​Frühzeitig automatisieren in Entwurf und Validierung: Von der ersten Leiterbahn zu einer verwendbaren Testanwendung

Wenn die Automatisierung erst zu Produktionsbeginn priorisiert wird, zahlen die nachgelagerten Testingenieurteams den Preis. Manuelle Ad-hoc-Workflows führen zu inkonsistenten Ergebnissen, verbergen Laufzeitprobleme und zwingen Ingenieure zur Fehlersuche in der Automatisierung unter Zeitdruck. Schlimmer ist, dass sich Workarounds häufen, wenn Instrumente und Geräte nur manuell gesteuert werden – und diese Tastenkombinationen die automatische Nutzung selten überleben.

Die Lösung ist einfach im Konzept und leistungsfähig in der Praxis: Machen Sie Automatisierung zu einem erstklassigen Verhalten während der Entwicklung und Validierung. Verwenden Sie interaktive, testoptimierte Software mit Instrumenten, die auf Automatisierung ausgelegt sind, so dass die Arbeit im ersten Arbeitsschritt wiederholbar und entwicklungsfähig wird.

Während sich viele Teams darauf verlassen werden, dass Konstrukteure ihre eigenen Strategien und Software für die Durchführung von Messungen erstellen und warten, um dann zu dem zurückzukehren, was später erstellt wurde, um die Tests zu automatisieren, hat das Erstellen des ursprünglichen Systems mit Blick auf Qualitätsautomatisierungswerkzeuge und -taktiken folgende Vorteile: 

• Wiederholbarkeit—Standardschritte reduzieren die tägliche Variabilität 
• Rückverfolgbarkeit – Metadaten und gespeicherte Konfigurationen machen die Ergebnisse über Bänke hinweg vergleichbar 
• Schnellere Iteration – Wiederverwendbare App-Muster, einfache UI-Erstellung und gespeicherte Profile beschleunigen Änderungen 
• Weniger Konfigurationsfehler—Vorlagen und Zurücksetzen verhindern Unstimmigkeiten 
• Bessere Abdeckung – Frühe Automatisierung deckt Randfälle auf, die beim Handfahren oft übersehen werden 
• Weniger Nacharbeit—Die Messsoftware entwickelt sich zu einer strukturierten Anwendung oder einem Sequenzer, anstatt sie wegzuwerfen. 

Um es klarzustellen: Dies ist keine Empfehlung, manuelle Tests zu vermeiden, sondern vielmehr der Versuch, einen angemessenen Automatisierungsgrad als Hardwareprodukt zu integrieren, um die sehr vorhersehbaren negativen nachgelagerten Auswirkungen zu verhindern, wenn Automatisierung wie ein Hindernis für schnelles Entwickeln und Validieren behandelt wird. 

Der Testautomatisierungsprozess kann in die folgenden High-Level-Phasen der Automatisierung unterteilt werden. Manchmal kann es sinnvoll sein, nur die erste durchzuführen, während für komplexere Anwendungen der Einstieg in den höchsten Automatisierungsgrad erhebliche Vorteile bietet. Der Automatisierungsprozess besteht aus folgenden Schritten: 

• Automatisierungsbeschleuniger für interaktive Konfiguration und Protokollierung während der Inbetriebnahme  
• Rapid Prototyping und Messentwicklung zur Untersuchung und Charakterisierung von Verhaltensweisen 
• Strukturierte Anwendungen, die eine breite Automatisierungscharakterisierung und Protokollierung ermöglichen 

Lassen Sie uns erklären, wie Sie mit diesem Workflow mit NI-Software erfolgreich sind. 

Bring-Up und Protokollierung mit InstrumentStudio und FlexLogger 

Die anfängliche Inbetriebnahme eines Geräts kann eine chaotische Zeit sein. Ingenieure sind häufig damit beschäftigt, die vielen erwarteten und unerwarteten Funktionsweisen ihres Geräts zu verstehen. InstrumentStudio ermöglicht die interaktive Konfiguration und Synchronisation mehrerer Instrumente (Oszilloskope, SMUs, Digitalmuster). FlexLogger unterstützt Benutzer beim Einrichten von Kanälen für Messwandler und DAQ-basierte Kanäle (Vibration, Temperatur, Dehnung), um Mischsignale dynamisch mit umfangreichen Metadaten und einer No-/Low-Code-Oberfläche zu protokollieren. Beide Tools helfen Teams, schnell von interaktiven Messungen zu wiederholbarer Automatisierung überzugehen, ohne von einer leeren Code-Leinwand ausgehen zu müssen, unabhängig von der beabsichtigten Sprache.  

Diese Tools ermöglichen die Automatisierung, indem sie die Arbeit interaktiv übernehmen und die Nachbildung dieser komplexen Konfigurationen in Software ermöglichen, in der Regel in drei API-Aufrufen oder weniger. Darüber hinaus verfolgen sie einen „Projekt“-Ansatz für Tasks, bei dem der Benutzer nicht nur einzelne Instrumenteneinstellungen auf dem Datenträger speichert, sondern ein Dashboard auf Systemebene für alle Instrumente und I/O bereitstellt, was spätere interaktive Sessions beschleunigt.  

Stellen Sie sich für einen Moment vor, ein Ingenieur hätte den größten Teil eines Nachmittags damit verbracht, das Oszilloskop, DMM, Spektrumanalysator und SMU zu konfigurieren, um Einschalttransienten in einem Gerät aufzufangen. Wie würden sie später zu diesem Punkt zurückkehren? Wie würden sie diese Konfiguration mit einem Kollegen teilen? Wie würden sie einen Junioringenieur dazu bringen, den Prozess zu reproduzieren und Vertrauen in die Ergebnisse zu haben?  

Stellen Sie sich nun vor, am nächsten Tag geht derselbe Benutzer in das Labor, öffnet eine einzelne Datei und alle seine heterogenen Testgeräte sind konfiguriert und einsatzbereit. InstrumentStudio und FlexLogger bieten dieses nahtlose Erlebnis. 

Abbildung 1: InstrumentStudio zeigt interaktiven Zugriff auf Gerätekonfiguration und -analyse in einem projektorientierten Arbeitsbereich

Unsere empfohlene Checkliste für das Einbringen von Tischgeräten (hardware-/plattformunabhängig und reproduzierbarkeitsorientiert) umfasst die folgenden Schritte:  

1. Setzen Sie alle Messgeräte auf bekannte Standardwerte zurück—Durch ständige Einstellungen aus vorherigen Durchläufen können wiederholte Messungen erschwert werden. Deterministische Konfigurationen sind in der Anfangsphase von entscheidender Bedeutung, wenn sich Benutzer nicht darauf verlassen können, dass das Gerät konsistent ist. 
2. Überprüfen von Kanalzuordnungen und Pinbelegungen für digitale I/O- und Analogsignale—Viele Geräte ermöglichen Namenszuordnungen von der I/O des Geräts zum Port eines Geräts, wodurch die schnelle Entwicklung deutlicher und nachvollziehbarer wird.  
3. Standardgerätekonfigurationen aus gespeicherten Profilen laden—Gibt es bestimmte Konfigurationen, die bereits definiert wurden oder von anderen stammen? Je nach verwendetem Gerätetyp oder Testkonfiguration können Anwender bereits besser auf die nächsten Schritte vorbereitet sein. Dadurch werden die Schmerzen beim „Zurücksetzen auf Standardwerte“ deutlich reduziert. 
4. Überprüfen der Synchronisation und des Timings zwischen Geräten—Wenn Benutzer leistungsstarke Funktionen wie Instrument-to-Instrument-Trigger nutzen können, ist es immer gut, eine stabile Timing-Leistung zu überprüfen. Dies ist umso wichtiger, wenn Benutzer Trigger senden und Ereignisse vom Prüfling empfangen können. Variable Firmware kann ein optimiertes System ruinieren, wenn nicht. 
5. Führen Sie einen Minitest zur Wiederholbarkeit durch, führen Sie dieselben Schritte zweimal aus und vergleichen Sie Traces—Vergewissern Sie sich vor der Ausführung großer Tests, dass die Ergebnisse den Erwartungen entsprechen, dass sie wiederholbar sind und ordnungsgemäß protokolliert werden. Viel zu oft wird die Automatisierung aufgrund von historischen Fehlern vermieden, da zahlreiche fehlerhafte Daten aufgezeichnet und Tage verschwendet werden. Benutzer sollten eine bestimmte Suite von Tests bereithalten, die vor der Automatisierung validiert werden können. 
6. Ergebnisse mit Hilfe der Metadatenvorlage in TDMS oder CSV protokollieren—Bei der Protokollierung von Daten kommt es auf Konsistenz an. Wenn Ergebnisse nicht systemübergreifend oder sogar in einzelnen Durchläufen miteinander verglichen oder korreliert werden können, verlieren die Daten an praktischem Wert. Eine effektive Datenharmonisierung hängt von bewussten Entscheidungen ab, die vom ersten Trace an getroffen werden. 
7. Setup-Momentaufnahme speichern: Projekt InstrumentStudio und FlexLogger Konfiguration—Sobald Ergebnisse erstellt wurden, kann eine Momentaufnahme der Konfiguration, die diese Ergebnisse lieferte, die Wahrscheinlichkeit erhöhen, Ergebnisse zu reproduzieren und zu vertrauen. Durch das Vervollständigen der Verbindung zwischen manuellen Messungen und Systemdaten können zukünftige Projekte diese Ergebnisse effektiver nutzen und vergleichen. 

Nachdem die ersten Bring-Up-Tasks abgeschlossen sind, ist es wichtig zu entscheiden, wie Daten protokolliert werden. Die folgende Liste zeigt gängige Metadatenfelder für Testdaten: 

• Projekt-ID, Prüflings-ID oder Firmware-Version 
• Testname und -version, Operator, Datum und Zeit, Laborstandort 
• Gerätedetails: installierte Optionen, Treiberversionen, Modellnummern, Kalibrierstatus 
• Synchronisationseinstellungen 
• Umgebungsbedingungen: Temperatur, Luftfeuchtigkeit 
• Tags (Baseline oder Variant) und Notizen ausführen 

InstrumentStudio und FlexLogger können auch parallel ausgeführt werden, wo es hilft, was manchmal als „geflochtener Workflow“ bezeichnet wird. Durch das Konfigurieren von Geräten und das Überprüfen des Timings in InstrumentStudio und das Protokollieren synchronisierter DAQ-Kanäle mit FlexLogger sind die ersten Leiterbahnen nachvollziehbar und wiederverwendbar. Grundsätzlich bietet jede Anwendung eine andere Workflow-Beschleunigung, aber der versierte Ingenieur lernt, wie und wann sie am besten genutzt wird – und wie sie ihre Erweiterbarkeit nutzen, um I/O zu integrieren, die nicht sofort aktiviert ist. InstrumentStudio wird in der Regel nur mit modularen PXI-Instrumenten verwendet. Benutzer können jedoch benutzerdefinierte Plugins erstellen, um sich selbst und ihren Unternehmen eine vollständig integrierte Erfahrung innerhalb einer einzigen Plattform zu bieten (DUT-Plugins, Instrumenten-Plugins von Drittanbietern, Visualisierungs-Plugins). 

Abbildung 2: FlexLogger zeigt ein dynamisch erzeugtes Panel mit interaktiver DAQ-Konfiguration und Datenaufzeichnung

Rapid Prototyping und Messentwicklung zur Untersuchung und Charakterisierung von Verhaltensweisen 

Nachdem der interaktive Prozess stabiler geworden ist, ist die Entwicklung leichter Mess-Automatisierungsanwendungen üblich. Die besten Mess-Apps sind kleine Anwendungen, die schnell Prototypen erstellen, sofort neu konfigurieren und Ergebnisse sofort visualisieren. LabVIEW verfügt über eine nahtlose Hardware-Integration, umfassende Verarbeitungsbibliotheken und eine einfache UI-Erstellung, mit der Benutzer Bedien- und Anzeigeelemente sowie Graphen schnell per Drag-and-Drop zusammenstellen können (siehe Abbildung 3). Ziel ist es, über ein einzelnes Skript hinauszugehen und dabei flexibel zu bleiben.

Abbildung 3. Screenshot eines in LabVIEW geschriebenen Beispiel-Test-Panels für Rapid Prototyping, das in ein InstrumentStudio Plug-In migriert wurde.

LabVIEW und NI NigelTM AI können bei der Strukturierung der Automatisierungs-App und der effektiven Nutzung von NI-Hardwarefunktionen helfen, wodurch Anwender Kesselplatten reduzieren und häufige Fallstricke beim Bauen vermeiden können. 

Wir empfehlen die folgenden Komponenten als Teil einer vorgeschlagenen Struktur für die Mess-Apps. Dies sind relevante Überlegungen und stellen keine umfassende Liste dar: 

• Panel-Layout—Diese können nach Funktion und Zweck gruppiert werden. Die Platzierung spezifischer Konfigurationswerte und Messergebnisse ermöglicht Zugänglichkeit und Benutzerfreundlichkeit. Sekundäre Konfigurationsbereiche können auch zum Anzeigen und Bearbeiten von Variablen und Ausgängen verwendet werden, die für die Operation nicht grundlegend sind. 
• Elemente—Hierzu gehören Start und Stopp, Testauswahl, Sollwerte und Protokollierung sowie Speichern und Laden von Profilen. 
• Zustände: Initialisierung, Kernkonfiguration, Parameterberechnung, Messschleifen, aktive Protokollierung und Teardown. 
• Fehlerbehandlung—Hierzu gehören Fehler-Queues pro Modul sowie eine Zusammenfassung. 
• Datenmodell—TDMS-Protokollierung mit einem In-Memory-Ringpuffer für Live-Diagramme. 
• Wiederverwenden—Ermöglicht das Speichern und Laden von Testprofilen sowie die Version des App-Projekts. 

Nachdem die Messanwendungen nützlich und wiederholbar gemacht wurden, zerlegen Sie ihre Funktionsweise in Module, die sich zu einer strukturierten Anwendung oder einem Testsequenzer entwickeln können. Ein Benutzer könnte beispielsweise den Ablauf in Initialisierung, Kernkonfiguration, Parameterberechnung aus benutzerdefinierten Eingaben, Messschleifen zur aktiven Protokollierung von Ergebnissen und Metadaten und zuverlässige Protokollierung unterteilen. Vorlagen für Fehlerbehandlung, Condition Management und Reporting sparen Zeit und reduzieren Fehler. 

Es gibt einige Kompromisse zu beachten, wann ein Team sich entscheiden könnte, interaktiv zu bleiben, eine Test-App zu programmieren, die Sequenzierung zu übernehmen oder alle drei Schritte zu tun: 

• Interaktiv bleiben—Wenn eine der folgenden Situationen zutrifft, sollten Sie nur interaktive Software wie InstrumentStudio oder FlexLogger verwenden. 
  • Benutzer benötigen nur ein oder zwei Instrumente 
  • Sondierung 
  • Einzeloperatoren 
  • Einfache Momentaufnahmen von Daten oder einfache Datenprotokollierung 
• Programmierung einer LabVIEW Test-App—Wenn Ihre Anforderungen die Grenzen interaktiver Tools überschreiten, bietet LabVIEW eine hervorragende Option zum Erstellen Ihrer eigenen benutzerdefinierten interaktiven Erfahrung oder Plugin-Erstellung. Dies ist in der Regel auf Anforderungen an die Verarbeitung, Visualisierung oder Interaktion mit mehreren Geräten zurückzuführen. 
  • Wiederholte Durchläufe 
  • Parameter-Sweep 
  • Erweiterte Protokollierung und mehr als eine einfache Benutzeroberfläche 
  • Kleines Team wiederverwenden 
• Übergang zur Sequenzierung—Ab einem bestimmten Zeitpunkt erfordert die Gesamtinteraktion Ihrer Plattform die Ausführung durch einen tatsächlichen Test Executive, wobei die Verantwortung für die gesamte Automatisierung und Messautomatisierung auf verschiedenen Ebenen liegt. Software wie NI TestStand wurde speziell für diese Phase Ihrer Automatisierungsanforderungen entwickelt. Folgende Situationen können zur Verwendung eines Test Executive führen: 
  • Mehrere Prüflinge oder Stationen 
  • Parallele Ausführung von Sequenzen 
  • Formale Softwareverteilung 
  • Abstrakte Datenprotokollierung und Ergebnisverfolgung 

Die LabVIEW+ Suite vereint die Werkzeuge, die die Reibung der Frühautomatisierung reduzieren und bei Bedarf skalieren: InstrumentStudio für Gerätekonfiguration und -visualisierung, FlexLogger für sensorzentrierte Protokollierung mit Synchronisation und Metadaten und LabVIEW für interaktive Test-Apps und Analysen mit einfacher UI-Erstellung. Wenn es darum geht, sich anzupassen, zu erweitern und auf eine Infrastruktur für die Automatisierung entweder in der Validierung oder in der Produktion zu übertragen, sind andere Software innerhalb der Suite, wie NI TestStand und NI DIAdem, bereit, Entwicklungszeit und Gesamtkosten zu sparen. Die Verwendung von Software, die für die Zusammenarbeit entwickelt und speziell für Tests und Messungen entwickelt wurde, bietet einen zuverlässigeren Ansatz als das Erstellen von Systemen von Grund auf mit universellen Werkzeugen. 

Der zuvor besprochene Automatisierungsprozess kann nun angewendet werden, um zu veranschaulichen, wie er für eine Beispielanwendung funktionieren könnte. 

Das in diesem Beispiel getestete Gerät ist ein Rauchmelder mit Lithium-basiertem Versorgungsverhalten, akustischem Alarm und Umgebungssensoren. Die Testingenieur:in muss eine Verbindung zu einem SMU-Batteriesimulator, einem Oszilloskop oder analogen Trigger sowie zu Temperatur-, digital-I/O- und analogen Kanälen für Feuchtigkeit und Kohlenmonoxid herstellen. Für dieses Szenario wird davon ausgegangen, dass das Team modulare NI-PXI-Geräte – wie Oszilloskope und SMUs – zusammen mit NI-CompactDAQ-Modulen für einfache I/O und Messwandler-basierte Signalerfassung verwendet. 

Phase 1: Interaktive Beschleunigung mit automatisierungsoptimierten Werkzeugen 

Ingenieure, die an die Arbeit mit Tischinstrumenten gewöhnt sind, können problemlos auf die einheitliche InstrumentStudio Schnittstelle umsteigen. Mit einem einzigen Klick durchsucht InstrumentStudio verfügbare PXI-Ressourcen und füllt automatisch ein Instrumenten-Dashboard aus, so dass Benutzer sofort mit der Entwicklung von Messungen und Experimenten beginnen können. 

In diesem Beispiel stehen SMU, Oszilloskop und Analogeingänge zur Konfiguration und Visualisierung zur Verfügung. InstrumentStudio bietet eine Frontpanel-Erfahrung und das Speichern von Momentaufnahmen, während FlexLogger eine Zeit lang Datenprotokollierung durchführt und standardmäßig bestimmte Bedingungen der CompactDAQ-I/O erfasst. InstrumentStudio schaltet die Karte mit dem SMU ein, tastet verschiedene Signale und Ports ab, um korrekte Werte und Funktionsweisen zu gewährleisten, und überwacht verschiedene analoge Signale während dieses Prozesses. Nach Abschluss dieses Schritts möchte das Team möglicherweise Tests unter verschiedenen Umgebungsbedingungen durchführen und dann mit FlexLogger beginnen, um zusätzliche elektromechanische Signalerfassung zu konfigurieren. Für jede Anwendung ist die Konfiguration projektbasiert und durch einfaches Speichern des Projekts schafft das Team einen Ausgangspunkt für zukünftige Tests – entweder für sich selbst oder für andere. 

Phase 2: Automationsfähige Messskripte und -Utilities 

Nach dem Festlegen der richtigen Konfiguration für die Ausführung von Tests können die exportierten und gespeicherten Konfigurationen in einfachen Skripten und Programmen verwendet werden. PXI-Messgeräte von NI können die aus InstrumentStudio erstellten Konfigurationsdateien nahtlos importieren, um die Hardware sofort in einen bekannten Zustand zu versetzen. Dann kann das Team mit der Entwicklung einfacher Messungen beginnen, mit denen die erforderlichen Tests programmatisch angepasst, gewobbelt und ausgeführt werden können.  

Für Datenprotokollierungs-Sessions kann FlexLogger direkt von API-Aufrufen aus automatisiert werden, wodurch der Testingenieur die Möglichkeit hat, mit den zahlreichen Funktionen, die FlexLogger standardmäßig bietet, über alle Einschränkungen hinauszugehen. NI-Software ermöglicht es Benutzern, schnell mit der Arbeit zu beginnen und ihre Funktionen zu erweitern, um ihre spezifischen Anforderungen zu erfüllen, anstatt sie auf feste Funktionen zu beschränken. 

Phase 3: Formalisierte Automatisierungsintegration 

Je nach Grad der Automatisierungsreife eines Unternehmens können Richtlinien und Tools für den Übergang in diese nächste Phase von entscheidender Bedeutung sein. Wenn Ingenieure jedoch Hard- und Software nutzen, die für eine vollständige Automatisierung optimiert ist, können Fortschritte erzielt werden. Wenn z. B. Messungen, die in der vorherigen Phase erstellt wurden, eine Politik starker Funktionsgrenzen verfolgen, ist es möglich, die Messkonfiguration von der Geräteausführung und -verarbeitung zu trennen und sich in das Measurement Plugin Framework für InstrumentStudio und FlexLogger einzufügen. Wenn FlexLogger ordnungsgemäß genutzt wurde, ermöglicht die Erweiterung Ihrer Datenquellen, Datenprozessoren oder Datensenken auf Ihr Testsystem Ihre vollständigen Protokollierungsanforderungen mit dem geringstmöglichen Grad an Codeerstellung. Das Testteam kann folgende Empfehlungen beachten: 

• Zerlegen Sie das Utility in Module zur Initialisierung, Konfiguration, Parameterberechnung, Messschleifen und Protokollierung. 
• Übernehmen Sie Vorlagen für Fehlerbehandlung und Zustandsmanagement; bereiten Sie Protokollierungsschritte vor. 
• Übergabe an einen Testsequenzer, wenn eine Parallelisierung oder Ausführung mit mehreren Stationen erforderlich ist.

Abbildung 4: Kennzeichnendes elektronisches Gerät als Rauchmelder-Leiterplatte während des Produktionszyklus.

Die Priorität der Automatisierung zu Beginn des technischen Lebenszyklus zahlt sich konsequent aus – Teams, die die Automatisierung von der ersten Spur an integrieren, um Nacharbeiten zu reduzieren, Wiederholbarkeit zu gewinnen und Iterationen zu beschleunigen. Durch die Verwendung von speziell für Test- und Messanwendungen entwickelter Software in Kombination mit Hardware zur Automatisierung erschließen Ingenieure messbare Effizienz und vermeiden die Fallstricke improvisierter, manueller Arbeitsabläufe. Und anstatt ein Patchwork aus DIY-Tools zusammenzustellen, sorgt die Verwendung einer kohärenten Software-Suite von einem vertrauenswürdigen Anbieter für Interoperabilität, reduziert technische Risiken und positioniert Teams in der Lage, von der explorativen Einführung bis hin zur strukturierten Anwendung und vollständigen Sequenzierung zu skalieren. Eine frühzeitige, absichtliche Automatisierung ist nicht nur eine Best Practice, sondern ein strategischer Vorteil, der sich in jeder Phase des Entwurfs und der Validierung zusammensetzt. 

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