HiL-Testumgebung für den Test und die Validierung von Fahrzeugsteuerungskomponenten

"Die HiL-Testumgebung hat dazu beigetragen, alle Projektmeilensteine termingerecht zu erreichen."

- M. Sc. George Kähler, Siemens AG, Mobility Division, Mainline Transport, Train Control Validation

Die Aufgabe:

Für den Test und für die Validierung von Fahrzeugsteuerungskomponenten wurde eine Hardware-in-the-Loop-Testumgebung (HiL)-Testumgebung) konzipiert und aufgebaut.

Die Lösung:

Die Basis bilden zwölf echtzeitfähige, zeitsynchronisierte NI-PXI-Systeme, auf denen VeriStand mit benutzerspezifischen Erweiterungen läuft. Auf diesem Testsystem kann die gesamte Leittechnik vollständig getestet werden. Zur Unterstützung des Tests wurde unter anderem eine Visualisierung der konventionellen Schaltungstechnik des Gesamtfahrzeugs (Stromlaufplanvisualisierung) entwickelt und eine Testdatenbank angelegt, aus der automatisierte Tests durchgeführt werden können.

Autor(en):

M. Sc. George Kähler - Siemens AG, Mobility Division, Mainline Transport, Train Control Validation
Dipl.-Ing. (FH) Stefan Maiwald - Siemens AG, Mobility Division, Mainline Transport, Train Control Validation

 

HiL-Testumgebung für den Test und für die Validierung von Fahrzeugsteuerungskomponenten

Durch die steigende Komplexität der Fahrzeugsteuerungskomponenten, besonders in Hinblick auf die über mehrere Steuergeräte verteilten Funktionen, besteht die Notwendigkeit, diese Gesamtfunktionen unter realistischen Bedingungen testen und integrieren zu können. Die Absicherung der Funktionen der einzelnen Steuerungen bzw. Steuergeräte und der Gesamtfunktion der Leittechnik, bestehend aus dem kompletten Steuergeräteverbund, stellt hohe Anforderungen an ein HiL-Testsystem. Gleichzeitig kann eine innovative Lösung ein enormes Potenzial für Zeit- und Kosteneinsparungen liefern.

 

Problemstellung

 

2011 wurde Siemens Mobility mit der Entwicklung und dem Bau von 170 neuen Hochgeschwindigkeitszügen beauftragt. Diese Triebzüge mit der Entwicklungsbezeichnung IC x unterscheiden sich von den bisherigen ICE-Baureihen. Anders als ICE 1, ICE 2 (lokbespannt), ICE 3 und ICE T(D) (Triebzug mit verteiltem Antrieb) wird ein anderes Triebzugkonzept verfolgt. Dieses Konzept wird Powercar-Konzept genannt, bei dem zwei unterschiedliche Wagentypen (angetriebene Powercars und nicht angetriebene Laufwagen) die Grundlage bilden.

 

Durch dieses Konzept wird eine maximale Flexibilität in Bezug auf Zuglänge und Passagierzahl gewährleistet. Um dies zu erreichen, wurde eine neue Fahrzeugarchitektur (Wagenrechnerarchitektur) entwickelt. Dabei ist jeder einzelne Wagen des Zugs leittechnisch gekapselt. Weiterhin kommen pro Wagen noch weitere Steuergeräte (Türsteuerungen, Klimaanlagensteuerung etc.) hinzu. Wie jede neue Architektur muss auch diese Architektur abgesichert und getestet werden.

 

 

Testumgebung

Der TrainSIM-ICx-12-Teiler ist eine aus 16 Schaltschränken bestehende HiL-Testumgebung. Zwölf Schaltschränke bilden die zwölf Wagen des Zugs ab (Wagen-Rack). Vier weitere Schaltschränke dienen übergeordneten Funktionen des Testsystems, wie zum Beispiel der Anbindung des realen Führerpults und der Zugsicherungssysteme. In jedem Wagen-Rack wurde eine vollständige Fahrzeugsteuerung verbaut, bestehend aus den Sibas-PN-Komponenten, Controllern, Diagnose-System und Zugbus-Backbone sowie zwei Bremssteuergeräten. In den sechs Wagen-Racks, welche die sechs Powercars nachbilden, sind zusätzlich die Antriebssteuergeräte installiert. Jedes Wagen-Rack stellt im Grunde eine eigenständige HiL-Umgebung dar. Die Simulationshardware der Testumgebung basiert auf einem NI-PXI-System und mehreren daran angeschlossenen EtherCAT-Chassis vom Typ NI 9144. Die zwölf NI-PXI-Systeme werden mithilfe der NI-6683H-Timing- und Synchronisationskarte miteinander synchronisiert. Über die Analog- und Digitalein- bzw. -ausgabemodule in Form von CompactRIO-Modulen werden die entsprechenden Ein- und Ausgänge der Steuergeräte angesteuert. Für einzelne Kanäle werden programmierbare Widerstandsmodule des Typs PXIe-2727 verwendet. Auf den zwölf NI-PXI-Systemen wird VeriStand auf NI Real-Time Phar Lap ausgeführt. Die Berechnung des Stromlaufplans und der simulierten Teilnehmer wird in ElMo (Electro-mechanical logic Modelling) durchgeführt. In ElMo-Modellen, sogenannten Electrical Models (EM), werden einzelne Geräte, Baugruppen und Bauteile simuliert. Mithilfe einer Siemens-Simulation-Unit und einem dazugehörigen Custom Device für VeriStand werden die Profinet-Signale der simulierten Teilnehmer im Profinet-Verbund emuliert. Weitere simulierte Geräte werden mittels kompilierter LabVIEW-Modelle in VeriStand eingebunden. So ist es ebenso möglich, extern entwickelte Modelle in die Testumgebung einzufügen. Die Signale der LabVIEW-Modelle werden in der Simulation mit den Schnittstellen der ElMo-Modelle verknüpft. Des Weiteren wurde ein ICU CAN Custom Device entwickelt, damit simulierte Anteile an reale Steuergeräte mittels einer NI-8512/2-CAN-Schnittstellenkarte angebunden werden konnten. Damit sind alle vorhandenen Schnittstellen (Steuerungsbus, Schaltungstechnik, CAN, Ethernet etc.) versorgt.

 

Die Simulationserstellung läuft in großen Teilen automatisiert ab. Die Stromlaufpläne werden aus einem E-CAD-System exportiert, automatisch eingelesen und verarbeitet. Die ElMo Electrical Models und die VeriStand-Simulations-Modelle werden aus externen Quellen eingelesen und ebenfalls automatisch verarbeitet. Aus weiteren Quellen werden die aktuellen Schnittstellen importiert. Fertiggestellte, versionierte und freigegebene Simulationen können mittels eigens dafür entwickelter Tools auf die Testumgebungen ausgerollt werden.

 

Testdurchführung

Mit der Simulationsumgebung ist es möglich, alle Fahrzeugsteuerungskomponenten eines modernen Schienenfahrzeugs im Labor zu testen. Für den manuellen Test wurden VeriStand-Bedienbilder (GUI) erstellt. Zudem wurde ein Führerpult mit realen Bedienelementen aufgebaut. Man kann zwischen dem Führerpult und dem GUI im laufenden Betrieb umschalten. Zur Unterstützung der Entwicklung und des Tests wurde eine Möglichkeit geschaffen, die konventionelle Schaltungstechnik in Echtzeit zu visualisieren. Mithilfe der Stromlaufplanvisualisierung kann zu jeder Zeit Einfluss auf die Simulation genommen werden. Es ist unter anderem möglich, Leitungen und Pins in der Simulation abzuklemmen, Leitungspotenziale zu verändern sowie Bedienelemente und Bauelemente, wie Relais und Schütze, in bestimmten Stellungen festzusetzen.

 

Neben den manuellen Testmöglichkeiten wurde auch eine Testautomatisierung aufgesetzt. Die erforderlichen Testfälle werden in einem Testmanagementwerkzeug geschrieben. Die Testsequenzen können bequem aus eigens dafür entwickelten Bausteinen zusammengestellt werden. Ausgeleitete Testsequenzen werden mit TestStand auf der HiL-Testumgebung abgearbeitet. Die Ergebnisse werden anschließend in das Testwerkzeug zurückgespielt.

 

Ausblick

Die im Rahmen des HiL-Simulationsprojekts erstellten Werkzeuge werden für die Erstellung von Simulationsumgebungen weiterer Projekte eingesetzt. Da alle ElMo Electrical Models in einer EM-Bibliothek zentral gepflegt werden, ist eine projektübergreifende Verwendung gegeben. Dadurch sinken Simulationserstellungsaufwand und damit auch direkte Kosten von Projekt zu Projekt. Durch die Wiederverwendung bereits getesteter Modelle steigt auch die Qualität des simulierten Anteils.

 

Die Erkenntnisse aus dem Projekt fließen in die weiterentwickelte neue Testarchitektur ein. Anstelle eines großen, komplexen HiL-Testaufbaus mit allen Steuergeräten wird eine Maximal-Simulation angestrebt. Hierbei werden die Schaltschränke nicht mehr wagenweise aufgebaut, sondern in die neuen HiL-Testumgebungen funktional gegliedert. Die Steuergeräte der Fahrzeugsteuerung finden sich je nach Projektumfang in einem oder zwei Racks wieder (Basisrack Fahrzeugsteuerung), Antriebs- und Bremssteuergeräte in einem weiteren Rack (Zusatzrack ASG-BSG). Funktional gleiche Anteile, wie weitere Bremssteuerungen, werden durch simulierte Teilnehmer ersetzt. Der Vergleich und das Zusammenspiel zwischen dem realen und dem simulierten Steuergerät innerhalb eines Versuchsaufbaus zeigt deutlich, ob sich sowohl das reale als auch das simulierte Steuergerät korrekt verhalten. Ein Vorteil der neuen TrainSIM-Architektur ist, dass reale Teilnehmer jederzeit gegen simulierte Teilnehmer ausgetauscht werden können und umgekehrt.

 

Zusammenfassung

Die vorgestellten Testumgebungen und die dazugehörigen Testtools sind mächtige Werkzeuge für die Integration, den Test und die Validierung von Fahrzeugsteuerungskomponenten. Inzwischen werden die Werkzeuge auch zur Unterstützung der Entwicklung eingesetzt, sodass bereits während der Entwicklungsphase Software- und Stromlaufplanbestandteile getestet werden können. Die HiL-Testumgebung hat dazu beigetragen, alle Projektmeilensteine termingerecht zu erreichen. Ein Beispiel ist die Zulassung des ICE 4. Die Qualität der Fahrzeugsteuerung konnte in diesem Zeitraum gesteigert werden. Dazu haben zwei Faktoren maßgeblich beigetragen: die bessere Simulationsqualität, die durch einen hohen automatisch generierten Anteil nahe an der Realität ist, und die hohe Testtiefe, die durch den automatischen Test in kürzerer Zeit möglich ist. Ein weiterer Vorteil der neuen HiL-Testumgebungen ist, dass durch die neuen technischen Möglichkeiten im Labor die Tests an den Fahrzeugen entlastet werden.

 

Informationen zum Autor:

M. Sc. George Kähler
Siemens AG, Mobility Division, Mainline Transport, Train Control Validation
Werner-von-Siemens-Str. 69
Erlangen 91052
Germany
Tel: +49 (0)9131 7-36909
george.kaehler@siemens.com

Bild 1: Powercar-Antriebskonzept des ICE 4
Bild 2: Simulation eines Geräts mittels ElMo Custom Device in VeriStand
Bild 3a: Stromlaufplanvisualisierung
Bild 3b: VeriStand-Bedienoberfläche (GUI)