Special AVL

Der Rollenprüfstand als

Entwicklungsplattform

Durchgängige Entwicklungsplattform

für Motoren- und Fahrzeugversuch 842

Effizientes Testen für mehr Energieeffizienz –

Der Rollenprüfstand als mechatronische Entwicklungsplattform 847

„Einfaches und objektives Benchmarken“ 851Interview mit Christoph Schmidt und Uwe Schmidt, AVL Zöllner

Innovative Anwendung des Rollenprüfstands

für die Fahrbarkeitsabstimmung 853

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Durchgängige Entwicklungsplattform

für Motoren- und Fahrzeugversuch

Mit dem Ziel, Zeit bei der Fahrzeugentwicklung zu sparen, beschreiten Unternehmen zunehmend neue Wege, um Tests auf dem Motorenprüfstand und dem Fahrzeug-Rollenprüfstand direkt vergleichen zu können. Eine gemeinsame Plattform für die Prüflaufautomatisierung und die Datenverwaltung ist dafür die Voraussetzung. Anhand der Umsetzung für die Abgaszertifizierung erörtert dieser Beitrag den Nutzen, den eine Aufrüstung des Fahrzeug-Rollenprüfstands auf ein höheres Automatisierungsniveau bringen kann.

SPECIAL

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AVL

1 Synergien zwischen Motoren-, Antriebsstrang- und Fahrzeug-Rollenprüfstand

Die Entwicklung von Fahrzeugen und zu-gelieferten Systemen und Komponenten stützt sich auf umfangreiche Prüfungen. Dabei werden Antriebsstrangkomponen-ten zunächst einzeln, dann kombiniert und schließlich im kompletten Fahrzeug getestet. Dabei kommen verschiedene Entwicklungsumgebungen zum Einsatz: Hardware-in-the-Loop-, Komponenten-, Motoren-, Antriebsstrang- und Fahrzeug-Rollenprüfstände. Abschließend wird das Fahrzeug, einzeln oder in Flotten auf Test-strecken oder Straßen geprüft, um Serien-reife zu erlangen.

In jeder dieser Entwicklungsumge-bungen werden verschiedene Prüfaufga-ben durchgeführt. Zum Beispiel wird der Motorenprüfstand zur Entwicklung von Dauerfestigkeit und Thermodynamik verwendet. Der Motorenprüfstand wird auch zur Grundbedatung des Motorsteu-ergerätes herangezogen – oder um die Emissionsbildung bei instationären Be-triebspunkten frühzeitig zu betrachten.

Um die Entwicklungszeit zu verkür-zen, damit Kosten zu sparen und trotz-dem eine hohe Produktqualität zu ge-währleisten, soll der Produktentwick-lungsprozess immer effizienter werden. Ein Schlüsselelement dafür ist das soge-nannte „Frontloading“, also die Strate-gie, Bauteile in einem frühen Entwick-lungsstand bereits weitgehend auf Feh-lerfreiheit abzusichern. Damit kann die Anzahl von Prototypen verringert wer-den. Konstruktive Änderungen werden in einer viel früheren Phase des Prozesses angestoßen – was Kosten spart. Denn je später eine Komponente als fehlerhaft entdeckt wird, desto teurer wird die Be-hebung.

Dies erfordert jedoch eine moderne Werkzeugkette, die folgende Fähigkeiten besitzen muss:– hochgenaue Simulation der fehlen-

den Fahrzeugkomponenten am Prüf-stand (zum Beispiel der Fahrzeugan-triebsstrang auf einem Motorenprüf-stand)

– realistische Reproduktion der Umge-bungsbedingungen

– effizienten Unterstützung von Iterati-onsschleifen innerhalb des Entwick-lungsprozesses.

Der letztgenannte Punkt ist der Schlüs-sel, um die erwartete Effizienzsteigerung zu realisieren. Denn die Korrelation der Ergebnisse innerhalb der verschiedenen Phasen in den Entwicklungsumgebun-gen ist unbedingt sicherzustellen. So wer-den Abgaszyklen am Motorprüfstand durchfahren, die Emissionen dort opti-miert, aber zertifiziert wird das Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand. Zum Standard gehört auch, dass eine Fahrbarkeitsbe-wertung und die Antriebsstrangkalibrie-rung am Motoren-, Antriebsstrang- und Fahrzeug-Rollenprüfstand vorgenommen werden. Trotzdem erfolgt die finale Ab-stimmung weiterhin auf der Straße. Auch Klimatests an Motorenprüfstand und Fahrzeug-Rollenprüfstand werden mit Sommer-, Winter- und Bergerprobung ve-rifiziert.

Eine logische Umsetzung der Korrela-tion erfolgt durch die Verwendung einer gemeinsamen durchgängigen Simulati-onsplattform, Bild 1. Mehrfachentwick-lung und Wartung gleicher Modelle für nicht kompatible Entwicklungsumge-bungen werden vermieden.

Eine weitere Möglichkeit zur Produk-tivitätssteigerung ist die Verwendung ei-ner gemeinsamen Automatisierungs-plattform für alle Entwicklungsumge-bungen.

Charles Kammerer MSc. ist Produktmanager

für Testsystemautoma-

tisierung bei der AVL

List GmbH in Graz

(Österreich).

Roland Schmidt leitet die Anwendungs-

entwicklung für

Testinstrumente und

-systeme bei der AVL

Emission Test Systems

GmbH in Gaggenau

(Deutschland).

Ing. Gerald Hochmann

verantwortet die Appli-

kation von Motoren-

prüftechnik bei der

AVL List GmbH in Graz

(Österreich).

Die Autoren

Bild 1: Simulation im gesamten Entwicklungsprozess

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2 Gemeinsame Automatisierungsplattform

Die Automatisierung des Testsystems kann hinsichtlich der Softwarefunktio-nen in drei Ebenen unterteilt werden, Bild 2:– die Steuerung des Prüfstands und der

geprüften Einheit: der „Controller“– die Datenerfassung und Testautomati-

sierung: das Testautomatisierungssys-tem (TAS)

– die Anwendung (zum Beispiel ein Ab-gasprüflauf wie FTP 75).

Während der Controller spezifisch für die unterschiedlichen Arten von Prüf-ständen ist, bleibt der TAS erhalten. Da-her kann, vorausgesetzt es existiert eine einheitliche Systemarchitektur auf Mo-toren-, Antriebsstrang- und Fahrzeug-Rol-lenprüfstand, das gleiche TAS auf allen Prüfständen verwendet werden. Wenn man die Anwendung erfolgreich vom Controller abstrahiert, kann so die An-wendung dann von einer Prüfstandsart auf die nächste übertragen werden.

Die Prüflaufapplikation von einer Prüfstandsart zur nächsten zu übertra-gen, ermöglicht es, das Synergiepotenzi-als zwischen den unterschiedlichen Prüf-schritten zu bergen. Die Korrelation der Ergebnisdaten ist sichergestellt. Die ein-mal erarbeitete Testspezifikation – etwa zur Ermittlung der Schaltqualität – kann auf verschiedenen Prüfständen wieder-verwertet werden. Gleiches gilt für die Parameter zur Umgebungssimulation, beispielsweise Fahrzeugdaten für Motor- und Antriebsprüfstände.

Außerdem ergeben sich aus Skalier-barkeit und Standardisierung signifi-kante Vorteile, die alle Anteil an einer Verringerung der Gesamtbetriebskosten des TAS haben. So verringert sich der Schulungsbedarf durch die Verwendung einer einheitlichen Oberfläche und die Wartungskosten. Die Daten- und IT-Infra-struktur kommt über den gesamten Pro-duktentwicklungsprozess hinweg zum Einsatz.

Die Prozessverwaltung, also Zeitpla-nung, Gerätemanagement und Überwa-chung, kann durch einheitliche Pro-gramme erfolgen.

Auch wenn das „Frontloading“ viele früher auf dem Fahrzeug-Rollenprüf-stand durchgeführte Prüfaufgaben re-duziert hat, so bleibt dessen Einsatz

mehr denn je ausschlaggebend für die Verifikation von Ergebnissen, die zu einem früheren Zeitpunkt im Prozess erzielt wurden. Außerdem können Er-gebnisse aus Straßenversuchen am Fahr-zeug-Rollenprüfstand genauer unter-sucht werden.

Ein Beispiel stellt die Anwendung zur Bewertung von Schaltqualität und Fahr-barkeit dar. Die Möglichkeit, eine solche Anwendung auf einem Fahrzeug-Rollen-prüfstand zu automatisieren, kann signi-fikante Produktivitätssteigerungen mit sich bringen und dabei helfen, mit den steigenden Anforderungen für die Ge-triebekalibrierung umzugehen.

Um den Fahrzeug-Rollenprüfstand so einzusetzen, muss das TAS Prüfläufe zwi-schen Motoren-, Antriebsstrang- und Fahrzeug-Rollenprüfstand austauschen und die Testergebnisse in Korrelation set-zen können. Im Fahrzeug aufgezeichnete Straßenprofile müssen auf den Fahrzeug-Rollenprüfstand übertragen und dort re-pliziert werden können – etwa um Dauer-

lauftests zu ergänzen. Rahmenstruktur und Schnittstellen zur Kalibrierwerk-zeugkette (zum Beispiel automatische Kalibrierungssoftware, direkter Zugang zu xCU und Applikationssystemen) soll-ten ebenso bereit gestellt werden wie die Anbindung zu den Subsystemen des Fahrzeug-Rollenprüfstands (zum Beispiel Abgasanalyse, Fahrerroboter, Messgeräte, Fahrzeugbussysteme, Gebäudeleit- und Konditioniersysteme).

Bisher war die Automatisierung des Fahrzeug-Rollenprüfstands sehr häufig auf reine Datenerfassung reduziert, wäh-rend die Prüfstandssteuerung dem Reg-ler und dem Fahrer oder Robotersystem überlassen blieb. Um jedoch die obigen Anforderungen zu erfüllen, wird ein TAS für den Fahrzeug-Rollenprüfstand benö-tigt, das in der Lage ist, den Prüfstand vollständig zu automatisieren und die erforderliche Kompatibilität anderer Prüfstandsarten im Hinblick auf Archi-tektur (also Abstraktion der Anwendung) und Datenformate bereitstellt.

Bild 3: Architektur der Softwarelösung für Fahrzeug-Rollen-prüfstände

Bild 2: Die Architektur einer gemeinsamen Automatisierungsplattform

SPECIAL

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AVL

3 Die Lösung von AVL

Der Lösungsansatz von AVL ist die Ver-wendung von PUMA Open als Automati-sierungsplattform für Prüfstandsver-suche: vom Komponentenprüfstand über den Motoren- und Antriebsstrangprüf-stand bis hin zum Fahrzeug-Rollenprüf-stand. Während PUMA Open als TAS für Komponenten-, Antriebsstrang- und Mo-torenprüfstände gut bekannt und etab-liert ist, war die Erweiterung auf Rollen-prüfstände erforderlich, um die Anforde-rungen einer gemeinsamen Automatisie-rungsplattform zu erfüllen. Aufgrund des modularen Konzepts und Skalierbar-keit lässt sich PUMA Open für eine breite Vielfalt von Fahrzeugprüfungen anpas-sen: von der einfachen Messwerterfas-sung bis hin zur fortgeschrittenen Opti-mierung der Antriebsstrangkalibrierung. Dabei wird die bekannte Leistungsfähig-keit und ein hohes Maß an Automatisie-rung auf dem Prüfstand sichergestellt.

3.1 Integration in den RollenprüfstandscontrollerAbhängig von der Anwendung und dem erforderlichen Automatisierungsgrad kann eine feste Integration des Rollenprüf-standsreglers in das TAS erforderlich sein. Bei Anwendungen wie der Abgaszertifizie-rung, bei denen der Fahrzeug-Rollenprüf-stand meist im Straßenlast-Simulations-modus verwendet wird, gestattet die AK-Schnittstelle, die durch PUMA Open be-reitgestellt wird, einen Anschluss an Rol-lenprüfstände verschiedener Hersteller, ohne dass eine komplexe Integration er-forderlich ist.

Jedoch ist bei Anwendungen, bei denen eine Reihe unterschiedlicher Steuermodi zu verwenden und dynamisches Umschal-ten zwischen ihnen erforderlich ist, eine festere Integration des Rollenprüfstands-reglers in das TAS erforderlich. Dies wird durch eine Hochleistungsschnittstelle zwischen dem AVL-Zöllner-Rollenprüf-standsregler VECON und PUMA Open er-reicht, Bild 3. VECON ist die neueste Ver-sion der Controller-Software von AVL Zöll-ner. Sie verwendet die gleiche Technik, wie sie auch von anderer AVL-Software verwendet wird, und führt insbesondere alle fortschrittlichen Steueralgorithmen in der AVL-Echtzeitumgebung (ARTE) aus. Dadurch werden Geschwindigkeit, Genau-igkeit und Stabilität signifikant gesteigert.

Die Kombination von VECON und PUMA Open durch eine Echtzeitschnittstelle ge-stattet es, auf einem Fahrzeug-Rollenprüf-stand den gleichen Automatisierungs-grades und Dynamik wie auf einem Mo-toren- oder Antriebsstrangprüfstand zu erreichen – wobei die Reproduzierbarkeit von Tests auf dem Fahrzeug-Rollenprüf-stand deutlich gesteigert wird. Diese Leis-tungssteigerungen sind ein Muss für inno-vative Anwendungen auf den Rollenprüf-ständen: Fahrbarkeitsbewertung, Optimie-rung der TCU-Kalibrierung oder manöver-basierte Prüfungen durch fortgeschrittene Straßen- und Fahrersimulation. Durch ei-ne generische Schnittstelle zur Belastungs-einheit über Hybrid- oder Profibus-DP zum Steuerschrank kann die Kombination von VECON und PUMA Open auch verwendet werden, um bestehende Rollenprüfstände zu modernisieren, während die erforder-lichen Investitionen vergleichbar gering gehalten werden.

3.2 Steuerung des FahrzeugsDie Steuerung des Fahrzeugs ist abhängig von der Anwendung. Fährt ein Mensch, wie bei der Abgaszertifizierung, überträgt PUMA Open das auszuführende Profil auf das Fahrerleitgerät und synchronisiert seine Ausführung mit den Datenerfas-sungs- und Gerätesteuerungsaufgaben. TAS gibt ein Fahrprofil vor, das eine sehr gute Synchronisierung zwischen Fahrpro-filausführung, Datenerfassung, Steue-rung der Befehle für Geräte und Subsyste-me garantiert. Ist der Fahrzeug-Rollen-prüfstand komplett automatisiert, etwa bei einem Dauerlauftest, integriert PUMA Open den Fahrzeugregler „EMCON“, der den menschlichen Fahrer ersetzt, und übernimmt damit die Betätigung von Kupplung, Bremse und Gangauswahl. Der Regler ist von der Betätigung selbst abstra-hiert, die entweder über mechanische Ak-tuatoren oder unter Verwendung eines E-Gas-Systems realisiert wird.

Datenerfassung PUMA Open unterstützt Bustechnologie des Industriestandards wie CAN, Profi-

bus oder FireWire sowie ASAM-fähige Schnittstellen für ECU/TCU-Applika-

tions- und Diagnosesysteme (MCD3MC und MCD3D) oder für automatische

Kalibrierungstools (ACI) gemäß dem Stand der Technik.

Echtzeitausführung Die Erstellung eines Prüflaufs erfolgt einfach durch einen grafischen Block-

sequenzeditor, wodurch der Bedarf an Programmierfähigkeiten vermieden wird.

Selbst komplette Straßenprofile können direkt in den Prüflauf importiert wer-

den, wodurch eine Echtzeitreplikation von Straßendaten ermöglicht wird.

Außerdem ermöglicht es die Echtzeitplattform, die Restbussimulation durch-

zuführen, die für Entwicklungsaktivitäten in höchstem Maße erforderlich ist.

Echtzeitüberwachung Nicht nur begrenzt auf die Kanalüberwachung mit benutzerdefinierbaren

Reaktionen, verfügt PUMA Open auch über fortgeschrittene Überwachungs-

funktionen wie Referenzzyklusüberwachung oder Online-Klassifizierung,

wodurch die Analyse des Verhaltens eines bestimmten Fahrzeugs zusammen

mit seiner gesamten Versuchslebensdauer vereinfacht wird.

Integration Über die Verfügbarkeit zahlreicher Gerätetreiber und Standardmessgeräte wie

Kraftstoffverbrauch oder Abgasanalyse kann sie leicht mit dem TAS verbunden

und ihre Steuerung und ihr Betrieb mit der Prüflaufdurchführung synchronisiert

werden. Außerdem verfügt PUMA Open über einen konfigurierbaren Geräte-

treiber, der dem Benutzer die Möglichkeit bietet, jedes AK-basierte Gerät mittels

eines Assistenten anzuschließen. Außerdem können über eine Zustandsauto-

maten-basierte Echtzeit-Prüfstandssteuerung Konditioniersysteme, automatische

Kraftstoffbefüllung, Klimatisierungssysteme und weitere PLCs fest integriert und

gesteuert werden, wodurch eine exakte Kontrolle der Prüfbedingungen garantiert

wird.

Ergebnisevaluierung Unter Verwendung von ASAM-ODS als Datenstruktur können Ergebnisse auf

einem Datenhost zentralisiert werden, den sich unterschiedliche Prüfstände

oder Testfelder teilen, wodurch die Ergebnisse nicht nur auf dem Prüfstand,

sondern auch im Büro zur Evaluierung und automatischen Berichterzeugung

zur Verfügung stehen.

Datenintegration Das Hostsystem bietet einen zentralen Datenspeicher für alle Parameter:

Fahrzeugparameter, Roboterfahrzeug-spezifische Konfigurationen, Prüfläufe und

Testprofile etc. Der Hauptvorteil der Zentralisierung ist die Fähigkeit, einen Test

auf einem Fahrzeug-Rollenprüfstand zu starten und ihn auf einem anderen zu

beenden, wobei automatisch alle notwendigen Informationen übertragen und die

Ergebnisse wie erforderlich angefügt werden.

Tabelle: Automatisierung von Fahrzeug-Rollenprüfständen durch PUMA Open

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Während die Reglerebene prüfstands-spezifisch ist, demonstriert die gemein-same Automatisierungsplattform die exakt gleichen Automatisierungsfähig-keiten auf TAS-Niveau auf allen Arten von Prüfständen. Daher bietet PUMA Open auf einem Fahrzeug-Rollenprüfstand fort-geschrittene Automatisierung und Inte-grationsfähigkeiten, Tabelle.

Die Verfügbarkeit von Automatisie-rungsfunktionen auf hohem Niveau auf dem Fahrzeug-Rollenprüfstand ebnet nicht nur den Weg für eine gemein-samen Plattform aus Sicht des Entwick-lungsprozesses, sondern sie unterstützt auch den Trend zur Ein-Mann-Betreuung mehrerer Rollenprüfstände.

Die Verbindung von PUMA Open als Integrationsplattform, des Rollenprüf-standsreglers VECON und eines Roboter-systems zentralisiert die Automatisie-rungsaufgaben. Die einfachere Gesamt-systemarchitektur entlastet Betrieb und ihre Wartung. Zum Beispiel kann heute das gleiche Testprofil an mehreren Orten definiert werden, und zwar unter Verwen-dung unterschiedlicher Formate und Edi-toren: auf dem Fahrerleitgerät, dem Rol-lenprüfstandsregler, dem Fahrroboter oder dem Abgasautomatisierungssystem. Dadurch, dass ein Automatisierungssys-tem zentral alle anderen Subsysteme steu-ert, wird das Testprofil wie auch alle ande-ren Parameter einmal definiert und zen-

tral gespeichert. Dies bietet außerdem die Möglichkeit, mehrere Anwendungen mit einem Fahrzeug-Rollenprüfstand abzude-cken: eine Dauerlauf-Rolle, die sich Para-meter mit der wesentlich teueren Abgas-zertifizierungsrolle teilt, kann nun ver-wendet werden, um sogenannte Vorberei-tungszyklen abzudecken, oder ein hoch-automatisierter NVH-Rollenprüfstand kann zur Optimierung der Schaltqualität verwendet werden.

4 Abgastests auf Rollen- und Motorenprüfständen

Die neue Abgas- und Prüfstand-Automati-sierungstechnik iGEM, Bild 4, kommt in der Motor- und Fahrzeugentwicklung zum Einsatz, um automatisierte Abgasmes-sungen durchzuführen. iGEM ist für Pkw- wie Nutzfahrzeug-Motoren das Software-paket für automatisierte Abgasmessung. Eine gemeinsame Automatisierungsplatt-form und ein globaler Ansatz im Umgang mit Ergebnisdaten können anhand dieser Applikation dargestellt werden.

Die Software zur Abgasautomatisie-rung, iGEM, wird zusätzlich zur gemein-samen Automatisierungsplattform PUMA Open verwendet. Das Motorenprüfstand-Automatisierungssystem sowie die Ab-gasausrüstung erfüllen die neue US-Ge-setzgebung EPA CFR, Teil 1065. Aufgrund

einer innovativen Architektur, die eine komplette Abstraktion der Anwendung vom Prüfstand ermöglicht, sind die iGEM-Anwendungspakete vollständig un-abhängig von der Art und Konfiguration des Prüfstands. Die Softwarelösung, auf-gebaut auf PUMA Open, besteht aus fol-genden Komponenten:– iGEM Vehicle am Fahrzeug-Rollen-

prüfstand– iGEM Engine am Motorenprüfstand– Graphikeditoren für Prüfzyklen und

Prüfläufe– PUMA HOST-System zur Datenzentra-

lisierung– iGEM Offline zur Offline-Abgasevalu-

ierung– CONCERTO zur Berichterstellung– Emission Bench Handler für intelli-

gente Abgasprüfstandsteuerung– iGeneration-Emissionsanalyse.Am Fahrzeug-Rollenprüfstand kommuni-ziert iGEM Vehicle über eine AK-Schnitt-stelle von PUMA Open mit dem Rollen-prüfstand. iGEM Vehicle bereitet den Fahr-zeug-Rollenprüfstand für den Prüflauf vor, indem die Rollenprüfstandparameter wie Masseträgheit und Straßenlastkoeffizien-ten aus einer zentralen Datenbank abge-rufen und eingestellt werden. Um exakte Abgaswerte sicherzustellen, kommuni-ziert iGEM Vehicle während des Prüflaufs mit 10 Hz mit dem Rollenprüfstandsreg-ler. Bei Zertifizierungsläufen wird am Ende des Prüflaufs ein Auslauftest durch-geführt, wodurch die korrekte Parameter-einstellung bestätigt wird.

5 Zusammenfassung

Die gemeinsame Automatisierungsplatt-formstrategie unterstützt effizient den Be-darf an kürzeren Entwicklungsdurchläu-fen. Indem die Rollenprüfstände näher an die Motoren- und Antriebsstrangprüfstän-de herangebracht wurden, sind signifi-kante Einsparungen durch die Wiederver-wendung der Prüfspezifikation, die Korrela-tion von Testergebnissen und eine Standar-disierung der Prüfwerkzeuge und -metho-den ermöglicht. iGEM erhöht jedoch auch signifikant Anwendungs- und Applika-tionsbereich von Rollenprüfständen, wo-durch diese sich für neue Anwendungen öffnen, wie die Schaltqualität- und Fahr-barkeitsbewertung oder die Optimierung der Antriebsstrangkalibrierung.

Bild 4: Das Automatisierungssystem PUMA Open mit iGEM Vehicle für die Fahrzeug- Abgaszertifizierung

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