Hardware in the Loop

Messtechnik und Echtzeit-Simulation vereint

| Autor / Redakteur: Martin Riedel * / Hendrik Härter

Um bereits in einer frühen Entwicklungsphase testen zu können, werden Mess-Systeme und Echtzeit-Simulation vereint und fehlende Funktionen oder Komponenten durch Simulationsmodelle ersetzt.

In der modernen Produkt-Entwicklung, beispielsweise in der Automobilindustrie, verkürzen sich die Entwicklungszyklen und gleichzeitig nimmt das Niveau der Komplexität zu. Eine zentrale Komponente ist die Messtechnik. Die zu entwickelnden und zu integrierenden Komponenten oder Subsysteme für ein komplexes Gesamtsystem werden begleitet von hochgradig arbeitsteiligen und parallelisierten Entwicklungsprozessen. Die Messtechnik erfüllt auf einem Entwicklungsprüfstand die Aufgabe, die Funktion etwa einer mechatronischen Komponente zu verifizieren und zu optimieren. Oft ist diese Komponente erst eingebettet in einer Systemumgebung „lebensfähig“ und sinnvoll testbar. Real ist diese Umgebung noch gar nicht verfügbar. Um trotzdem möglichst frühzeitig zu verwertbaren Ergebnissen und letztlich ausgereiften und zuverlässigen Produkten zu kommen, besteht die Notwendigkeit, Mess-Systeme mit Fähigkeiten der Echtzeitsimulation zu ergänzen, die diese Lücke schließen: notwendige aber real fehlende Komponenten oder Funktionen werden durch Simulationsmodelle nachgebildet.

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Hardware in the Loop

Reale Prozessgrößen fließen in die Simulation

Gespeist wird die Simulation mit realen Prozessgrössen oder gewonnenen Messdaten. Das errechnete System- oder Umwelt-Verhalten wiederum wird dann physikalisch nachgebildet durch äquivalente Ausgangsgrößen wie etwa analoge Spannungen, angesteuerte Aktuatoren, Feldbus-Kommunikation oder Steuersignale, die in den Prozess eingespeist werden und mit dem Prüfling interagieren. So wird die Schleife, im englischen Loop, geschlossen, in der die zu testende Hardware mit ihrer Umwelt in gegenseitiger Wechselwirkung steht. Das System wird als Hardware-in-the Loop oder kurz HiL bezeichnet.

Die Simulation kann dabei entweder einzelne fehlende Teile eines sonst kompletten realen Systems ersetzen, oder eine umfassende virtuelle Umgebung für eine isolierte reale Komponente herstellen. Üblich ist auch, dass das eigentliche Entwicklungsobjekt das Simulationsmodell selbst ist, etwa wenn Steuergeräte-Algorithmen unter Echtzeitbedingungen real zu testen und optimieren sind. Einbezogen werden sollten verschiedene reale Größen, die ein Mess-System als „neutraler Beobachter“ gewonnen hat.

Der vorgestellte methodische Ansatz, wenn auch technisch anspruchsvoll, ist nicht gänzlich neu. Er wird beispielsweise in der Steuergeräte-Entwicklung bereits seit Jahren intensiv verfolgt und ist dort gut verankert. Neu ist hingegen die Tendenz, dieses mächtige Werkzeug aus der Nische der hochspezialisierten Experten-Systeme zu „befreien“, es durch Integration in universelle Mess-Systeme für einen breiteren Anwenderkreis nutzbar und einfach beherrschbar zu machen. Damit erfährt diese moderne Entwicklungsmethodik einen gewichtigen Akzeptanz-Schub und erschließt sich gegenwärtig ganz neue Anwendungsfelder.

Messtechnik und Echtzeit-Simulation vereinen

Waren bisher Messtechnik und Echtzeit-Simulation zwei getrennte Welten mit jeweils eigenständigen Hardware-Plattformen und Software-Umgebungen, so lag die Hürde entsprechend hoch, mit HiL-Methoden effektivere und tiefergehende Analysen zu erreichen und damit Entwicklungsprozesse zu beschleunigen. Die Einstiegsinvestitionen für ausgewachsene dedizierte HiL-Systeme sind in der Regel erheblich. Neben der rein technischen Herausforderung, dem reibungslosen Zusammenspiel mit einem eigenständigen Mess-System, kommt der personelle Aufwand, unterschiedliche Bedien- und System-Konzepte sicher zu handhaben.

Besonders in Anwendungen, bei denen eine Vielzahl unterschiedlichster zu messender physikalischer Größen und Sensoren einzubeziehen sind, erweist sich die überlegene Flexibilität und Effizienz eines Ansatzes, der ein universell konfigurierbares Mess-System durch integrierte HiL-Funktionalität erweitert. So können vom Datenaustausch, über exakte Zeit-Synchronisierung bis zu Konfigurations-Management, Datenanalyse und Dokumentation der Ergebnisse die Anforderungen beider Funktionen optimal verschmolzen werden. Das von imc entwickelte CRONOScompact ist ein solches modular individuell anpassbares Mess-System, das durch ein HiL-Modul erweitert werden kann. Es stellt einen dedizierten Prozessor zur Verfügung, der direkt in das Mess-System eingebettet ist, dieses jedoch nicht zusätzlich belastet.

Die externe Kommunikation entfällt komplett

Das HiL-Modul hat direkten Zugriff auf die Datenaufnahme, und kann voll synchron und ohne zusätzliche Latenzen die Messdaten als Eingangsgrößen der Simulation verwenden sowie simulierte Ausgangsgrößen zurückzuspeisen. Die so gewonnenen Ausgangsgrößen werden direkt im System, das sogar als autarkes mobiles Gerät arbeiten kann, in analoge Ausgangsspannungen, digitale Steuersignale oder Feldbus-Nachrichten umgesetzt. So wird jeglicher Transfer oder Datenaustausch mit einem externen Simulationssystem, etwa einem PC, vermieden und das System bleibt autark und mobil. Der Simulationsprozessor wird von einem DOS-basierten Echtzeit-Betriebssystems kontrolliert und führt die Simulationsmodelle aus, die in Form fertig kompilierten Codes direkt mit der Systemkonfiguration geladen werden. Als Basis für die Modelle dient Matlab/Simulink von MathWorks. Dieses Simulations-Werkzeug hat sich als verbreiteter Standard in der Industrie etabliert. So kann in vielen Fällen auf bereits vorhandene, direkt wiederverwendbare Modelle zurückgegriffen werden und der Prozess der Modell-Erstellung ist weitgehend entkoppelt. Sie kann auf unabhängigen PCs stattfinden, durch andere Experten und Abteilungen und selbst mit Software-Lizenzen, die für die Simulationsausführung am HiL-Prüfstand gar nicht erforderlich sind. Lediglich die Schnittstellendefinition, also die einfache Zuordnung von Mess- und Ausgabe-Kanälen des Geräts zu den Ein- und Ausgängen der Simulation, ist auf dem Mess-System vorzunehmen.

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