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GI.Reporter

June 22, 2020

EtherCAT-Leistung kombiniert mit branchenführender DAQ-Hardware: 5 Vorteile, die Sie sich nicht entgehen lassen sollten.

Wir haben eine Liste der fünf wichtigsten Vorteile der Verwendung eines EtherCAT-basierten Datenerfassungssystems zusammengestellt. Wenn Sie noch nicht mit EtherCAT vertraut sind, werden Sie hier alles Notwendige dazu erfahren. Wenn Sie zu den vielen Ingenieuren gehören, die EtherCAT in Ihrem Testlabor bereits verwenden, dann können Sie dies als eine Bestätigung dafür ansehen, warum Sie tun, was Sie tun – und als einen ausgezeichneten Startpunkt, um diejenigen zu überzeugen, die immer noch der Meinung sind, dass „Industrial Ethernet“ nicht für Hochleistungs-Testanwendungen geeignet ist.

Was ist EtherCAT?

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist ein Ethernet-basiertes Kommunikationsprotokoll, das speziell mit Blick für die industrielle Automatisierung entwickelt wurde. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit, des effizienten Datenaustauschs und der niedrigen Implementierungskosten ist EtherCAT heute eines der beliebtesten Netzwerke für die nahtlose Integration zwischen Datenerfassungs- und Steuerungssystemen verschiedener Hersteller für Anwendungen in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt und für industrielle Testanwendungen. Hier sind die fünf wichtigsten Vorteile.

1. Ethernet bis in die Feldebene

Der Vorteil von Ethernet ist, dass jeder PC, jedes Notebook oder andere Gerät mit einer Ethernet-Schnittstelle ausgestattet ist. Es ermöglicht eine schnelle Datenübertragung über große Entfernungen mit kostengünstiger Hardware. Der Nachteil ist, dass bei Standard-Ethernet das Prinzip der Kollisionserkennung zu variablen Datenübertragungsraten führt; es eignet sich daher nicht für echtzeitfähige, synchronisierte Datenerfassungs- und Steuerungsanwendungen. EtherCAT implementiert eine Master/Slave-Architektur über Standard-Ethernet-Verkabelung. EtherCAT ist schnell und deterministisch und basiert auf dem Prinzip der ‘on-the-fly’-Verarbeitung. 

Vergleichen Sie es mit einer Eisenbahn, bei der an jeder Station Eisenbahnwagen an- und abgekoppelt werden können, während der Zug mit hoher Geschwindigkeit durch die Station fährt. Ein EtherCAT-Rahmen (‚frame‘) enthält Daten für viele Netzwerkknoten. In unserem Eisenbahn-Beispiel entspricht der Zug dem EtherCAT-Rahmen und die Daten dem Eisenbahnwagen. 

Jeder EtherCAT-Knoten liest die speziell an ihn adressierten Daten aus dem Rahmen oder fügt seine Daten in den Rahmen ein, während der Rahmen den Daten-Knoten mit voller Geschwindigkeit durchläuft. Da die Rahmen den Knoten vor der Weiterverarbeitung durchlaufen, arbeitet EtherCAT mit hoher Geschwindigkeit und Effizienz. Für Prüfstände mit vielen Ein- und Ausgängen kann der Übertragungs-Overhead erheblich reduziert werden, was EtherCAT zu einer idealen Lösung für die mehrkanalige Mixed-Signal-Datenerfassung macht.

 

2. Datenerfassung von unterschiedlichsten Signalen für professionelle Testanwendung

Da EtherCAT mit Blick auf die industrielle Automatisierung entwickelt wurde, ist es eine Herausforderung, hochpräzise Datenerfassungsgeräte zu finden, welche ein breites Spektrum von Sensoren abdecken. Was ist, wenn Sie Temperatur, Druck und Hochfrequenzbeschleunigung auf einem Motorprüfstand messen müssen? Oder die Messung von Spannung, Strom und Temperatur mit Hochspannungsisolationseingängen für Batterielade- und -entladungsprüfungen?  Alles kein Problem!

Gantner Instruments als Anbieter von Datenerfassungssystemen bietet eine ganze Familie von Messmodulen mit direkter EtherCAT-Schnittstelle an. Es gibt keine Beschränkung hinsichtlich der Art der Sensoren, die mit einem EtherCAT-basierten Datenerfassungssystem verwendet werden können: Thermoelement, Pt100, LVDT, Dehnungsmessstreifen, IEPE/ICP, piezoelektrische, Ladungs- und sogar Faser-Bragg-Gitter-Sensoren. Dazu kommt, dass EtherCAT mit Oversampling-Technologie ausgestattet ist und so sind Abtastraten bis zu 100 kS/s (Kilosamples pro Sekunde) möglich.

3.  Reduzieren Sie die Komplexität bei verteilten Messungen

Jahrelang haben Testingenieure lange analoge Sensorkabel zurück zu einem zentralen Ort im Testlabor geführt. Es müssen qualitativ hochwertige, speziell angefertigte Sensorkabel verwendet werden, um Probleme bei der Übertragung analoger Signale über lange Strecken zu vermeiden (z.B. Rauschaufnahme und Signaldämpfung). Mit der wachsenden Anzahl von Sensoren, die in einem Testaufbau verwendet werden, werden lange Kabel schwieriger und kostspieliger zu installieren. Bei einem verteilten Messkonzept erfolgt die Analog-Digital-Signalumwandlung in der Nähe des Sensors. Über ein Netzwerkprotokoll werden die Messdaten effizient an den/die Datenverbraucher zur weiteren Verarbeitung oder Steuerung übertragen. Beim Entwurf eines verteilten Messsystems müssen verschiedene, weniger bekannte Aspekte wie Bandbreite, Verbindungszuverlässigkeit und Zeitsynchronisation berücksichtigt werden. 

Sie können einem verteilten Messsystem die Komplexität nehmen, indem Sie vorgefertigte Datenerfassungsmodule mit lokalen Echtzeit-Signalverarbeitungsfunktionen in Kombination mit einem EtherCAT-Feldbus verwenden. Das Analogsignal wird in der Nähe des Sensors mit minimaler Signalverzerrung erfasst. Hochentwickelte Signalkonditionierungsalgorithmen wandeln das Analogsignal in einen kalibrierten technischen Einheitswert um, bevor es mit Hilfe eines einfachen Ethernet-Kabels im Testaufbau verteilt wird.

4.  Echtzeit synchronisierte Mehrkanal-Datenerfassung

Je größer das Testobjekt, desto höher ist die Anzahl der Sensoren und der erzeugten Messdaten. Erschwerend kommt hinzu, dass das mit einem Testaufbau verbundene Risiko von Zeitverzögerungen und Kosten mit der Zunahme der Testkomplexität überproportional zunimmt. Messfehler aufgrund von Zeitverschiebungen in einem mehrkanaligen Mixed-Signal-Datenerfassungssystem sind eine der größten Unsicherheiten während eines Prüfablaufes. Oft müssen Datenerfassungsgeräte mit Hilfe von FPGA-Programmierung, ungenauen Netzwerkzeitprotokollen oder zusätzlichen Modul-zu-Modul-Synchronisationsleitungen synchronisiert werden. Die EtherCAT-Lösung zur Synchronisierung von Geräten basiert auf verteilten Uhren. Die Kalibrierung der Uhren innerhalb der Geräte ist vollständig hardwarebasiert. Der resultierende Zeitfehler liegt deutlich unter 1 µs, wodurch hochsynchrone Messungen gewährleistet sind.

5. Optimale Integration von Datenerfassung und Steuerungssystem

Die Herausforderungen bei der Datenerfassung lassen sich in zwei Kategorien einteilen: solche, die sich aus der Flexibilität des DAQ-Systems ergeben, und solche, die mit der Systemintegration zusammenhängen. Einschränkungen der DAQ-Systemflexibilität können die Testkapazität verringern, die Optionen der Testsystemarchitektur einschränken und die Kosten in die Höhe treiben. Andererseits ergeben sich Herausforderungen bei der Systemintegration oft aus der Verwendung von Datenerfassungs- und Steuerungssystemen, die nicht explizit für die Zusammenarbeit konzipiert sind.

Es besteht die Möglichkeit, Datenerfassungs- und Kontrollprodukte von einem einzigen Anbieter zu kaufen. Da Steuerung und Datenerfassung jedoch wie Äpfel und Birnen sind, erhalten Sie möglicherweise nicht die bestmögliche Lösung für Ihre Anwendung von einem einzigen Anbieter. Aus diesem Grund bieten viele bekannte Anbieter von Steuerungssystemen inzwischen eine EtherCAT-Verbindung für spezialisierte Datenerfassungsprodukte an. Wenn Sie Datenerfassung und Steuerung auf demselben EtherCAT-Bus integrieren, können Sie sicher sein, dass sich jeder Zeitstempel ausrichtet und die Messunsicherheit Ihrer Testergebnisse beseitigt wird.

 

Ihr hochmodernes Testsystem verdient das Beste aus beiden Welten!

 

Laden Sie unsere kostenfreie Case Study herunter, um mehr über den neuen Großlagerprüfstand am Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) zu erfahren. Der Prüfstand für Rotorblattlager wurde vom Ingenieurbüro IDOM unter Verwendung eines EtherCAT-basierten Datenerfassungssystems von Gantner Instruments konzipiert und installiert. 

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Author: Stephan Ploegman

Stephan Ploegman is Gantner Instruments business developer in Aerospace & Structural Testing

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