Beckhoff Applicaties:

Airbus A380 test 'high-lift-systems' onder Linux met EtherCAT-besturing


Om een kolos als de Airbus 380 tijdig de lucht in te krijgen, maakt dit verkeersvliegtuig gebruik van zogenaamde 'high-lift-systems'. High-lift-systems zijn systemen die zorgen voor extra 'lift', bijvoorbeeld tijdens het stijgen. Voor de veiligheidstests van deze systemen gebruikt Airbus in Bremen een installatie met EtherCAT als besturingstechnologie.


Iedereen die wel eens vliegt heeft de 'high-lift-systems' wel in werking gezien. Het zijn de vleugeldelen die tijdens de start en de landing uit de vleugel schuiven en omhoog of omlaag worden gedraaid. De belangrijkste zijn de landingskleppen en de kleppen die zitten aan de voorkant van de vleugel. Onzichtbaar voor de leek zijn de aandrijvingen en besturingen die deze bewegingen mogelijk maken. Maar ook zij behoren tot de high-lift-systems. In Bremen, de op een na grootste vestiging van Airbus in Duitsland, worden deze systemen op veiligheid getest.



Enorm
Het mooie van de testinstallaties bij Airbus is de schaal van 1 op 1. Originele vleugeldelen worden dus compleet met alle bijbehorende onderdelen van het high-lift-system in enorme staalconstructies geplaatst om daar direct getest te worden. Om een idee te geven: de spanbreedte van de Airbus 380 is bijna 80 meter. In de testinstallatie wordt steeds één vleugel met bijbehorende aandrijfassen geplaatst. Om de interactie van de aandrijvingen met de besturingen te onderzoeken wordt het tegenoverliggende vleugeldeel gesimuleerd. Dat laatste gebeurt door middel van een aandrijving in vierkwadrantenbedrijf en een serie gesimuleerde signalen. Airbus onderwerpt de high-lift-systems aan meerdere proeven. Zo wordt de druk die op de vleugels wordt uitgeoefend in de verschillende fasen van de vlucht gesimuleerd door middel van hydraulische en pneumatische cilinders. Deze brengen een bepaalde druk over op de verschillende vleugeldelen. Ook duurtests naar het gedrag van de vliegtuigbesturing in specifieke situaties, zoals bij uitval van een vliegtuigonderdeel, worden in Bremen uitgevoerd. Tegelijkertijd controleert de boordcomputer van het vliegtuig zelf ook hoe de high-lift-systems zich gedragen. Deze besturing werkt vanzelfsprekend onafhankelijk van de besturing van het testsysteem.

Besturing testsysteem
Het besturingsconcept van de testinstallatie omvat natuurlijk de instelling van alle parameters en de besturing van de hydrauliek- en pneumatiekcilinders die de aërodynamische belasting van de verschillende delen van het vliegtuig simuleren. Veiligheid is in dit verband van groot belang. Tijdens de test treden er behoorlijke krachten op waardoor er extra preventieve maatregelen genomen moeten worden. Niet alleen de veiligheid van personen in en rond de testinstallatie, maar ook het behoud van dure technische componenten staat op het spel. Vaak gaat het om prototypes die extra kostbaar zijn, of om originele vliegtuigdelen, die eveneens erg veel geld kosten. Onderdeel van de besturing is dus ook een veiligheidsconcept, compleet met nood-uitschakelaars, toegangsbewaking, redundante signaalopname met plausabiliteitstest en begrenzing van niveau en gradatie. Airbus heeft de opdracht voor de ontwikkeling van het complete testsysteem enige tijd geleden verleend aan ingenieursbureau IgH uit Essen, gelegen in de Duitse Ruhrgebied. Het gaat hier om een primeur: het is de eerste keer dat een dergelijke besturing is ontwikkeld op basis van de EtherCAT-technologie. IgH is als ingenieursbureau gespecialiseerd in de ontwikkeling van complexe systemen voor testtechniek en hydrauliek. Het team telt 15 experts uit verschillende disciplines, zoals machinebouw, elektrotechniek en informatica en levert vooral aan middelgrote en grote industriële bedrijven.




EtherCAT-klemmen ingezet als snel I/O-systeem
Hoe groot de testinstallatie eigenlijk is, blijkt uit het aantal te verwerken signalen. Het gaat om ongeveer 500 digitale en analoge signalen, waarvan er ongeveer 100 actorsignalen als uitgangen van regel- en bewakingscircuits zijn. Alle I/O-data worden verwerkt via het EtherCAT-klemmensysteem van Beckhoff. Dr. Torsten Finke is een van de drie directieleden van het ingenieursbureau IgH. Hij geeft een toelichting op de voordelen van de EtherCAT-technologie bij deze testinstallatie. Finke: "Het eerste voordeel is dat je met Ethernet de signalen in het veld simpel en betrouwbaar kunt managen. Je kunt met digitaal dataverkeer afstanden makkelijk overbruggen; de afstanden voor analoog dataverkeer kun je sterk inkorten. De opbouw van de configuratie is zo flexibel dat je deze kunt aanpassen aan de gestelde opdracht. Verder zorgt de gebruikte bustopologie voor een besparing op bekabelingkosten en minder storingen; dit in tegenstelling tot de bekende stertopologie. Bovendien presteert EtherCAT zeer goed wat betreft communicatie. Dat geldt zowel voor de bandbreedte als voor de snelheid van het dataverkeer. Daarnaast is het concept geschikt voor realtime dataverkeer, met cyclustijden tot meer dan 10 kHz."

Open standaard met EtherCAT draaiend onder Linux
Bijzonder aantrekkelijk voor de gebruiker is de open standaard van de EtherCAT-technologie. Dankzij die standaard kan de master worden geïmplementeerd op een onafhankelijk platform. In het hierboven beschreven project bij Airbus is bijvoorbeeld een EtherCAT-master onder Linux ontwikkeld en met succes toegepast. Wederom Finke over dit onderwerp: "Deze master draait op een standaard Industriële PC met alleen standaard componenten. Je hebt dus geen merkgebonden, proprietaire PLC nodig. Met Linux beschikt je server over een modern operating system waarvan je zeker weet dat het robuust en vooral in netwerken heel krachtig is. Linux heeft een open architectuur en met RTAI, de open source realtime-uitbreiding van de Linux-kernel, kun je besturingssysteem uitbreiden met harde realtime-eigenschappen. Deze uitbreiding gaat niet ten koste van de vele functies binnen de applicaties en diensten."

Industrie PC's
De besturingscomputers die in de testinstallatie van Airbus zijn ingezet, zijn Beckhoff industrie-PCs van het type C51xx. Bekend is hun hoge rekencapaciteit , maar ook hun geschiktheid op het gebied van moderne netwerktechnologie. Behalve de gebruikelijke diensten als file- en webservices verzorgen deze Industrie PC's een zeer exacte tijdsynchronisatie van de verschillende systemen binnen het netwerk. Dat laatste is onmisbaar waar het gaat om een diepgaande systeemanalyse. In dit verband is het ook belangrijk dat EtherCAT het voordeel biedt van Ethernet-verkeer over EtherCAT. Het naast elkaar aflopen van realtime en niet-realtime dataverkeer over dezelfde hardware is een van de meest belangwekkende aspecten van deze techniek.

Software
De besturingslogica laat zich zeer elegant in een Matlab/Simulink®-model ontwikkelen. Dat model wordt vervolgens in C-source verzonden en na compilatie als binair besturingsmodel in het systeem van de besturingscomputer geladen. De communicatie met de besturingscomputer verloopt via een client-server-interface. Een bijpassend bedieningsprogramma kan simpel worden ontwikkeld en draait op elke willekeurige PC, uiteraard voorzover die in het netwerk is opgenomen.

Gedurende de test zorgt 'DataLoggingService' er voor dat alle gegevens worden vastgelegd. Met de functie 'DataLoggingService' beschikt de gebruiker onafgebroken over een compleet beeld van het gehele proces. Deze weergave kan ook nog eens gedetailleerd worden aangepast aan de behoeften van de gebruiker. Zowel continue signalen als discrete gebeurtenissen kan men zodoende opslaan en in een later stadium analyseren. Door de manier waarop de data worden opgeslagen, heeft de gebruiker zeer snel toegang tot data, ongeacht de verschillende timeframes waarin ze georganiseerd zijn.

Kostenbesparingen
Een belangrijk voordeel van EtherCAT in de test- en meettechniek is de mogelijkheid om extreem veel meetgegevens te verwerken. Veldbustechnologie is dankzij EtherCAT daardoor niet langer de beperkende factor. Dr. Torsten Finke vat het gebruik van de EtherCAT-techniek als volgt samen: "In het geval van Airbus moet de besturing van de testinstallatie aan extreme eisen voldoen. Echter, met EtherCAT zijn voor dat soort taken oplossingen mogelijk die niet alleen opvallen door hun fantastische techniek, bijvoorbeeld op het vlak van capaciteiten en prestaties. De oplossing die wij hebben ontwikkeld, levert ook enorme kostenbesparingen op. Van deze voordelen hebben we al mogen profiteren in het geval van het High-Lift-Test-Rig bij Airbus."

www.airbus.com