 |
 |
|
Messwerterfassungs- und Steuerungssystem
für Entwicklungsprüfstände
|
|
|
Institut für Raumfahrtantriebe des DLR, Lampoldshausen
|
|
| DLR |
|
|
Das Institut für Raumfahrtantriebe des DLR ist eines von insgesamt 30
Instituten bzw. Test- und Betriebseinrichtungen des Deutschen Zentrums für
Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR). Das DLR ist das nationale Zentrum der
Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt.
Das DLR betreibt umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in nationaler
Kooperation. Über die eigene Forschung hinaus ist das DLR als Raumfahrtagentur
im Auftrag der Bundesregierung für die Umsetzung der deutschen
Raumfahrtaktivitäten zuständig. An acht Standorten beschäftigt das
DLR über 4.500 Mitarbeiter.
Das Institut für Raumfahrtantriebe im
DLR-Standort Lampoldshausen gliedert sich in drei Schwerpunkte:
die Entwicklung fortschrittlicher Technologien für zukünftige Transportsysteme,
den Betrieb von Großprüfständen im Auftrag der europäischen Industrie sowie
der kontinuierlichen Weiterentwicklung der dafür notwendigen Mess-,
Steuerungs- und Verfahrenstechnik. Am Institut sind derzeit 230
Wissenschaftler und Mitarbeiter angestellt.
|
|
|
| Forschungsaufgaben des Institutes für Raumfahrtantriebe |
|
|
|
Das Institut betreibt Grundlagenforschung zur Entwicklung und Optimierung von
Raumfahrtantrieben. Untersuchungsgegenstände sind unter anderem die Treibstoffaufbereitung,
speziell bei flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff, sowie Untersuchungen
zu den Verbrennungsprozessen und Materialtests. Dazu werden mehrere
Experimentalprüfstände eingesetzt, in denen Untersuchungen und
Versuche zu den verschiedenen Themengebieten durchgeführt.
|
|
| Aufgabenstellung: Modernisierung der Experimentalprüfstände
|
|
|
Im Rahmen der Um- und Aufrüstung der vorhandenen Forschungsprüf- und Teststände
suchte das DLR nach einem Messwerterfassungs- und Steuerungssystem, welches
zwei Kernanforderungen erfüllt: Hohe Systemsicherheit und größtmögliche Flexibilität.
|
|
| Hohe Systemsicherheit
|
|
|
Der Betrieb mit explosiven und gefährlichen Stoffen stellt besondere Anforderungen
an die Betriebs- und Ausfallsicherheit des Systems. Der aktuelle Zustand des
Prüfstandes muss kontinuierlich überwacht werden, so dass er ohne Zeitverzug
jederzeit in einen sicheren Zustand zurückgefahren werden kann. Beschädigungen
und Gefährdungen des Prüfstandes sowie der Mitarbeiter sollten minimiert
und bestenfalls ausgeschlossen werden.
|
|
| Größtmögliche Systemflexibilität
|
|
|
Zur Untersuchung der verschiedenen Materialeigenschaften, zur Optimierung der
Prozesse in den Motoren und zur Erforschung neuer Technologien werden die
Forschungsprüfstände in ständig wechselnden Konfigurationen mit
unterschiedlichen Auslegungen und Medien betrieben.
Ein Messwerterfassungs- und Steuerungssystem muss daher ein breites Spektrum
von physikalischen Parametern und unterschiedlichen Szenarien handhaben können.
Gleichzeitig erwarten die Anwender bei der Umstellung des Prüfstandes kurze
Rüstzeiten, ohne dass die Flexibilität leidet. Aus diesem Grund muss es das
Messwerterfassungs- und Steuerungssystem dem Anwender ermöglichen,
das System durch softwaremäßige Parametrierung auf die jeweiligen
Erfordernisse anzupassen.
|
|
| Datenbankgestütztes, vorlagenbasiertes Messdatenerfassungs- und Steuerungssystem
|
|
|
Um diesen Anforderungen zu genügen, stand Werum Software & Systems vor der Aufgabe,
ein hoch flexibles, konfigurierbares generisches System zu entwickeln und in die
bestehende Infrastruktur zu integrieren. Dazu wählte Werum einen vorlagenbasierten Ansatz.
Im ersten Schritt analysierte Werum gemeinsam mit den Endanwendern die möglichen
Testszenarien auf den Prüfständen. Ziel war es zunächst, Gemeinsamkeiten zum
Beispiel bei der Aufgabenstellung, der verwendeten Sensorik und des
Experimentablaufes zu identifizieren. Es zeigte sich, dass bei allen
Themengebieten verschiedene Gase oder Flüssigkeiten über Leitungs- und
Düsensysteme einer Modellbrennkammer zuzuführen sind. Hierbei sind an
unterschiedlichen Orten Temperaturen und Drücke zu bestimmen und anzuzeigen.
Layout und Sensorplatzierung hingegen variieren je nach Aufgabenstellung und
unterliegen somit häufigen Veränderungen.
Daraus entwickelte Werum eine Einteilung der einzelnen Experimente und
Versuche in Experimenttypen mit gemeinsamen Merkmalen, die die Basis für
den vorlagenbasierten Ansatz der Lösung darstellt. Aus den Vorlagen
lassen sich dann die jeweiligen spezifischen Versuchsaufbauten und Abläufe
ableiten. Um der Vielfalt der eingesetzten Sensorik und Aktorik sowie der
verschiedenen Anwenderkreise gerecht zu werden, empfahl Werum zur Verwaltung
und Bereitstellung dieser Parameter und Informationen den Einsatz eines Datenbanksystems.
|
|
| Erstellen von Versuchsvorlagen und Versuchsdefinitionen
|
|
|
Damit das Erstellen der Experimentvorlagen, der sogenannten Basiskonfigurationen,
für die Systemanwender weitgehend vereinfacht wird, integrierte Werum die grafische
Entwicklungsumgebung LabVIEW® von National Instruments. Durch die Anordnung von
grafischen Elementen, wie spezielle Controls und Anzeigeelemente, kann der Anwender
nun das physikalische Layout eines Prüfstandes vollständig abbilden. Im Ergebnis
erhält er einen anschaulichen Fließplan.
Die Definition der einzelnen Messstellen unterstützt das System mit einem Anwenderdialog.
Zunächst wählt der Anwender den eingesetzten Sensor aus der Sensordatenbank aus,
definiert einen symbolischen Namen und legt die für diesen Versuch eingesetzte Messtechnik
fest. Die Verwendung eines symbolischen Namens für eine Messstelle stellt
sicher, dass ein bereits definierter Versuch auch mit geänderter Messtechnik
verwendbar ist. Zwischen Versuchsbeschreibung und verwendeter Messtechnik besteht
keine direkte Abhängigkeit.
Im Unterschied zum Erstellen der Basiskonfiguration sind bei der Definition
eines aktuellen Versuches über Fließplan und Messstellenliste
hinaus noch weitere Parameter zu definieren. Neben Grenzwerten
für einzelne Sensoren, deren Überschreiten zu einem vordefinierten
Shutdown des Prüfstands führt, sind auch die Steuersequenzen zur
Steuerung des Prüfstandes zu bestimmen. Auch für diese Aufgabe
stellt das System entsprechende Anwenderdialoge zur Verfügung,
die ihn sicher durch den Prozess der Parametrierung führen.
|
|
| Integriertes Datenbanksystem
|
|
|
Zur einfachen Erfassung und Verwaltung aller relevanten Informationen
integrierte Werum sein Realtime-Datenbanksystem BAPAS®-DB. Neben der Verwaltung
von Informationen über die Sensoren und Aktoren enthält das System
auch eine Komponente für das Management von Testdaten. Diese verwaltet
alle sonstigen Informationen über Konfiguration der Prüfstände,
durchgeführte Experimente und deren Messergebnisse. Die Benutzerverwaltung
schließlich erlaubt das Einrichten und Verwalten verschiedener Benutzer mit
unterschiedlichen Rollen und Rechten.
Diese Informationen werden in grafisch geführten Dialogen erfasst und verwaltet.
|
|
| Die Sensordatenbank
|
|
|
|
Die Sensordatenbank ist eine Kernkomponente des Testdatenmanagementsystems.
Sie verwaltet alle Sensoren, Aktoren und Verstärker sowie die Konfigurations-
und Messdaten. Darüber hinaus ermöglicht sie dem Anwender, aus dem Pool der
am Institut zur Verfügung stehenden Sensoren den für seinen Zweck
geeigneten Sensor auszuwählen und zu parametrieren. Um auch auf
die speziellen Anforderungen beim Einsatz handelsüblicher Sensoren
in physikalischen Grenzbereichen eingehen zu können, erlaubt die
Sensorverwaltung neben der Pflege von Standardlinearisierungspolynomen
auch die Pflege und Verwendung angepasster Polynome. Damit ermöglicht
sie dem Anwender eine Verwendung auch in Extremsituationen.
|
|
| Testdatenmanagement
|
|
|
Das Testdatenmanagementsystem gibt dem Anwender alle Funktionen an die
Hand, um die zu einem Versuch gehörenden Messergebnisse im Zusammenhang
mit den zu Grunde liegenden Konfigurationsinformationen gemeinsam zu verwalten.
|
|
| Einsatzbereiche und Applikationen
|
|
|
Das vorgestellte System kommt im Bereich der Forschung zur Erfassung
und Analyse von thermodynamischen Vorgängen mit Gasen und Flüssigkeiten
zum Einsatz. Auf Grund seines modularen und parametrierbaren Konzeptes
ist es auch auf andere Prozesse und Anwendungsbereiche übertragbar.
Mögliche Applikationen finden sich zum Beispiel in Prüfständen für
- Turbomaschinen und Verdichter für die petrochemische Industrie
- Gas- und Dampfturbinen für die Energie und Wärmeerzeugung
- Jet Engine Test Beds für die Entwicklung und Wartung von Flugzeugtriebwerken
- Raketen- und Satellitentriebwerke
|
|
| Eingesetzte Technologien
|
|
|
Datenerfassungskarten von National Instruments
- NI PCI/PXI 607xE
- NI PCI/PXI 653x
- NI SCXI Signalkonditionierung
- NI SCC Signalkonditionierung
Software
- LabVIEW® 6.x, National Instruments
- BAPAS®-DB Realtime-Datenbank, Werum Software & Systems
- Windows 2000® Professional, Microsoft
Rechnersysteme
- Standard-Industrie-PC
- Einzel- und Doppelprozessorsysteme
|
|
| Weitere Informationen
|
|
Mehr Informationen zum Institut für Raumantriebe:
www.la.dlr.de/en/ra/
|
DLR
zum Seitenanfang