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PC-basierte Automatisierung für multiphysikalische Turbinen-Werkstoffprüfstände
Die IABG und das DLR setzen auf PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff sowie EtherCAT-Messtechnik an vier MTC-Prüfständen, um extreme Triebwerksbetriebsbedingungen zu simulieren.
www.beckhoff.com
Anwendungsbereiche: Prüfstandsautomatisierung, Simulation extremer Umgebungsbedingungen, multiphysikalische Werkstoffprüfung
Branchen: Luft- und Raumfahrt, Gasturbinen- und Triebwerksbau, Forschung und Entwicklung
Das DLR-Institut für Test und Simulation für Gasturbinen in Augsburg betreibt Werkstoffgrundlagenforschung, um künftige Triebwerksgenerationen zu unterstützen und virtuelle Triebwerkssimulationsmodelle zu validieren. Im Rahmen einer 2020 initiierten Innovationspartnerschaft entwickelte das Ingenieurunternehmen IABG vier spezialisierte Prüfstände zur Untersuchung von Werkstoffproben unter simultan einwirkenden mechanischen, thermischen und chemischen (MTC) Belastungen:
- Ein planarer biaxialer hydraulischer Prüfstand
- Ein uniaxialer hydraulischer Prüfstand
- Ein Kriechprüfstand
- Ein 1.000-Hz-Very-High-Cycle-Fatigue-Prüfstand (VHCF)
Die Nachbildung realistischer Gasturbinen-Betriebsprofile erfordert es, die Probekörper aggressiven, präzise geregelten Umgebungen auszusetzen. Die Werkstoffproben werden in einer Druckkammer montiert, mit Drücken von bis zu 20 bar beaufschlagt und mit einem synthetischen Gemisch aus Reingasen (N2, O2, CO2, NO, CO, SO2) kombiniert mit Wasserdampf umströmt. Gleichzeitig heizt ein laserbasiertes Heizsystem die Proben auf bis zu 1.400 °C auf, während mechanische Aktoren zyklische sinusförmige Belastungen, standardisierte Wöhlerkurven oder Rissfortschrittssequenzen abfahren.
Zur Koordination dieser heterogenen Subsysteme benötigte die IABG eine offene Automatisierungsplattform, die zu deterministischer Echtzeitkommunikation, synchronisierter Highspeed-Datenerfassung und durchgängiger Sicherheitsüberwachung in der Lage ist.
Deterministische Steuerung und synchronisierte Messarchitektur
Die IABG implementierte eine verteilte Steuerungsstruktur mit zwei dedizierten Beckhoff-Controllern, die über eine EtherCAT-Bridge-Klemme EL6692 miteinander verbunden sind. Ein Embedded-PC CX5140 führt die zentrale Automatisierungs-, Ablauf- und Prüfraumüberwachungslogik aus, während ein Embedded-PC CX2043 die schnelle analoge Messtechnik verarbeitet. Diese physikalische Trennung entkoppelt die eigentliche Maschinensteuerung von messtechnischen Konfigurationsänderungen und schafft Rechenkapazitäten, um künftige DLR-MATLAB®/Simulink®-Modelle direkt auf der Messhardware auszuführen.
Die hochpräzise Signalerfassung erfolgt über spezialisierte EtherCAT-Klemmen direkt an den Prüfkammern, um analoge Leitungswege kurz zu halten:
Zur Koordination dieser heterogenen Subsysteme benötigte die IABG eine offene Automatisierungsplattform, die zu deterministischer Echtzeitkommunikation, synchronisierter Highspeed-Datenerfassung und durchgängiger Sicherheitsüberwachung in der Lage ist.
Deterministische Steuerung und synchronisierte Messarchitektur
Die IABG implementierte eine verteilte Steuerungsstruktur mit zwei dedizierten Beckhoff-Controllern, die über eine EtherCAT-Bridge-Klemme EL6692 miteinander verbunden sind. Ein Embedded-PC CX5140 führt die zentrale Automatisierungs-, Ablauf- und Prüfraumüberwachungslogik aus, während ein Embedded-PC CX2043 die schnelle analoge Messtechnik verarbeitet. Diese physikalische Trennung entkoppelt die eigentliche Maschinensteuerung von messtechnischen Konfigurationsänderungen und schafft Rechenkapazitäten, um künftige DLR-MATLAB®/Simulink®-Modelle direkt auf der Messhardware auszuführen.
Die hochpräzise Signalerfassung erfolgt über spezialisierte EtherCAT-Klemmen direkt an den Prüfkammern, um analoge Leitungswege kurz zu halten:
- Highspeed-Lasterfassung: Vierkanalige Spannungsmessklemmen ELM3004 digitalisieren Analogsignale (±10 V) der Lastrahmen-Controller (Kräfte, Positionen, Wege und Drehmomente) mit 10 kSample/s. Bei einem SPS-Zyklus von 1 ms liefert ein zehnfaches Oversampling dynamische mechanische Profile, ohne die Rechenleistung des IPCs zu überlasten.
- Universelle Messtechnik: Multifunktionale ELM3704-Klemmen übernehmen die dezentrale Signalaufbereitung für sekundäre Prozessgrößen.
- Zeitsynchronisierte Telemetrie: TwinCAT konsolidiert die verschiedenen Sensordaten auf Basis von EtherCAT-Distributed-Clocks-Zeitstempeln im Sub-Mikrosekundenbereich zu einem einheitlichen Prozessabbild aus Temperatur, Druck, Gasgemischen und physikalischen Lastvektoren.
Viele Messdaten und I/O-Signale werden direkt an den Prüfkammern erfasst und über EtherCAT zu den Steuerungen übertragen.
Integrierte Sicherheit und herstellerübergreifende Vernetzung
Da einzelne Werkstoffprüfsequenzen über mehrere Wochen hinweg unbeaufsichtigt laufen, war die Sicherheitsintegration eine zentrale technische Anforderung. Die IABG integrierte TwinSAFE-SC-Klemmen (Single Channel) – darunter die Thermoelement-Klemmen EL3314-0090 und die RTD-Klemmen EL3214-0090 –, um kritische Temperaturen an Laserfallen und Strahlführungsrohren mithilfe von Standard-Pt100-Widerständen und Thermoelementen zu überwachen. Die Türverriegelungen der einzelnen Prüfkabinen sind über EtherCAT P und Fail Safe over EtherCAT (FSoE) vernetzt, wodurch Stromversorgung und fehlersichere Kommunikation über ein einziges Kabel geführt werden.
EtherCAT bindet die Lasersteuerungen direkt an, während die Integration von Drittanbieter-Hardware über PROFINET RT und TCP-Protokolle mittels EtherCAT-Buskopplern realisiert wird. Vom zentralen Leitstand aus koordinieren die Bediener Testläufe, definieren Prüfparameter und konfigurieren EtherCAT-I/O-Klemmen über eine LabVIEW™-Oberfläche, die über TwinCAT ADS (Automation Device Specification) und CAN over Ethernet (CoE) unter Nutzung der Beckhoff-Schnittstellensoftware TF3710 kommuniziert.
Künftige, von DLR und IABG geplante Ausbaustufen sehen vor, mittels OPC-UA-Kommunikation dynamische Echtzeitanpassungen der Lastzyklen im laufenden Betrieb vorzunehmen, was eine bidirektionale Hardware-in-the-Loop-Simulation zwischen virtuellen Turbinenflugmodellen und der physischen Prüfstandshardware ermöglicht.
Redaktionell bearbeitet von Romila DSilva, Redakteurin bei Induportals, mit KI-Unterstützung.
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