiche: In zwei separaten Messkammern werden die Klimaanlagen unter modernsten Bedingungen kontinuierlich verschiedenen Tests, wie beispielsweise zu Heiz- und Kühlleistung, unterzogen. Der dritte Bereich, die Buskammer, bietet mit einer Länge von über 20 m ausreichend Platz, um die Funktionsweise der Anlagen direkt am Fahrzeug zu testen.

In regelmäßigen Abständen finden Tests an Bussen diverser Hersteller statt, die mit einer Sütrak-Klimaanlage ausgestattet sind. Die Erfassung der Messdaten sowie der automatisierte Versuchsablauf samt Messauswertung erfordern dabei ein perfektes Zusammenspiel zwischen den Messkammern, der Messwarte/dem Leitstand, der umfassenden Sensorik und den weiteren Schnittstellengeräten.

Die softwareseitigen Vorgaben für die Erfassung sowie die Analyse und die Darstellung der Messdaten wurden über die innovative und zuverlässige Programmierinfrastruktur von LabVIEW umgesetzt. Eine weitere wichtige Rolle spielte die Sicherheitstechnik, insbesondere im Hinblick auf die Abschaltung im automatisierten Messbetrieb bei Überschreitung festgelegter Schwellenwerte.

In diesem Artikel wird die Lösung für eine Messkammer und deren Umgebung beschrieben, die in Zusammenarbeit mit der ProNES Automation GmbH in Landau in der Pfalz entwickelt wurde.

 

Systemarchitektur der Messeinrichtung

Die Messeinrichtung besteht aus mindestens drei intelligenten Steuereinheiten, die über Ethernet verbunden sind. Die Einheiten sind Leitrechner, CompactRIO-Zentralschrank und jeweils ein CompactRIO-Messschrank pro Messkammer (Bild 1).

  • Der Leitrechner ermöglicht die Handhabung des Gesamtsystems durch den Bediener.
  • Der Messschrank erledigt die eigentliche Messdatenerfassung und kommuniziert direkt mit den Sensoren und Aktoren in der Testbox (Ausnahme: Verdichter). Er steuert die automatischen Testabläufe und führt die Messwertüberwachung durch.
  • Der Zentralschrank überwacht das Gesamtsystem und gibt die Steuerspannung frei. Er kommuniziert mit den intelligenten Geräten der Technikebene.
  • Die Soll- und Ist-Werte des Verdichters werden vom Zentralschrank über den Imtech-Schrank weitergeleitet (Bild 2).

 

NI-Komponenten

Für die Messkammern kam jeweils ein CompactRIO-System mit zwei Erweiterungschassis zum Einsatz, das mit folgenden NI-Komponenten konfiguriert wurde:

• Thermoelemente Typ K: 10 x NI 9213 (= 160 Kanäle)
• Analogeingänge (± 10 V): 3 x NI 9205 (= 96 Kanäle)
• Analogausgänge (± 10 V): 2 x NI 9264 (= 32 Kanäle)
• PWM-Ausgänge (± 10 V): 1 x NI 9474 (= 8 Kanäle)
• Profibus Master/Slave Interface
• Digitaleingangsmodul, 24 VDC: NI 9425 (= 32 Kanäle)
• Digitalausgangsmodul, 24 VDC: NI 9476 (= 32 Kanäle)

Diese Konfiguration wird den komplexen Verbindungsanforderungen (seriell, analog/digital, uni-/bidirektional, Profibus) des Sensoriksystems für die unterschiedlichsten Systemkomponenten zum Testen der AC-Anlagen gerecht:

• Massenstromzähler
• Plattenwärmetauscher
• Prüfling
• Verdampfer
• Verdichter
• Verflüssiger
• Waage

 

Sicherheit – Steuerspannung und Not-Aus-Kreise

Einen Schwerpunkt der neu konzipierten Anlage stellte auch ein umfassendes Sicherheitskonzept zum Schutz der gesamten Messeinrichtung vor Beschädigung dar. Das hohe Sicherheitsniveau sollte dabei jedoch nicht auf Kosten der einfachen Bedienbarkeit der Anlage gehen.

 

In der Not-Aus-Kette befinden sich u. a. alle Not-Aus-Schlagtaster. Die Schlagtaster sind sowohl in der Messwarte als auch an allen Schaltschränken des Messsystems angebracht. Wird ein Not-Aus erkannt, wird die Steuerspannung ausgeschaltet und kann nur über den Steuerspannung-Ein-Taster am Zentralschrank wieder eingeschaltet werden.

Zur weiteren Absicherung der Anlage wurde eine Lebensbit-Überwachung in die Not-Aus-Kette des Messsystems integriert. Das Mess-CompactRIO und die Hauptanwendung senden Lebensbits (ein digitaler Wert wird regelmäßig abwechselnd von Ein auf Aus geschaltet und umgekehrt) an den Zentralschrank. Dieser wertet diese Bits aus und sendet seinerseits ein Lebensbit an ein Zeitrelais in der Not-Aus-Kette. Wenn nicht alle Komponenten des Messsystems erreichbar sind und/oder nicht alle korrekt (zyklisch) arbeiten, wird ein Not-Aus ausgelöst.

Dies bedeutet wiederum, dass auch ein Not-Aus ausgelöst wird, wenn die Hauptanwendung, das Netzwerk oder der Messschrank ausgeschaltet bzw. eine der Verbindungen getrennt wird.

Damit diese Sicherheitsfunktionen für Notfallsituationen nicht dazu führen, dass das reguläre Ein- und Ausschalten beim täglichen Arbeitsbeginn/-ende oder am Wochenende komplexe Schrittfolgen erfordert, wurde ein Schlüsselschalter („Feierabendschalter“) in der Messwarte angeordnet, über den sich die Steuerspannung von der Messwarte ein- und ausschalten lässt. Die Lebensbit-Überwachung der Hauptanwendung ist nur dann aktiv, wenn dieser Schalter auf „Ein“ steht. Somit lässt sich vermeiden, dass beim Einschalten der Anlage ein Not-Aus ausgelöst wird und die Anlage sich praktisch selbst blockiert.

 

Anlagensteuerung und Datenvisualisierung

Eine Anlage dieser Größenordnung ist nicht ohne eine komplexe Softwarearchitektur zur Anlagensteuerung und zur Datenvisualisierung denkbar, mit der jede einzelne Komponente gezielt angesteuert und aussagekräftige Messdaten erfasst und analysiert werden können. Je komplexer die Steuerungs- und Visualisierungsfunktionen sind, desto unverzichtbarer wird aber auch eine einfache – wenn nicht sogar intuitiv ausführbare – Navigation. Die Software wurde von der ProNES Automation mit LabVIEW 2013 für Windows entwickelt.

Die grafische Oberfläche auf dem Leitrechner erstreckt sich über zwei Bildschirme (je 1920 px · 1080 px).

Der linke Bildschirm enthält eine Systemübersicht über alle Komponenten der Anlage. Es kann zwischen beliebig vielen, auch nachträglich mit LabVIEW erstellten Übersichten gewechselt werden.

 

Die Systemübersicht (Bild 3) zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Anlage. Die unterschiedlichen berechneten Merkmale des aktuellen Messplans sind an bestimmten Stellen des Schemas angeordnet.

Am rechten Rand befinden sich die wichtigsten Statusfelder, die ständig sichtbar sind, sowie die Stop-Schaltfläche.

Auf dem rechten Bildschirm am Leitrechner wird bei einem Neustart das Fenster „Übersicht mit einer Leiste zur Fensterumschaltung“ angezeigt (Bild 4).

 

Die Übersicht zeigt die Daten zum aktuellen Messplan. So behält der Bediener den Überblick über die Statusmeldungen zur jeweiligen Messung. Die Schaltflächen der Fensterumschaltung dienen zum Wechseln zwischen den Fenstern im Ablaufplan. Über diese Fenster lassen sich gezielt vielfältige Komponenten ansteuern, die zugehörigen Funktionen sowie die zu erfassenden Messwerte konfigurieren und detaillierte Daten zum jeweiligen Bereich anzeigen und auswerten.

 

Die Merkmalsliste lässt sich fast beliebig filtern (nach Namen, Einheit, Formel, Beschreibung etc.), sodass bei der großen Anzahl an Merkmalen der Überblick behalten werden kann.

Die Berechnung der Merkmale kann durch einen Formeleditor definiert werden. Als Datenbasis können Temperaturmessungen, Druckmessungen, Datenpunkte der intelligenten Schnittstellengeräte und die eingestellten Sollwerte dienen.

Diese Daten können mit den üblichen mathematischen Funktionen (+, –, ·, /, sin, cos etc.) in Kombination sowie Enthalpien, Sättigungsdrücke und Temperaturen mithilfe des Programms Refprop berechnet werden.

In dieser kurzen Abhandlung können die einzelnen Komponenten nicht detailliert erläutert werden. Deshalb seien hier nur die verschiedenen Bereiche genannt, die über die Fensterumschaltung aufgerufen werden können und die Komplexität der Softwarearchitektur erahnen lassen:

 

• Übersicht
• Diagramme
• Enthalpien
• Schnittstellengeräte
• Messplan
• Messdaten
• Ablaufplan
• IO
• Service
• AC-Einheiten
• Module
• Überwachung

 

Zusammenfassung

Mittels der genutzten Systemarchitektur und Technologie konnte eine überaus leistungsstarke, modulare, skalierbare, flexible und stabile Anlagensteuerung entwickelt werden, deren Komplexität sich hinter einer einfach zu bedienenden grafischen Oberfläche verbirgt. Über die integrierten Visualisierungsfunktionen kann sich der Bediener schnell einen Überblick über den Systemstatus, die ausgeführten Messungen, die erfassten Messdaten sowie die jeweilige Konfiguration verschaffen. Gleichzeitig wurden alle sicherheitsrelevanten Funktionen moderner Messeinrichtungen integriert. Somit wird das Gesamtsystem allen Anforderungen an Testumgebungen im industriellen Umfeld gerecht und überzeugt durch höchste Qualität in Sachen Bedienerfreundlichkeit, Datenerfassung, Datenanalyse und Sicherheit.

LabVIEW in Kombination mit den eingesetzten NI-Hardwarekomponenten erwies sich als die perfekte Lösung, um allen Anforderungen an Verbindungen zwischen unterschiedlichsten Sensoren und Aktoren sowie allen Abhängigkeiten im Gesamtsystem gerecht zu werden. So erzielt der Bediener stets aussagekräftige Messergebnisse und verliert nie den Überblick über die Gesamtanlage.

 

Informationen zum Autor:

Dipl.-Inf. (FH) Christoph Jacky
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Bild 1: AC-Anlage in Messkammer
Bild 2: Systemarchitektur
Bild 3: Systemübersicht, linker Bildschirm Leitrechner
Bild 4: Übersicht mit Fensterumschaltung, rechter Bildschirm Leitrechner