底盤是影響車輛性能的關(guān)鍵因素，最終也塑造了品牌的辨識度。因此，梅賽德斯-奔馳在研發(fā)道路上始終秉持著精益求精的態(tài)度，不遺余力地在多個(gè)精密的試驗(yàn)臺上對底盤特性進(jìn)行全方位測試。梅賽德斯-奔馳和系統(tǒng)集成商 DynoTec Prüfstandstechnik 采用倍福的 EtherCAT、TwinCAT 和 ELM 系列精密測量端子模塊進(jìn)行升級改造。
在位于德國辛德爾芬根的梅賽德斯技術(shù)中心（MTC），車橋在四個(gè)精心設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺上接受最高精度的檢測，同時(shí)進(jìn)行道路測試和仿真。其目旨在驗(yàn)證制造流程，深入分析車輛所特有的異常現(xiàn)象，進(jìn)而精準(zhǔn)識別并確定引發(fā)這些異常現(xiàn)象的具體部件。為此，開發(fā)人員以極高的精度和可重復(fù)性對車輛施加力/位移和扭矩，并監(jiān)測和詳細(xì)記錄車輛所產(chǎn)生的各種反應(yīng)。這樣就可以快速、可靠地記錄底盤的懸掛系統(tǒng)、運(yùn)動學(xué)和彈性運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)。此外，這些數(shù)據(jù)還能以特性圖、特性曲線和特性數(shù)據(jù)集的形式對進(jìn)行全面而客觀的呈現(xiàn)與解析。隨后詳細(xì)比對大約 90 項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)與車輛的數(shù)字孿生模型。此舉不僅保護(hù)了研發(fā)車輛/樣車的安全，而且也極大地保障了梅賽德斯-奔馳汽車駕駛特性這一關(guān)鍵領(lǐng)域的數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)過程。“因此，試驗(yàn)臺在梅賽德斯-奔馳汽車的開發(fā)流程中扮演著至關(guān)重要的角色，確保部件設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)臺測試和道路性能等參數(shù)能夠協(xié)同工作。”梅賽德斯-奔馳位于辛德爾芬根的底盤分析團(tuán)隊(duì)成員 Uwe Lochner 強(qiáng)調(diào)道。
駕駛動態(tài)特性試驗(yàn)臺精密改裝背后的“智囊團(tuán)”：梅賽德斯-奔馳底盤分析團(tuán)隊(duì)的 Uwe Lochner（第一排左起）和辛德爾芬根梅賽德斯-奔馳底盤分析團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Dr.-Ing. Frank Dettki、Walter Selg（第二排左起）和 DynoTec Prüfstandstechnik 公司總經(jīng)理 Rainer Fischer 以及倍福巴林根分公司銷售工程師 Dieter Völkle
在檢查底盤時(shí)，首先使用前軸千斤頂將車輛架設(shè)在試驗(yàn)臺上，然后通過四個(gè)液壓千斤頂進(jìn)行精準(zhǔn)定位并牢固固定。然后加載和精確測量車橋。“當(dāng)我們提及精度二字，我們指的是以極高的采樣率進(jìn)行測量，確保距離誤差不超過 0.1 毫米，角度誤差控制在 0.1° 以內(nèi)，并且在頻率低于 2 Hz 時(shí)仍能保持這樣的高精度。”負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和實(shí)施升級改造的系統(tǒng)集成商 DynoTec Prüfstandstechnik GmbH 總經(jīng)理 Walter Selg 解釋道。在激勵(lì)階段，大量傳感器同步工作，精準(zhǔn)地記錄位移、角度、力和扭矩等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)都通過倍福基于 PC 的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步顯示在試驗(yàn)臺的顯示器上，供操作人員即時(shí)參考與分析，并同時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。“在測試運(yùn)行結(jié)束后，系統(tǒng)會自動處理所有測量值，并在結(jié)果報(bào)告中清晰顯示任何可能存在的超限情況。”Walter Selg 補(bǔ)充道。基于詳盡的測試結(jié)果分析，Uwe Lochner 與其團(tuán)隊(duì)成員將共同評估并決定車輛是否需要繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步測試，或者需要更深入的分析以及必要的機(jī)械調(diào)整與優(yōu)化。
分階段升級改造
梅賽德斯-奔馳運(yùn)用戴姆勒股份公司精心研發(fā)的 Hydromat 信號處理組件，對試驗(yàn)臺的特定部分實(shí)施了多次升級與優(yōu)化。Hydromat 是一種用于精密試驗(yàn)臺的模塊化控制系統(tǒng)，它全面集成了設(shè)定值輸入、測量值處理、輸出級控制以及監(jiān)控功能。早在 2000 年代初，試驗(yàn)臺的控制功能就已交由 dSpace 公司的 RCP（快速控制原型）系統(tǒng)處理。鑒于 Hydromat 系統(tǒng)其余功能的研發(fā)工作已告一段落，且備件采購的難度與當(dāng)前在用的控制系統(tǒng)不相上下，梅賽德斯-奔馳公司決定委托 DynoTec 公司，為試驗(yàn)臺量身定制并實(shí)施一套一套全新的、高度集成的自動化解決方案。現(xiàn)代化改造的關(guān)鍵前提在于：保留試驗(yàn)臺的模塊化設(shè)計(jì)。
“我們的初步方案是在市場上尋找一款能夠全面覆蓋 HHydromat 所有功能特性的系列產(chǎn)品。”Uwe Lochner 解釋道。此外，他們還需要更換長達(dá) 30 米的模擬信號線。“我們并沒有找到可以直接替代 Hydromat 的系列產(chǎn)品，但幸運(yùn)的是，我們在倍福發(fā)現(xiàn)了一套極具潛力的開放式自動化平臺與生態(tài)系統(tǒng)，它完美融合了 EtherCAT 端子模塊、控制器和開發(fā)環(huán)境。”Uwe Lochner 在回憶他參加的一次展會經(jīng)歷時(shí)說道。另一個(gè)重要的考量標(biāo)準(zhǔn)是 EtherCAT 協(xié)議的良好開放性。這意味著他們不必完全依賴倍福提供的組件。它們只需要配備與 RCP 系統(tǒng)連接的 EtherCAT 接口。
DynoTec 公司總經(jīng)理 Rainer Fischer 解釋道：“這讓我們有機(jī)會實(shí)現(xiàn)一種集成分布式數(shù)據(jù)記錄和數(shù)字測量信號傳輸功能的試驗(yàn)臺方案，它在布線和信號質(zhì)量上盡顯其卓越優(yōu)勢。”DynoTec 在驗(yàn)證和評估這一方案時(shí)， 研究了一系列關(guān)鍵問題：
有哪些理想的連接方法（同步/異步、主從、從從或分布式時(shí)鐘）可用于集成 RCP 系統(tǒng)？
不同制造商生產(chǎn)的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的信號質(zhì)量相較于當(dāng)前系統(tǒng)表現(xiàn)如何？
哪些 RCP 系統(tǒng)任務(wù) Runtime 是由配置產(chǎn)生的？
已過時(shí)的集中式 PLC 技術(shù)現(xiàn)已被分布式控制柜所取代，EtherCAT 端子模塊被巧妙地安裝控制柜的四個(gè)插孔上。控制柜內(nèi)集成了測量值采集和伺服閥控制組件，這些組件協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)對插孔在 x、y、z 三個(gè)軸向上的精確調(diào)節(jié)，以及繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)控制。PLC 任務(wù)以及相應(yīng)的 HMI 在 CX5140 嵌入式控制器上運(yùn)行。通過高性能硬件配置，可以在適合控制柜安裝的 CP2219 多點(diǎn)觸控面板型 PC 上詳細(xì)查看系統(tǒng)狀態(tài)和錯(cuò)誤歷史記錄。C5240 19 英寸抽拉式工業(yè) PC 用于完成測量任務(wù)并實(shí)時(shí)可視化測量結(jié)果。TwinCAT 3 HMI Server (TF2000) 軟件支持可視化功能。試驗(yàn)臺中的所有計(jì)算機(jī)都通過 TwinCAT ADS 與上一級操作計(jì)算機(jī)相連。在整個(gè)系統(tǒng)中，倍福控制系統(tǒng)用作主站，通過 UDP 通信觸發(fā) RCP 系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高水平的時(shí)間精度和控制質(zhì)量。
乍一看，試驗(yàn)臺的測量技術(shù)含量并不高：共有總采樣率為 680 ksps 的 136 個(gè)輸入通道；總采樣率為 180 ksps 的 36 個(gè)輸出通道
高分辨率和采樣率
ELM3xxx 測量端子模塊具備的高采樣率、EtherCAT 的高速數(shù)據(jù)傳輸能力以及直接在四個(gè)液壓千斤頂上進(jìn)行的簡單、緊湊和模塊化的數(shù)據(jù)記錄是 DynoTec 和梅賽德斯-奔馳選擇倍福的重要因素。“總而言之，我們的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)技術(shù)完美融合了傳統(tǒng) PLC 的功能與尖端的測量技術(shù)，確保了顯著的成本優(yōu)勢。”Rainer Fischer 總結(jié)道。“即便面對試驗(yàn)臺對測量技術(shù)提出的高帶寬和高分辨率的要求，我們的系統(tǒng)依然能夠輕松應(yīng)對。”倍福德國巴林根分公司負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的 Dieter Völkle 補(bǔ)充道。
在試運(yùn)行期間，系統(tǒng)最多可同步記錄 136 個(gè)測量通道，每個(gè)通道支持高達(dá) 5 ksps（可選 10 ksps）的采樣率，即總采樣率可達(dá) 680 ksps。此外，我們的系統(tǒng)還集成了 36 個(gè)設(shè)定值或輸出通道，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 5 ksps，同時(shí)還配備了約 300 個(gè)以 100 sps 速率記錄事后診斷數(shù)據(jù)的通道。每個(gè)試驗(yàn)臺上還外接了一個(gè)信號測量端子盒。每個(gè)測量端子盒有 16 個(gè)用于特殊測量技術(shù)的模擬量輸入和 16 個(gè)模擬量輸出。例如，這些輸出可提供任何測量通道，與安裝在車輛上的測量技術(shù)同步記錄輸出。
試驗(yàn)臺上的空間和時(shí)間總是有限的
結(jié)構(gòu)緊湊的 EtherCAT 端子模塊能夠顯著簡化信號記錄流程，并有效減少所需的空間。控制柜現(xiàn)在變得更加整潔，有助于快速排查和糾正故障。“我們節(jié)省了試驗(yàn)臺上五分之一的計(jì)算機(jī)控制柜。”Uwe Lochner 補(bǔ)充道。在車輛測試中，時(shí)間因素與空間因素同樣至關(guān)重要。而基于 PC 的控制技術(shù)的模塊化結(jié)構(gòu)也帶來了顯著優(yōu)勢，由于模塊化設(shè)計(jì)提高了組件的重用性和互操作性，因此能夠明顯加快轉(zhuǎn)換其它試驗(yàn)臺的過程。“相較于第一個(gè)試驗(yàn)臺的轉(zhuǎn)換過程，我們在轉(zhuǎn)換最后一個(gè)試驗(yàn)臺時(shí)成功將停機(jī)時(shí)間縮短 30% 以上。”DynoTec 公司的 Rainer Fischer 說道。
由于 TwinCAT Analytics Logger 已被規(guī)劃為下一擴(kuò)展階段的要使用的工具，我們未來將能夠便捷地訪問這四個(gè)測試臺的測量數(shù)據(jù)，從而能夠在日后進(jìn)行處理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄器配置簡單，可將所有測量數(shù)據(jù)流傳輸至中央存儲位置，因此也簡化了所有試驗(yàn)臺的后處理流程。通過 TwinCAT Analytics 可以在線分析歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)。
對于試驗(yàn)臺領(lǐng)域的佼佼者 DynoTec 而言，這個(gè)項(xiàng)目對測量技術(shù)和控制任務(wù)提出了極高要求，它的成功實(shí)施充分證明了使用 EtherCAT 測量端子模塊和基于 PC 的控制技術(shù)可以滿足各種高要求。Walter Selg：“倍福平臺具有出色的可擴(kuò)展性，讓我們能夠使用標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)高效實(shí)現(xiàn)任何規(guī)模的項(xiàng)目。”在另一個(gè)項(xiàng)目中，DynoTec 成功運(yùn)用 ELM3602 EtherCAT 端子模塊對采樣率高達(dá) 50 ksps 的三軸 IEPE 振動傳感器進(jìn)行了 1/3 倍頻程分析。
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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