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/