Fortschreitender Kostendruck und kürzer werdende Produktzyklen - diese Faktoren erfordern nicht nur eine effiziente Herstellung, sondern auch eine schnellere Produktentwicklung. Diese kann jetzt dank Hardware-in-the-Loop-Simulationen beschleunigt werden. Zusammen mit einem integrierten, kompakten Messsystem können bereits Produkte getestet werden, die als physikalische Objekte noch gar nicht vorliegen.

Produktives Arbeiten in Entwicklung und Test bedeutet, Produkte schneller und in hoher Qualität anbieten zu können. Die Echtzeitsimulation von Anwendungen mit Rückwirkung auf das zu testende Produkt bietet eine kostengünstige Alternative zu Feldtests. Wird über die Simulation in Echtzeit in den Test eingegriffen, so spricht man von Hardware-in-the-Loop (HiL). Im Vordergrund steht die Simulation der Funktionalität von Produkten, die zum Testzeitpunkt nicht als physikalische Objekte vorhanden sind. Das Verhalten der Produkte wird unter definierbaren Umgebungsbedingungen bei verschiedenen Nutzungsprofilen errechnet und ggf. auf den Prüfling über Steuerungseingriffe oder Aktuatoren eingewirkt. Automatisierte Tests unter definierten Testbedingungen ermöglichen eine hohe Variabilität und eine bessere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Zusätzlich minimieren Simulationen Gefahren für den Anwender und ermöglichen es, die Grenzen des Produktes stufenweise auszutesten.
Imc HiL ist eine Komponente der Imc CronosCompact-Umgebung, die Simulation, Messdatenerfassung, Steuerung und Regelung in einem einzigen kompakten System zusammenfasst. Schnittstellen wie CAN-Bus, LIN, FlexRay sowie Profibus oder EtherCat und deren Protokolle ermöglichen eine pro­blemlose Integration - sowohl im mobilen Einsatz als auch am Prüfstand. Entscheidend für die Nutzung von Imc HiL im Fahrversuch ist die vollständige Autarkie. Ohne steuernden PC eignet sich die Lösung auch für raue Umweltbedingungen.
Das modulare System Imc CronosCompact bildet die Basis der HiL-Lösung. Es übernimmt alle Messaufgaben wie Signalkonditionierung, Abtastung, Filterung, Speicherung und verwaltet die analogen und digitalen Ein- und Ausgänge. Darüber hinaus hält das Messsystem die Verbindung zu den Datenbussen sowie zur Imc HiL, verrechnet Messdaten in Echtzeit und speichert Mess- und Analyseergebnisse. Durch seine modulare Architektur lässt sich das System an die jeweilige Aufgabenstellung anpassen. Unterschiedliche Messverstärker und Konditioniermodule ermöglichen den direkten Anschluss aller gängigen Sensoren.

Echtzeitfähig

Imc HiL erweitert Imc CronosCompact um eine Echtzeitumgebung für Matlab-/Simulink-Modelle (xPC Target). Ein in das System eingebetteter Prozessor, der ausschließlich für die Ausführung der Modelle innerhalb eines Echtzeitbetriebssystems reserviert ist, bildet das Herzstück der HiL-Lösung. Sie erlaubt den direkten, synchronen Zugriff auf Messdaten, Ausgangs- und Stellgrößen sowie auf die Ergebnisse von Echtzeitberechnungen und auf die Speicherverwaltung. Die Kommunikation in physikalischer Echtzeit innerhalb des Systems ermöglicht eine Abbildung der physikalischen Interaktion zwischen Simulation und Prüfling. Dies ist dem Datenaustausch über Computernetzwerke anderer Systeme überlegen, da diese in zeitkritischen Anwendungen nicht eingesetzt werden können.

Bekannte Umgebung

Softwareseitig bewegt sich der Nutzer in zwei ihm bekannten Umgebungen. Einerseits wird das Simulationsmodell in der bekannten Matlab-/Simulink-Umgebung erstellt, andererseits ermöglicht die Standard-Software Imc Studio alle Einstellungen und Konfigurationen der Messdatenaufnahme und der Weiterverarbeitung der Signale innerhalb von Imc CronosCompact. Zur problemlosen Integration wurde die Bibliothek von Matlab-/Simulink um Imc-eigene Ein- und Ausgangselemente erweitert und ein Framework zur Verfügung gestellt. Zur Kommunikation mit der Imc-Welt werden den Ein-/Ausgängen des Simulationsmodells, die mit den Messdaten oder Aktuatoren kommunizieren sollen, die entsprechenden Imc-Elemente zugewiesen. Das im Realtime-Workshop übersetzte Matlab-/Simulinkmodell steht dann in der Messtechnik-Software zur Verfügung.
Den Ein-/Ausgängen und den Simulationsparametern werden entsprechende Variablen aus Imc Studio zugewiesen. Die Mess- und Steuerdaten stehen dem Simulationsmodell über die zugewiesenen Variablen in Echtzeit zur Verfügung. Somit ist es selbst wenig geübten Anwendern möglich, Matlab-/Simulink-Modelle zu nutzen.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das Simulationsmodell durch weitere Echtzeitwerkzeuge zu unterstützen. Die Software Imc Online Famos erlaubt es, eingehende Messdaten in Echtzeit zu analysieren und dadurch unmittelbar in Resultate zu verwandeln. Ereignisse und Messdaten werden zeitsynchron und jitterfrei im µs-Bereich verarbeitet. Es können kanalübergreifende mathematische Berechnungen durchgeführt, Statistiken angelegt, Vergleiche getätigt oder anspruchsvolle Steuer- und Regelalgorithmen berechnet und ausgeführt werden. Während einer Messung kann ein Modell unter Imc HiL direkt auf alle Ergebnisse von Imc Online Famos zugreifen.

Im Prüfstand

Die HiL-Lösung wird häufig im Prüfstands-Bereich eingesetzt. Zur Unterstützung der Ausgabe von komplexen Sollwert- und Belastungsprofilen in Echtzeit steht ein Synthesizer-Modul mit eigenem Prozessor zur Verfügung. Die Verläufe können nahezu beliebige Länge aufweisen oder abschnittsweise definiert sein. Zusätzlich lassen sich mit dem Synthesizer-Modul komplexe Reglerstrukturen berechnen, die graphisch eingegeben werden können. Durch den separaten Prozessor werden die übrigen Komponenten durch die Regler- und Sollwertberechnung nicht belastet - wodurch eine deterministische Berechnung mit kurzer Reaktionszeit gewährleistet ist. Ähnlich zu Imc Online Famos ist auch hier keine Interaktion mit einem PC notwendig; dies gewährleistet einen autarken, stabilen Betrieb.

Fazit: Produktivität gesteigert, Kosten gesenkt

Durch die vollständige Integration in eine mess- und regelungstechnische Umgebung wird die HiL-Lösung dem Anspruch auf produktiveres Entwickeln gerecht. Zusammen mit Imc CronosCompact wird Hardware-in-the-Loop durch Zusammenführen der Vorteile eines kompakten und integrierten Messsystems mit autarken Prozessoren effizient realisiert. Die Konfiguration des Systems lässt sich ohne Programmierung durchführen und orientiert sich an den Bedürfnissen des Messtechnikers. Die vorgestellte Lösung vermeidet Schnittstellen- und Synchronisationsprobleme zwischen den Komponenten ebenso wie die Programmierung der Datenübergaben. Die kurzen, deterministischen Reaktionszeiten des Systems ermöglichen den Einsatz auch in hochdynamischen Prüfständen. Die Verwendbarkeit bereits vorhandener Matalb-/Simulink-Modelle unter Imc HiL runden die Software ab. Somit trägt die schlüsselfertige HiL-Lösung zur Produktivitätssteigerungen bei und unterstützt Kunden, ihre Entwicklungszeiten und -kosten zu reduzieren.