Fraunhofer test zwaar materieel virtueel

De technologie maakt het ook mogelijk om storingen en kritische grenssituaties te testen zonder mens of machine in gevaar te brengen.

Het Fraunhofer Instituut voor Industriële Wiskunde ITWM in Kaiserslautern beschikt over een test-databank op basis van een hardware-in-the-loop (HiL) simulator. In principe kunnen alle machines en hun besturingen hier worden aangesloten op softwaresimulatie en virtueel worden getest.

"Met onze HiL-simulator kunnen we allerlei soorten zwaar materieel testen, waaronder een verscheidenheid aan kraantypes en betonpompen. Dit stelt ons in staat prototypes te helpen optimaliseren ", aldus projectmanager Christian Salzig. Een ‘echte’ testomgeving is niet meer nodig.

Digitale tweeling in de simulator

In de eerste stap wordt de te testen machine gereproduceerd als een softwaremodel, waarin alle technische specificaties zijn verwerkt, waaronder afmetingen, gegevens over motorprestaties, sterkte van de ondersteuningsstructuur, gewichtsverdeling, de hoeken waaronder de jibs bewegen, gieklengte en veel meer. De fysische wetten van mechanica, hydraulica en elektronica zoals krachten, drukken en stuursignalen zijn als wiskundige vergelijkingen in de software geïntegreerd. En zo ontstaat er een digitale tweeling.

In de volgende stap wordt de simulator met de digitale tweeling verbonden met de elektronische regeleenheden die de werking van de machine regelen. Een specialist bedient de controllers en joysticks, die ook op de control units zijn aangesloten. Een bewegende 3D-afbeelding geeft alle bewegingen van de machine weer op een display.

De HiL-simulatortest laat zien hoe nauwkeurig de besturingseenheid en de machine samenwerken en hoe gevoelig de bedieningselementen zoals joysticks zijn. Modern zwaar materieel is voorzien van een hele reeks sensoren die waarden registreren zoals het koppel en de versnelling van de jibs, de druk, het gewicht dat op de kabels wordt uitgeoefend en de helling van de grond onder de machine. Ook hier laat de simulatie zien of de sensorgestuurde communicatie tussen machine en besturingseenheid nauwkeurig en direct verloopt. Ook technische storingen kunnen worden gesimuleerd. Wat gebeurt er bijvoorbeeld als een kabel breekt bij een verbinding of als er drukverlies optreedt in de hydraulica van het hefelement?

Veiligheid en grenssituaties

Veiligheid speelt een sleutelrol. "Fabrikanten willen weten waartoe hun machine in staat is in grenssituaties en op welk punt dingen kritiek kunnen worden", zegt Salzig. Zo test de simulator wat er gebeurt als de lading heen en weer begint te slingeren of als er vloeistoffen in een transportcontainer klotsen. Het test ook hoe de apparatuur reageert als de grond onstabiel of hellend is. Zo moeten telescopische platforms hun stabilisatoren in kleine ruimtes plaatsen. Met hardware-in-the-loop-tests kunnen productontwikkelaars zien onder welke hoek de digitale tweeling onstabiel wordt of zelfs omvalt.

Zo kunnen fabrikanten de levensvatbaarheid en prestaties van de machine al vroeg in de ontwikkelingsfase beoordelen, verbeteren en optimaliseren.

Een ander voordeel: "Voor elke nieuwe productgeneratie proberen fabrikanten het materiaalgebruik te minimaliseren, het energieverbruik te verminderen, nieuwe functies te integreren en de machine kleiner en mobieler te maken." Juist dit soort verbeteringen maken hardware-in-the-loop testen mogelijk. Door de simulatie kunnen experts uitzoeken of een bepaald gewenst kenmerk of draagvermogen ook mogelijk zou zijn met lagere materiaalkosten of dat dezelfde prestatie en functionaliteit ook met een kleinere machine zou kunnen worden bereikt. Een bijzonder compacte mobiele kraan zou dan bijvoorbeeld kunnen opereren op locaties die te klein zouden zijn voor zijn voorganger. Het zou nog steeds dezelfde lasten kunnen heffen en dezelfde hoogte kunnen bereiken.

5G

Het instituut is momenteel bezig met het plannen van de integratie van 5G-radiotechnologie. Dit zal de komende jaren een steeds grotere rol gaan spelen bij de draadloze aansturing van industriële machines en apparaten. Fraunhofer ITWM werkt nu aan een interface die de HiL-simulator combineert met 5G-zender- en ontvangermodules.