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Ralf HoffmannMetamodelle in einem cyber physischenRelais- System “Digitaler Zwilling”

präsentiert zu den 14. Weimarer Optimierungs- und Stochastiktagen 2017 Quelle: www.dynardo.de/library

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Inhalt

1 – Definition, Ziel, Motivation

2 – Beschreibung Methode, Lösungsansatz

3 – Simulationsmodell

4 – Demonstrator “Digitaler Zwilling”

5 – Zusammenfassung, Ausblick

2

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PHOENIX CONTACT

Über uns

Ein privat geführtes

Unternehmen

1923 gegründet

mit hoher

Wertschöpfungstiefe

Umsatz 2016 1,97 Mrd. €

Mitarbeiter 15.000 weltweit, ca. 50% in Deutschland

Hauptsitz Blomberg OWL

Weltmarktführer in der

elektrischen

Verbindungstechnik und

Automation.

3

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Cyber-physisches System

=

Verbund

informatischer und

mecha(tro)nischer

Teile

die über eine Dateninfrastruktur

(z. B. das Internet)

kommunizieren

Begriffsbestimmung (VDI/VDE-Gesellschaft)

1. Definition

© VDI 2013

4

Referenzarchitektur Industrie 4.0 (RAMI 4.0)

© BMWI 2016 IEC 62890I

Geschäftsprozesse

Funktionen

Daten

Kommunikation

Digitalisierung

Physische Dinge

Produktlebenszyklus

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Ziel:

1. Ziel - Motivation

5

Verhaltensmodell eines

Sicherheitsschaltgerätes

Beispiel: Kontaktlebensdauer

Realisierung durch Verknüpfung eines

Simulationsmodells mit einem

real schaltenden Relais

Dies ermöglicht die Vorhersage

von Fehlern

Schaltgerät

Messwerte Import / Export (*.csv)

PxC Interface “QDM”

Simulation

Analyse

Optimierung

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Kontaktverschleiss

Mechanik

Temperatur

Elektromagnetik

2. Beschreibung Methode

Physikalische Domains im Relais:

Dynamik

Systemverhalten Mechanische

KennwerteAnkerposition

Kontaktabstand…© Wikipedia

Empirische Modelle

Kontaktwiderstand (Holm)

Lichtbogen (Rieder)

© El. Kontakte Springer Verl.

U = s1/1.57 * 0.00385-1/1.57 * I-0.49/1.57 + UM

𝑅𝑘 = 280𝑟 𝐸/(𝐹𝑘 − 𝑟)

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2. Beschreibung Methode

Modellerstellung FEM Modelle koppeln:

Berechnung (wiederholend) des komplexen Verhaltens der gekoppelten Einzelsysteme

mittels FEM

- hoher Modellaufwand; hohe Rechenzeit; sehr viele Freiheitsgrade ( >10e6 )

- kleine Zeitschritte, viele Rechnungen, nicht echtzeitfähig

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© CADFEM -ANSYS Usersmeeting 2006 - 2016

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Berechnung (einmalig) mittels FEM: Wissen / Information aus 3D Simulation als Basis

Projektion der Werte einzelner Freiheitsgrade ausgewählter Punkte

in Reduced Order Model (ROM) wenige Freiheitsgrade (< 1e3)

-Mechanisch: State Space Matrix (Zustandsmatrix aus harmonischer Analyse)

-Elektromagnetisch:ECE (Equivalent Circuit Extraction)

-Temperatur: Krylov Subspace (MOR for ANSYS)

-Software: functional moc-up unit (FMU)

-Datenbasierte ROM: (Metamodelle)

Kopplung der Einzelsysteme auf Systemebene mit ANSYS-Simplorer

Modellerstellung Modelle reduzierter Ordnung (ROM):

2. Beschreibung Methode

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LD-MOP Simu

0

00

0

0

0

0

0

0 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

VWAOT_uzVWOT_uz

VWANC_uzVWNC_uz

MP_uz

OTBet_uz

NC1_uz

NC2_uz

RF_uz

AL_roty

S

+

MP_uz

0.00 10.00 20.00Time [ms]

-0.65

0.00

0.65

MP

_uz.S

[m

m]

Curve Info

MP_uz.STR

Gap_RF

LIMIT_Anker_NC_VW

LIMIT_Anker_OT_VW

NC1_Kontakt

NC2_Kontakt

F+

S_ROTB3

Current1_N1

Current1_N2

T1_N1

T1_N2

R1

A

AM10.00 10.00 20.00

Time [ms]

0.00

0.01

0.02

AM

1.I

[A

]

Curve Info

AM1.ITR

AHF

+ F AWin

Ankeranschlag

T

AnkerTorque

Lagerreibung

MASS_Betaet

BetNO_uzNOCon_uz

S

+

NO_Cont

0.00 10.00 20.00Time [ms]

-1.25

-1.00

0.00

0.26

NO

_C

ont.

S [

mm

]

Curve Info

NO_Cont.STR

Vosrp_NO_BetaetNO_Kontakt

10.00 15.00 20.00 25.00Time [ms]

0.00

200.00

381.40

NO

_K

onta

kt.

F [

mN

ew

ton]

Curve Info

NO_Kontakt.FTR

LIMIT_Betaet_OT

S

+

SM_TRB10

NO

NC2NC1

E1A10.00 15.00 20.00 25.00

Time [ms]

0.00

1.25

2.25

AM

_Last.

I [A

]

Curve Info

AM_Last.ITR

R3

A

AM3

R5

DAMP_TRB4 DAMP_TRB5

DAMP_TRB1

DAMP_TRB3DAMP_TRB2

CONST

Holm

Rk_NC1

Rk_NC2

RkNO

R_Last

STATE_start

TRANS_ein

TRANS_ausSTATE_Aus

TRAN_ein

ST

tein2

SET: t2:=tTRANS_aus2

ST

tein1

SET: tein1:=t

SET: NO_1:=MP_uz.S

DAMP_TRB6

KA_Reed_Strom

FF_Reed_Strom

FMag_uz Zweg_uz

Fix_uz

Current1_N1

Current1_N2

Fz_Mag_N1

Fz_Mag_N2

A

AM4

F

FM_TRB1

S

+

SM_TRB1

GAIN

Wicklung

CONST

Holm_Reed_NO

Reed_Strom

Rk_Reed_Strom

E4

R2

10.00 15.00 20.00 25.00Time [ms]

-3.50

-2.00

0.00

R2.V

[V

]

Curve Info

R2.VTR

L_Last

PWM

PWM1

CONST

wait

CONST

Ein

CONST

Pause

CONST

Aus

I_Last

Temp

UHS

t_Prell_S

Ssp_50P

CONST

LD_Relais

1

Time [ms] 25

LD_Relai... 18...

Abs

Abs_Fluss

Yt

I_NO

0.00 10.00 20.00Time [ms]

Curve Info

I_NO.V...TR

CONST

tp

CONST

ILast

0.00 10.00 20.00Time [ms]

0.00

1.00

2.00

ILast.

VA

L

Curve Info

ILast.VALTR

Yt

Reed

0.00 10.00 20.00Time [ms]

Curve Info

Reed.VALTR

Yt

U_NC

0.00 10.00 20.00Time [ms]

Curve Info

U_NC....TR Yt

U_NO

0.00 10.00 20.00Time [ms]

Curve Info

U_NO....TR

Yt

U_L

0.00 10.00 20.00Time [ms]

Curve Info

U_L.VALTR

Yt

U_B

0.00 10.00 20.00Time [ms]

Curve Info

U_B.VALTR Yt

T_U

0.00 10.00 20.00Time [ms]

Curve Info

T_U.VALTR

R4

C1

R6 R7

NPN6_1

R8R9

C2

D1

Dummy_R

E5

C4

C_Coil

C3

E6

D2D3

CONST

OT_NO1

1Time [ms] 25....

CONST

OT_NO2 1Time [ms] 25.00...

ST

tein_mess1

SET: tein_mess1:=t

TRANS_Mess_aus2

ST

tein_mess2

SET: tein_mess2:=t

TRAN_Mess_ein

STATE_Mess_Aus

TRANS_Mess_ausTRANS_Mess_ein

STATE_Mess_start

CONST

OT_NO

1Time [ms] 25

Schaltgerät

3. Simulationsmodell

Elektronik

Logik

Elektromagnetik

ECE

Mechanik

sml

Elektronik

Last

Firmware

FMU

Temperatur

VHDL-AMS

MOR-ACT

Datenlink

“QDM”

Messung

Strom, Spannung, Temperatur…

Empirische Modelle:

Kontaktwiderstand

Lichtbogenbrenndauer

Kontaktverschleiß?

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Mechanische

Parameter?

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Kontaktlebensdauer schaltende Kontakte:

3. Simulationsmodell

Stand der Technik:Abschätzung der elektrischen

Lebensdauer von Relais mittels

Weibull-Charakteristik ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com

Electrical endurance DC13 4A

number of cycles

Fa

ilu

re

p

ro

ba

bilit

y [%

]

1,0E+2 1,0E+51,0E+3 1,0E+41,E-1

5,E-1

1

5

10

50

90

100

1,E-1

Wahrscheinlichkeit-Weibull

X7211 + 2233JWeibull-2PRRX SRM MED FMF=75/S=0

DatenpunkteWahrscheinlichkeits-Linie

Christian MüllerPhoenix Contact Electronics18.07.201614:42:59

10%

Konsequenzen:Lebensdauer des konkreten Gerätes kann

nur mit einer statistischen (Un)Sicherheit

abgeschätzt werden:

typ: 10%-Wert

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Kontaktlebensdauer Relais:

Lösungsansatz:Experimentell ermittelte Kontaktlebensdauer durch Metamodell(e) (MoP) in Kennfeld(ern) abbilden

3. Simulationsmodell

Test MoP FMU

Relaiskennwerte

Last

Umgebungsbedingungen

Ausfallverhalten

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Excel Add-In

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Kontaktlebensdauer Relais:

Kennfelder für verschiedene Lastbereiche und Lastarten

Einschaltvorgang / Ausschaltvorgang / Lastzuordnung

3. Simulationsmodell

ohmsch induktiv kapazitiv AC / DC

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Messung mechanischer Parameter des Relais im Gerät:

3. Simulationsmodell

Stand der Technik:Mechanische Messungen werden im Labor

am offenen Relais durchgeführt :

Problem:Messung im Gerät nicht möglich:

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Magnetfeld bei unterschiedlichen Ankerpositionen und Spulenerregungen

Bxyz(1,2) = f(Mxwin; Strom)

3. Simulationsmodell

Lösungsansatz:Mechanische Parameter im Gerät mit Magnetfeld messen

Bxyz2Bxyz1

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3. Simulationsmodell

Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:Bxyz(1,2) = f(Mxwin; Strom)

Strom=0

Strom=max.

Starke Eingangskorrelationen:Strom - Bx1z1

Bz2

Bx2

Bz1

Hub (mm)

Hub (mm)

B (T)

B (T)

Bx1

Mxwin

Strom

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Excel Add-In

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3. Simulationsmodell

Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen: MoP B(x12,z2) = f(Mxwin; Strom)

CoP Matrix Bx1,2; Bz2

stark korrelierte Eingangs-Parameter reduziert

Bz2=f(MxWin ; Strom) Bx1=f(MxWin ; Strom)

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Invertierbar?

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3. Simulationsmodell

Invertierung:

MoP: Mxwin=f(Bx12z2; Strom)

CoP=100%

Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:

Invertierung Mxwin=f(Bx12z2; Strom) Problem: Extrapolation Mxwin

ist eindeutig (injektive Abbildung)

-2.85° < Mxwin < 2.8°

MoP: Mxwin=f(Bx12z2; Strom)

CoP=96%

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Nr. Signalparameter CoP Extrapol.

Anzahl

Signale

Anzahl

Sensoren

1 Bx1x2z1z2 Strom 100 2 5 2

2 Bx1x2z2 Strom 100 2 4 2

3 Bx2-x1 Strom 69 1 3 2

4 Bx2z2 Strom 98 1 3 1

5 Bz2-x1 Strom 97 1 3 2

6 Bx2 Strom 96 1 2 1

7 Bx1x2 Strom 99 (2) 3 2

3. Simulationsmodell

Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:Invertierung – MoP

MoP-4:

Mxwin=f(Bx2z2; Strom)

MoP-6:

Mxwin=f(Bx2; Strom)

MoP-2:

Mxwin=f(Bx1x2z2; Strom)

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3. Simulationsmodell

Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:

Vergleich: Simulation - Messung

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3. Simulationsmodell

Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:Vergleich Simulation - Messung

20

MoP: Hub=f(Bx2; Strom)

CoP=100% Messung

WOST 2017 R. Hoffmann

Invertierung

MoP: Bx2=f(Hub; Erregung)

CoP=99% MessungMoP: Hub=f(Bx2; Strom)

CoP=100% Simulation

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LD-MOP Simu

LD-MOP Mess

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Gap_RF

F+

S_ROTB3

Current1_N1

Current1_N2

T1_N1

T1_N2

RCoil

AHF

+ F

AWin

Ankeranschlag

T

AnkerTorque

NO

NC2NC1

E1A

10.00 15.00 20.00 25.00Time [ms]

0.00

1.00

2.00

AM

_L

as

t.I

[A]

Curve Info

AM_Last.ITR

R3

A

AM3

R5

CONST

Holm

Rk_NC1

Rk_NC2

RkNO

R_Last

STATE_startTRANS_ein TRANS_aus

STATE_AusTRAN_ein

tein2

SET: t2:=tTRANS_aus2

tein1

SET: tein1:=tSET: tein1_simu:=Uhr.V

DAMP_TRB6

KA_Reed_Strom

FF_Reed_Strom

FMag_uz Zweg_uz

Fix_uz

Current1_N1

Current1_N2

Fz_Mag_N1

Fz_Mag_N2

A

AM4

F

FM_TRB1

GAIN

Wicklung

CONST

Holm_Reed_NO

Reed_Strom

Rk_Reed_Strom

E4

10.00 15.00 20.00 25.00Time [ms]

-3.50

-2.50

-1.25

0.00

R2

.V [

V]

Curve Info

R2.VTR

L_Last

PWM

PWM1

CONST

Ein

CONST

Aus

Abs

Abs_Fluss

CONST

tp1

Time [ms] 35.000000

tp.VAL 3.521123

CONST

ILast

0.00 12.50 25.00Time [ms]

0.00

1.00

2.00

ILa

st.

VA

L

Curve Info

ILast.VALTR

Yt

Reed

5.00 7.00 9.00Time [ms]

Curve Info

Reed.VALTR

Yt

USP_p

5.00 7.00 9.00Time [ms]

Curve Info

USP_p....TR

Yt

U_L

0.00 12.50 25.00Time [ms]

Curve Info

U_L.VALTR

Yt

T_U

1

Time [ms] 35

T_U.VAL 21

C_CoilC3

D2

CONST

OT_NO1

1

Time [ms] 35.000000

OT_NO1.V... -0.000409

CONST

OT_NO2 1

Time [ms] 35.000000

OT_NO2.V... -0.000586

ST

tein_mess1

ST

tein_mess2

TRAN_Mess_ein

STATE_Mess_Aus

TRANS_Mess_aus

TRANS_Mess_ein

STATE_Mess_start

CONST

OT_NO_simu

1

Time [ms] 35

OT_NO_simu.V... 177

CONST

tp_mess

1

Time [ms] 35...

tp_mess.... 0....

Zeitmaschine

+

V

Uhr

1

CONST

LD_Relais_Mess1

1

Time [ms] 35

LD_Relais_Mes... 28178

CONST

LD_Relais_Simu1

1

Time [ms] 35

LD_Relais_Simu... 8158

I_Last

Temp

UHS

t_Prell_S

extrapolate

Ssp_50P

I_Last

Temp

UHS

t_Prell_S

extrapolate

Ssp_50P

CONST

extrapolate

Yt

U_NC1

0.00 10.00 20.00Time [ms]

Curve Info

U_NC1....TR

Yt

INO1

15.00 20.00Time [ms]

0.000.250.500.751.001.251.501.752.002.25

INO

1.V

AL Curve Info

INO1.VALTR

Yt

USP_m

5.00 7.00 9.00Time [ms]

Curve Info

USP_m....TR

AISP

0.00 10.00 20.00 30.00Time [ms]

0.00

0.01

0.02

ISP

.I [

A]

Curve Info

ISP.ITR

ST

tein_mess3

TRANS_Mess_ein1CONST

ILast1

Bx2

P15___strom1__A_

extrapolate

cutted_value_Hub

original_value_HubGAIN

Hub_mess

10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00Time [ms]

0.00

5.00

10.00

12.00

Hu

b_

me

ss

.VA

L

Curve Info

Hub_mess.VALTR

10.00 20.00 30.00Time [ms]

0.00

125.00

250.00

350.00

OT

_N

O_

sim

u.V

AL

Curve Info

OT_NO_simu.VALTR

0.00 12.50 25.00Time [ms]

Curve Info

tp.VALTR

1

Time [ms] 35.000000

ILast1.V... 2.040000

1

Time [ms] 35.000000

ILast.VAL2.000100

Metamodelle Kontaktlebensdauer und Wegmessung

Elektronik

Logik

Elektromagnetik

ECE

Mechanik

sml

Elektronik

LastFirmware

Kontaktlebensdauer

Kennfeld - MoP

3. Simulationsmodell

Datenlink

“QDM”

Messung

21

Empirische Modelle:

Kontaktwiderstand

Lichtbogenbrenndauer

Mechanische

Parameter

Bx2; Strom - MoP

Temperatur

VHDL-AMS

WOST 2017 R. Hoffmann

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Sicherheitsschaltgerät mit:

- Firmware

- Elektronik Komponenten

- Elektro-mechanischen Komponenten

4. Demonstrator

22

WOST 2017 R. Hoffmann

Kommunikations-Interface mit:

-Simulations-Model auf PC (Windows)

-Prognose Relais-Lebensdauer

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5,30

4,00

3,50

4,60

5,60

6,20

11,20 11,20

Anwendungsfall:

Relais prellt beim Einschalten: Gefahr von Kontakt - Verschweissung

4. Demonstrator

23

tp=1.592ms

tp=0.826ms

297 Schsp.

29343 Schsp.

WOST 2017 R. Hoffmann

6,20

5,30

4,00

3,50

4,60

5,60

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Grundsätzlicher Funktionsnachweis eines cyber physischen Relaismodells durch

einen Demonstrator ist erfolgt

Weitere Entwicklung:

Detaillierung der LD-Kennfelder (Dauerversuche)

Vereinfachung der Lastidentifikation (Reduzierung numerischer Aufwand)

Erweitertes Relaismodell

(Kontaktmodell; Lastkreisrückwirkung)

Echtzeitsanalyse / online Datenschnittstelle (MQTT)

4. Zusammenfassung - Ausblick

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WOST 2017 R. Hoffmann

6,20

5,30

4,00

3,50

4,60

5,60

6,20

11,20 11,20

CADFEM:

Dr. M. Hanke; Entwicklung der Simulationssoftware zur Nutzbarkeit in der Anwendung

Dynardo:

Hr. S. Marth; Unterstützung bei der Erzeugung der Metamodelle für Versuchsdaten und der

Modifikation der MoP zur Abbildung inverser Funktionen

Phoenix Contact Electronics:

Ch. Adam, Dr. S. Benk; S. Heinrich; Messungen und Programmierung der QDM-Schnittstelle

Danksagung

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WOST 2017 R. Hoffmann