Reproduzierbare Prüfergebnisse mit EtherCAT-basierter Fahrzeugfernsteuerung
Einer der größten Nutzfahrzeughersteller testet auf einem Rollenprüfstand unterschiedliche Powertrainkonfigurationen – Dieselmotoren, Brennstoffzellen und batterieelektrische Antriebe. Für reproduzierbare Ergebnisse sorgt eine von der Softing Engineering & Solutions GmbH konzipierte Fahrzeugfernsteuerung, die mithilfe von EtherCAT und einem Embedded-PC von Beckhoff direkt auf die CAN-Bussysteme der Trucks zugreift und z. B. Gangwechsel steuert.
Auf dem Road-to-Rig-(R2R)-Prüfstand in Wörth testet der Nutzfahrzeughersteller alle Baureihen, die weltweit unter verschiedenen Marken vertrieben werden. Allein dies ist ein erstes Indiz dafür, welche Bedingungen und fahrdynamischen Situationen auf dem R2R-Prüfstand simuliert werden. Ein gewaltiger Lüfter und riesige Kühlaggregate generieren unterschiedlichste klimatische Bedingungen und Fahrtwinde mit rund 100 km/h. „Der Nutzfahrzeughersteller testet auf seinem Prüfstand unter realistischen Bedingungen das Zusammenspiel der unterschiedlichen Powertrainkonfigurationen mit den übrigen Fahrzeugfunktionen, Aufbauten und Fahrerkabinen“, so Jörg Rottkord, Branchenmanager Automobilindustrie bei Beckhoff. Typische Test sind z. B. Reichweitenuntersuchungen der verschiedenen Batterietypen oder der wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen bis hin zu Verbrauchs- und Abgasmessungen bei Trucks mit Dieselmotoren.
Da die Fahrzeuge messtechnisch bereits ausgerüstet sind, wenn sie auf den Prüfstand kommen, braucht das Prüfstandspersonal die Trucks nur noch aufzubauen, d. h. mit Ketten zu fixieren und für die unterschiedlichen Tests vorzubereiten. Dazu gehört auch der Einbau der Fernbedienung und deren Anschluss an die Bordelektronik.
Prüfstandselektronik steuert Gangwechsel und Gaspedalstellung
Über die Fernbedienung lassen sich vom Leitstand aus wichtige Fahrzeugfunktionen wie Fahrmodus, Gangwahl, Tempomat, Retarder und Gaspedalstellung über das Automatisierungssystem des Prüfstands fernsteuern. „Das ermöglicht dem Nutzfahrzeughersteller, viele aufwendige, zuvor ausschließlich auf der Straße durchführbare Messungen unter realistischen Fahrbedingungen und mit großer Wiederholgenauigkeit auf dem Prüfstand durchzuführen“, stellt Dr. Tobias Kolb, Prüfmittel-Entwicklung Automotive bei der Softing Engineering & Solutions GmbH, den Vorteil der Fernsteuerung heraus.
Das System besteht aus einer kompakten Steuerbox im Fahrzeug, die über einen fahrzeugspezifischen Adapterkabelsatz mit der Fahrzeugelektronik verbunden wird, sowie aus einer weiteren Box im Leitstand und einem Embedded-PC von Beckhoff als Schnittstelle zur Prüfstandsautomatisierung. Die Fernsteuerbox setzt die Sollwerte der Prüfstandsautomatisierung in entsprechende Nachrichten für den CAN-Bus des Fahrzeugs um und spielt sie in die Bordelektronik ein. „Dazu trennen wir den CAN-Bus im Fahrzeug an geeigneter Stelle auf“, so Dr. Tobias Kolb.
Zugriff auf Fahrzeugelektronik mit PC-based Control
Was so trivial klingt, erfordert einiges an spezifischem Know-how: Für die Kontrolle des Prüfablaufs sind die Daten des Common Power Train Controllers aus dem Fahrzeug nötig. Zudem müssen bestimmte CAN-Botschaften, z. B. für den Gangwechsel, gefiltert, manipuliert und mit der passenden Checksumme wieder in den Telegrammstrom eingefügt werden. „Softing nutzt dafür unsere Embedded-PCs CX20x0 und mehrere CAN-Interfaces – die EtherCAT-Klemmen EL6751“, so Jörg Rottkord, Branchenmanager Automobilindustrie bei Beckhoff.
„Allerdings muss man die CAN-Botschaften vom Gesamtfahrzeug schlau filtern“, so David Welsch, der beim Nutzfahrzeughersteller für die Programmierung der Fernsteuerung verantwortlich ist. Beispielsweise werden nur die zu manipulierenden Nachrichten ausgeschleust, geändert und ins Fahrzeug zurückgespielt. Die Sollwerte, zum Beispiel für einen Gangwechsel, kommen dann von der Prüfstandsautomation. Die Beckhoff Software TwinCAT berechnet die notwendigen Daten und kopiert diese in den jeweiligen CAN-Frame. „Dieser Frame wird anschließend mit der korrekten CAN-Nachrichtennummer und Checksumme in Echtzeit wieder an das Fahrzeug gesendet“, so Dr. Tobias Kolb. Die zwei wesentlichen Aufgaben der Fernsteuerung sind die Emulation der Schaltbefehle sowie des Fahrfußgebers über zwei gegenläufige PWM-Spuren, die eine zweikanalige EtherCAT-Klemme EL2502 erzeugt.
PC-based Control für reproduzierbare Prüfabläufe
Wo bislang Fahrer bei zum Teil extremen Temperaturen die Prüfprozeduren manuell durchgeführt haben, kann der Nutzfahrzeughersteller mit der Fernsteuerung die vielfältigen Szenarien inzwischen mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit ausführen, entweder vollautomatisch nach dem vorgegebenen Ablauf oder bei Bedarf auch manuell vom Leitstand aus gesteuert. „Der große Mehrwert liegt in den automatisierten Abläufen und den reproduzierbaren Ergebnissen“, betont Jörg Rottkord.
Dr. Tobias Kolb, der die Fernsteuerung entwickelt hat, nennt zwei Gründe für die Wahl von PC-based Control: der modulare und kompakte Aufbau der Embedded-PCs und EtherCAT-Klemmen sowie die geringen Kosten für Hard- und Software im Vergleich zu typischen Rapid-Prototyping-Systemen. „Da TwinCAT als Entwicklungsumgebung kostenlos zur Verfügung steht, fallen praktisch nur die Kosten für die Runtime-Lizenzen an“, so Dr. Tobias Kolb weiter. David Welsch ergänzt: „Zudem können wir das Entwicklungssystem direkt auf dem Embedded-PC CX20x0 vorhalten, den wir mit Windows betreiben.“ Dessen Performance ist für die Zykluszeit von 1 ms mehr als ausreichend und bietet genügend Reserven, falls in Zukunft weitere CAN-Nachrichten zu berechnen sind. „Ein großer Vorteil von PC-based Control ist, dass sich die Rechenleistung bei Bedarf einfach über einen Embedded-PC mit anderer CPU anpassen lässt − im gleichen Formfaktor“, ergänzt Jörg Rottkord.
Die Flexibilität und Offenheit von PC-based Control half Dr. Tobias Kolb bei der Lösung eines Konfigurationsproblems: „Manche Fahrzeuge arbeiteten mit 500 kBit Übertragungsrate, andere mit 667 kBit. Daher mussten die CAN-Interfaces bei einem Fahrzeugwechsel zur Laufzeit zwischen den beiden Bitraten umzuschalten sein. „Der Support von Beckhoff hat uns mit Beispielprogrammen bei der Realisierung dieser Funktion sehr geholfen“, so David Welsch.
Insgesamt kommen bei der Fernsteuerung vier CAN-Interfaces zum Einsatz: Je eins für den Empfang und das Versenden der Botschaften von und zum Truck. Die beiden anderen sind für die Integration eines Altsystems sowie die Konfiguration anderer CAN-Teilnehmer im asynchronen Modus. „Hier erweist sich die Modularität und einfache Erweiterbarkeit der PC-basierten Steuerungstechnik als klarer Vorteil gerade auch im Hinblick auf künftige Fahrzeuggenerationen mit CAN FD als Kommunikationssystem“, betont Jörg Rottkord. Beckhoff unterstützt die CAN FD-Physik mit der EtherCAT-Klemme EL6753, die neben flexiblen Datenraten (FD) auch erweiterte Datenfelder mit bis zu 64 Byte unterstützt. Eine leistungsfähige CANopen-Protokollimplementierung ermöglicht die Integration beliebiger CANopen-Geräte in den EtherCAT-Klemmenverbund.
Sicherer Betrieb mit TwinSAFE
Sicherheit spielt in der Prüfstandstechnik eine große Rolle und wird im Fall der Fernsteuerung des Prüfstands über Safety over EtherCAT (FSoE) und TwinSAFE-Klemmen realisiert. Die Fernsteuerung ist über Kontakte in die Not-Halt-Kette der Gebäudeautomatisierung eingebunden. Im Fahrzeug und Leitstand sind ebenfalls Not-Halt-Taster installiert, die bei einer Betätigung die Kommunikation zum Fahrzeug trennen. Gleichzeitig geht der Truck in die Notlaufstrategie und der Prüfstand in den sicheren Zustand. Darüber hinaus wird die Kommunikation permanent über ein Livecycle-Bit überwacht, das Prüfstand und Fernsteuerung über EtherCAT austauschen.
„Wir sehen die Fernsteuerung als Blaupause für viele andere Automotive-Projekte“, zeigt Dr. Tobias Kolb das Potenzial der Lösung auf. Mit der offenen und modularen Steuerungstechnik von Beckhoff ist es in Verbindung mit EtherCAT möglich, kosteneffiziente und leistungsfähige Gateways zwischen Prüfständen und Fahrzeugen mit unterschiedlichster Peripherie zu realisieren.
