应用案例 | EtherCAT 测量端子模块在梅赛德斯-奔驰汽车研发中的应用

底盘是影响车辆性能的关键因素，最终也塑造了品牌的辨识度。因此，梅赛德斯-奔驰在研发道路上始终秉持着精益求精的态度，不遗余力地在多个精密的试验台上对底盘特性进行全方位测试。梅赛德斯-奔驰和系统集成商 DynoTec Prüfstandstechnik 采用倍福的 EtherCAT、TwinCAT 和 ELM 系列精密测量端子模块进行升级改造。

在位于德国辛德尔芬根的梅赛德斯技术中心(MTC)，车桥在四个精心设计的试验台上接受最高精度的检测，同时进行道路测试和仿真。其目旨在验证制造流程，深入分析车辆所特有的异常现象，进而精准识别并确定引发这些异常现象的具体部件。为此，开发人员以极高的精度和可重复性对车辆施加力/位移和扭矩，并监测和详细记录车辆所产生的各种反应。这样就可以快速、可靠地记录底盘的悬挂系统、运动学和弹性运动学数据。此外，这些数据还能以特性图、特性曲线和特性数据集的形式对进行全面而客观的呈现与解析。随后详细比对大约 90 项关键参数与车辆的数字孪生模型。此举不仅保护了研发车辆/样车的安全，而且也极大地保障了梅赛德斯-奔驰汽车驾驶特性这一关键领域的数字化系统开发过程。“因此，试验台在梅赛德斯-奔驰汽车的开发流程中扮演着至关重要的角色，确保部件设计、仿真、试验台测试和道路性能等参数能够协同工作。”梅赛德斯-奔驰位于辛德尔芬根的底盘分析团队成员 Uwe Lochner 强调道。

驾驶动态特性试验台精密改装背后的“智囊团”：梅赛德斯-奔驰底盘分析团队的 Uwe Lochner(第一排左起)和辛德尔芬根梅赛德斯-奔驰底盘分析团队负责人 Dr.-Ing. Frank Dettki、Walter Selg(第二排左起)和 DynoTec Prüfstandstechnik 公司总经理 Rainer Fischer 以及倍福巴林根分公司销售工程师 Dieter Völkle

在检查底盘时，首先使用前轴千斤顶将车辆架设在试验台上，然后通过四个液压千斤顶进行精准定位并牢固固定。然后加载和精确测量车桥。“当我们提及精度二字，我们指的是以极高的采样率进行测量，确保距离误差不超过 0.1 毫米，角度误差控制在 0.1° 以内，并且在频率低于 2 Hz 时仍能保持这样的高精度。”负责设计和实施升级改造的系统集成商 DynoTec Prüfstandstechnik GmbH 总经理 Walter Selg 解释道。在激励阶段，大量传感器同步工作，精准地记录位移、角度、力和扭矩等各项数据。所有数据都通过倍福基于 PC 的控制系统实时同步显示在试验台的显示器上，供操作人员即时参考与分析，并同时传输到数据库系统中。“在测试运行结束后，系统会自动处理所有测量值，并在结果报告中清晰显示任何可能存在的超限情况。”Walter Selg 补充道。基于详尽的测试结果分析，Uwe Lochner 与其团队成员将共同评估并决定车辆是否需要继续进行进一步测试，或者需要更深入的分析以及必要的机械调整与优化。

分阶段升级改造

梅赛德斯-奔驰运用戴姆勒股份公司精心研发的 Hydromat 信号处理组件，对试验台的特定部分实施了多次升级与优化。Hydromat 是一种用于精密试验台的模块化控制系统，它全面集成了设定值输入、测量值处理、输出级控制以及监控功能。早在 2000 年代初，试验台的控制功能就已交由 dSpace 公司的 RCP(快速控制原型)系统处理。鉴于 Hydromat 系统其余功能的研发工作已告一段落，且备件采购的难度与当前在用的控制系统不相上下，梅赛德斯-奔驰公司决定委托 DynoTec 公司，为试验台量身定制并实施一套一套全新的、高度集成的自动化解决方案。现代化改造的关键前提在于：保留试验台的模块化设计。

“我们的初步方案是在市场上寻找一款能够全面覆盖 HHydromat 所有功能特性的系列产品。”Uwe Lochner 解释道。此外，他们还需要更换长达 30 米的模拟信号线。“我们并没有找到可以直接替代 Hydromat 的系列产品，但幸运的是，我们在倍福发现了一套极具潜力的开放式自动化平台与生态系统，它完美融合了 EtherCAT 端子模块、控制器和开发环境。”Uwe Lochner 在回忆他参加的一次展会经历时说道。另一个重要的考量标准是 EtherCAT 协议的良好开放性。这意味着他们不必完全依赖倍福提供的组件。它们只需要配备与 RCP 系统连接的 EtherCAT 接口。

DynoTec 公司总经理 Rainer Fischer 解释道：“这让我们有机会实现一种集成分布式数据记录和数字测量信号传输功能的试验台方案，它在布线和信号质量上尽显其卓越优势。”DynoTec 在验证和评估这一方案时， 研究了一系列关键问题：

·有哪些理想的连接方法(同步/异步、主从、从从或分布式时钟)可用于集成 RCP 系统?

·不同制造商生产的模/数、数/模转换器的信号质量相较于当前系统表现如何?

·哪些 RCP 系统任务 Runtime 是由配置产生的?

已过时的集中式 PLC 技术现已被分布式控制柜所取代，EtherCAT 端子模块被巧妙地安装控制柜的四个插孔上。控制柜内集成了测量值采集和伺服阀控制组件，这些组件协同工作，以实现对插孔在 x、y、z 三个轴向上的精确调节，以及绕 z 轴的旋转控制。PLC 任务以及相应的 HMI 在 CX5140 嵌入式控制器上运行。通过高性能硬件配置，可以在适合控制柜安装的 CP2219 多点触控面板型 PC 上详细查看系统状态和错误历史记录。C5240 19 英寸抽拉式工业 PC 用于完成测量任务并实时可视化测量结果。TwinCAT 3 HMI Server (TF2000) 软件支持可视化功能。试验台中的所有计算机都通过 TwinCAT ADS 与上一级操作计算机相连。在整个系统中，倍福控制系统用作主站，通过 UDP 通信触发 RCP 系统，以实现高水平的时间精度和控制质量。

乍一看，试验台的测量技术含量并不高：共有总采样率为 680 ksps 的 136 个输入通道;总采样率为 180 ksps 的 36 个输出通道

高分辨率和采样率

ELM3xxx 测量端子模块具备的高采样率、EtherCAT 的高速数据传输能力以及直接在四个液压千斤顶上进行的简单、紧凑和模块化的数据记录是 DynoTec 和梅赛德斯-奔驰选择倍福的重要因素。“总而言之，我们的标准化系统技术完美融合了传统 PLC 的功能与尖端的测量技术，确保了显著的成本优势。”Rainer Fischer 总结道。“即便面对试验台对测量技术提出的高带宽和高分辨率的要求，我们的系统依然能够轻松应对。”倍福德国巴林根分公司负责该项目的 Dieter Völkle 补充道。

在试运行期间，系统最多可同步记录 136 个测量通道，每个通道支持高达 5 ksps(可选 10 ksps)的采样率，即总采样率可达 680 ksps。此外，我们的系统还集成了 36 个设定值或输出通道，每个通道的数据传输速率可达 5 ksps，同时还配备了约 300 个以 100 sps 速率记录事后诊断数据的通道。每个试验台上还外接了一个信号测量端子盒。每个测量端子盒有 16 个用于特殊测量技术的模拟量输入和 16 个模拟量输出。例如，这些输出可提供任何测量通道，与安装在车辆上的测量技术同步记录输出。

试验台上的空间和时间总是有限的

结构紧凑的 EtherCAT 端子模块能够显著简化信号记录流程，并有效减少所需的空间。控制柜现在变得更加整洁，有助于快速排查和纠正故障。“我们节省了试验台上五分之一的计算机控制柜。”Uwe Lochner 补充道。在车辆测试中，时间因素与空间因素同样至关重要。而基于 PC 的控制技术的模块化结构也带来了显著优势，由于模块化设计提高了组件的重用性和互操作性，因此能够明显加快转换其它试验台的过程。“相较于第一个试验台的转换过程，我们在转换最后一个试验台时成功将停机时间缩短 30% 以上。”DynoTec 公司的 Rainer Fischer 说道。

由于 TwinCAT Analytics Logger 已被规划为下一扩展阶段的要使用的工具，我们未来将能够便捷地访问这四个测试台的测量数据，从而能够在日后进行处理。实时数据记录器配置简单，可将所有测量数据流传输至中央存储位置，因此也简化了所有试验台的后处理流程。通过 TwinCAT Analytics 可以在线分析历史数据和实时测量数据。

对于试验台领域的佼佼者 DynoTec 而言，这个项目对测量技术和控制任务提出了极高要求，它的成功实施充分证明了使用 EtherCAT 测量端子模块和基于 PC 的控制技术可以满足各种高要求。Walter Selg：“倍福平台具有出色的可扩展性，让我们能够使用标准化系统高效实现任何规模的项目。”在另一个项目中，DynoTec 成功运用 ELM3602 EtherCAT 端子模块对采样率高达 50 ksps 的三轴 IEPE 振动传感器进行了 1/3 倍频程分析。