EtherCAT-Steckmodule und -Messtechniklemmen bei Testsystem für Batterien und Leistungselektronik

Die Baumann GmbH, Amberg, entwickelt schlüsselfertige Automationssysteme u. a. für die Automobilzuliefer-, Elektronik- und Pharmaindustrie sowie die Medizintechnik − von Roboterzellen bis zu komplett automatisierten Produktionslinien. Zum Produktspektrum zählt das MTS (Modular Test System), mit dem sich Testapplikationen u. a. für Zell-, Modul- und Batterieprüfstände sowie Leistungselektronik flexibel realisieren lassen. Die Grundlage für Kompaktheit und Systemoffenheit bildet dabei PC-based Control von Beckhoff, insbesondere mit den EtherCAT-Steckmodulen der EJ-Serie und den EtherCAT-Messtechnikklemmen der ELM-Reihe.

Im Bereich der Testsysteme setzt Baumann bereits seit 2005 auf die PC- und EtherCAT-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Ausschlaggebend für diese Wahl war laut Jörg Seybold, Leiter Standardlösungen und Produkte bei Baumann, neben der Leistungsfähigkeit vor allem die Schnittstellenvielfalt und Offenheit des Systems – sowohl zur Einbindung vielfältigster Messgeräte als auch für die Kommunikation mit übergeordneten Systemen und ins Internet.

Spezifische Anforderungen an Automotive-Testsysteme

Die Elektromobilität verändert nicht nur die Produktionstechnik im Automotive-Bereich grundlegend, sondern auch die benötigte Prüftechnik. Dazu erläutert Jörg Seybold: „Wurde bislang in der Automobilindustrie erst nach einigen Jahren ein neues Produkt entwickelt, so sehen wir heute in der Batterietechnologie eine fortlaufende Entwicklung mit Produktänderungen im Quartalszyklus. Dementsprechend müssen wir für die Kunden ein Testsystem entwickeln, das modular, skalierbar und einfach an neue Anforderungen anzupassen ist. Ergebnis ist das MTS, mit dem ein komplettes Testsystem in einem kompakten Schaltschrank zur Verfügung steht und so konventionelle Anlagen mit bis zu fünf Schaltschränken ersetzt werden können.“

Neben dem geringen Footprint profitiert der Anwender mit MTS besonders von einer deutlichen Zeitersparnis: Für neue Applikationen muss das Testsystem nicht mehr über mehrere Wochen hinweg umgebaut werden. Durch den modularen Aufbau mit 19-Zoll-Einschüben und Plug-and-Play-Funktionalität lässt sich vielmehr schnell und flexibel auf Änderungen reagieren – oft auch durch den Anwender selbst und ohne Mitwirkung von Baumann. „Dabei ist die Messbreite immens. Sie reicht vom Mikro-Ampere-Bereich bis hin zu mehreren 100 A. Gleiches gilt für die Spannungsvielfalt von der 4,2-V-Zellspannungsmessung bis hin zur Prüfung im 1.000-V-Bereich z. B. bei kompletten Lkw-Batteriespeichern“, erläutert Jörg Seybold.

Umgesetzt wird dies beim MTS zum einen mit den beiden Grundmodulen CCU (Control & Communication Unit) und PDU (Power Distribution Unit) sowie zum anderen mit den nach Bedarf auszuwählenden Komponenten MDU (Measurement Distribution Unit), HVDU (High Voltage Distribution Unit) und HCDU (High Current Distribution Unit). Hinzu kommt ein Testframework, das der Anwender einfach an seine individuellen Prüfrezepte und -abläufe anpassen und über das Multitouch-Einbau-Control-Panel CP2924 von Beckhoff komfortabel bedienen kann. Das Framework bietet u. a. grafische Diagnose- und Analysefunktionalitäten, standardisierte Datenschnittstellen zu MES-Systemen und ein Prozessmonitoring.

Steuerungstechnik mit kompakten, leistungsfähigen I/Os

Die komplette MTS-Steuerungstechnik und auch das Testframework von Baumann laufen einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6032 mit der Software TwinCAT 3. Dazu erklärt Heiko Hochmuth, Entwicklungsleiter Mess- und Prüftechnik bei Baumann: „Die Vorteile des C6032 liegen vor allem im geringen erforderlichen Bauraum und den flexiblen Montagemöglichkeiten. Bei MTS kommt es oft auf jeden Millimeter an.“ Und sein Kollege Martin Lehmeier, Teamleiter Software Testsysteme, ergänzt: „Mit Blick auf die Software profitieren wir mit TwinCAT 3 u. a. vom leistungsfähigen Debugging und der großen Funktionsvielfalt. Hinzu kommen die vielfältigen Programmiermöglichkeiten auch in Hochsprache, denn ohne dies wäre unser darauf aufsetzendes Testframework nicht möglich gewesen.“

Mit dem Einsatz der EtherCAT-Steckmodule der EJ-Serie ergeben sich für Baumann deutliche Vorteile, wie Heiko Hochmuth erläutert: „Montiert auf das kundenspezifische Signal Distribution Board lässt sich mit den EJ-Modulen zum einen eine sehr kompakte I/O-Ebene realisieren. Zum anderen entfällt eine aufwändige Verdrahtung, sodass Verdrahtungsfehler und die zugehörige Fehlersuche vermieden und die Kosten reduziert werden. Dabei nutzen wir für alle MTS-Module das gleiche Signal Distribution Board, das jeweils passend bestückt wird. Auf diese Weise vereinfacht sich die Lagerhaltung bei gleichzeitigem Erhalt der notwendigen Flexibilität.“ Weiterhin seien im Gegensatz zu einer Lösung mit EtherCAT-Klemmen keine Kabelkanäle mehr erforderlich, was zur Kompaktheit des Gesamtsystems beitrage. Die Flexibilität von PC-based Control zeige sich nicht zuletzt in der Vielfalt der beim MTS eingesetzten EtherCAT-Steckmodule, wie z. B.:

• EtherCAT-Koppler EJ1101-0022,
• 16-Kanal-Digital-Eingangsmodule EJ1809,
• Kombimodule EJ1859 mit acht digitalen Eingängen und acht digitalen Ausgängen,
• 16-Kanal-Digital-Ausgangsmodule EJ2809,
• Analog-Eingangsmodule EJ3104 (4-kanalig, ±10 V) und EJ3202 (2-kanalig, RTD),
• TwinSAFE-Module EJ1904 (4-Kanal-Digital-Eingang) und EJ2914 (4-Kanal-Digital-Ausgang sowie
• 2-Kanal-Kommunikations-Interfaces EJ6002 (RS232/RS422/RS485).

Ein weiterer großer Vorteil des breiten Beckhoff I/O-Portfolios liegt laut Heiko Hochmuth in den hochpräzisen Messtechnikklemmen der ELM-Serie: „Bei MTS nutzen wir in erster Linie die ELM-Spannungsmessklemmen, die sich genau passend für die jeweilige Anwendung auswählen lassen – mit galvanischer Trennung, mit bis zu vier analogen Eingängen sowie unterschiedlichen Spannungsbereichen bis hin zu ±1.200 V. Die große Bandbreite an Funktionen und Messgrößen der ELM-Klemmen hilft uns sehr. Hinzu kommen die hohe Präzision der Messungen, inklusive einer hohen Temperaturstabilität, sowie die flexible Datenvorverarbeitung über wählbare Zusatzparameter. Und diese hohe Funktionalität ist in einem sehr kompakten Formfaktor untergebracht und kann bisher getrennte Messgeräte platz- und kostensparend ersetzen, was das Messtechnikerherz durchaus höher schlagen lässt.“ Ausgehend vom EtherCAT-Koppler EKM1101 mit ID-Switch und Diagnose werden beim MTS u. a. folgende Messtechnikklemmen eingesetzt:

• ELM3002-0000 (2-kanalig) zur flexiblen Spannungsmessung von 20 mV bis 30 V in elf Messbereichen,
• ELM3002-0205 (2-kanalig) zur Hochvolt-Spannungsmessung an Batterien und Generatoren in den Messbereichen ±60, 360, 600 und 1.200 V,
• ELM3004-0000 (4-kanalig) zur flexiblen Spannungsmessung von 20 mV bis 30 V in elf Messbereichen sowie
• ELM3102-0100 (2-kanalig) zur Spannungs- und Strommessung in den Messbereichen +60 V bis -20 mV und ±20 mA bei einer schnellen Samplingrate von 20 kSps je Kanal.

Ergänzt wird diese kompakte I/O-Ebene bedarfsorientiert durch unterschiedliche EtherCAT-Klemmen der EL-Serie. Hierzu zählt insbesondere die 3-Kanal-Analog-Eingangsklemme EL3443 zur Leistungsmessung (max. 480 V AC/DC, 1 A). Mit ihr lassen sich die Messwerte Strom, Spannung, Wirk-, Blind- und Scheinleistung bzw. -energie sowie cos φ, Frequenz, THD und Oberschwingungen (bis zur 40. Oberschwingung) erfassen. Beim MTS ermöglicht die EL3443 ein detailliertes Monitoring der Netzeinspeisung.