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Hardware in the Loop HiL auch HIL HitL HITL bezeichnet ein Verfahren bei dem ein eingebettetes System z B reales elektronisches Steuergerat oder reale mechatronische Komponente die Hardware uber seine Ein und Ausgange an ein angepasstes Gegenstuck angeschlossen und getestet wird Letzteres heisst im Allgemeinen HiL Simulator und dient als Nachbildung der realen Umgebung des Systems Hardware in the Loop ist aus Sicht des Tests eine Methode zum Absichern von eingebetteten Systemen zur Unterstutzung wahrend der Entwicklung sowie zur vorzeitigen Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen Wird nicht die Zielhardware eingesetzt und lediglich eine Simulation der Software durchgefuhrt spricht man von Software in the Loop Inhaltsverzeichnis 1 Anwendungsbereiche 1 1 Eingebettete Systeme 1 2 Automobilbereich 1 3 Maschinen und Anlagenbau 1 4 Luft und Raumfahrt 1 5 Leistungselektronik 2 Systemarchitektur von HiL Simulatoren 3 HiL versus reale Welt 4 Siehe auch 5 Literatur 6 WeblinksAnwendungsbereiche BearbeitenHiL wird in den folgenden Gebieten eingesetzt Eingebettete Systeme Bearbeiten Das zu steuernde System z B Auto wird uber Modelle simuliert um die korrekte Funktion des zu entwickelnden Steuergerates z B Motorsteuergerat zu testen Die HiL Simulation muss meist in Echtzeit ablaufen und wird in der Entwicklung benutzt um Entwicklungszeiten zu verkurzen und Kosten zu sparen Insbesondere lassen sich wiederkehrende Ablaufe simulieren Das hat den Vorteil dass eine neue Entwicklungsversion unter den gleichen Kriterien getestet werden kann wie die Vorgangerversion Somit kann detailliert nachgewiesen werden ob ein Fehler beseitigt wurde oder nicht siehe auch Fehlernachtest englisch re testing Die Eingange des Steuergerats werden mit Sensordaten aus dem Modell stimuliert Um die Reglerschleife englisch loop zu schliessen wird die Reaktion der Ausgange des Steuergerats z B das Ansteuern eines Elektromotors in das Modell zuruckgelesen Der HiL Simulator besteht also aus einem Rechner der die Echtzeitbedingungen der jeweiligen Anwendung erfullen kann zunehmend auch PC basiert digitalen und analogen Ein und Ausgabe Schnittstellen zum Steuergerat und Ersatzlasten die der steuergerateinternen Endstufendiagnose simulieren dass alle Aktoren korrekt angeschlossen seien Die Tests an realen Systemen lassen sich dadurch stark verringern und zusatzlich lassen sich Systemgrenzen ermitteln ohne das Zielsystem z B Auto und Fahrer zu gefahrden Die HiL Simulation ist immer nur eine Vereinfachung der Realitat und kann den Test am realen System deshalb nicht ersetzen Falls zu grosse Diskrepanzen zwischen der HiL Simulation und der Realitat auftreten sind die zugrundeliegenden Modelle in der Simulation zu stark vereinfacht Dann mussen die Simulationsmodelle weiterentwickelt werden Automobilbereich Bearbeiten Mit der rapiden Zunahme von elektronischen Steuergeraten und steigendem Funktionsumfang insbesondere in der Antriebselektronik mit einer Fulle neuer regelbasierter Funktionen wurde Anfang der 1990er Jahre Hardware in the Loop als Massnahme zur Verbesserung der Testmoglichkeiten im Automobilbereich eingefuhrt In dieser Domane wird HiL in drei wesentlichen Auspragungen fur den Test angewandt Adaption eines elektronischen Systems z B Motor Getriebe oder Bremsenelektronik an einen HiL Simulator als sogenannter Komponenten oder Modulprufstand Adaption mehrerer elektronischer Systeme an einen bzw mehrere gekoppelte HiL Simulatoren als sogenannter Integrationsprufstand Dabei gehoren die elektronischen Systeme im Allgemeinen zum gleichen Teilbereich des Automobils Antriebselektronik Komfort bzw Karosserieelektronik Infotainmentelektronik Die Verwendung der Bezeichnung HiL im Zusammenhang mit Komfort und Infotainmentelektronik ist umgangssprachlich zwar ublich aufgrund des Fehlens echter Regelkreise bei diesen Systemen jedoch nur in manchen Fallen korrekt Adaption von Realmessfahrten an einen bzw mehrere gekoppelte HiL Simulatoren als sogenannter Realfahrprufstand Bei der Durchfuhrung von Tests mit HiL werden die in der Anfangsphase manuell durchgefuhrten Tests durch automatische Testablaufe ersetzt Dieses Verfahren nennt man Testautomatisierung Dadurch lassen sich Tests nahezu beliebig parametrisieren und prazise wiederholen Eine Kontrolle der Fehlerabstellung ist somit wesentlich besser moglich Die Testautomatisierung hat dem HiL Testverfahren zum Durchbruch verholfen und aus dem entwicklungsbegleitenden Testverfahren einen festen Bestandteil des Erprobungsprozesses gemacht Durch die mittlerweile hohe Gute der verwendeten Modelle im Fahrdynamik oder auch Motorbereich findet das HiL Verfahren seit Anfang der 2000er Jahre immer mehr Anwendung in der Entwicklung neuer Regelalgorithmen Das fuhrt mittlerweile zu erheblichen Verkurzungen der Entwicklungszeiten Neben der reinen Anbindung des elektronischen Steuergerats an einen HiL Simulator gibt es auch die Variante des mechatronischen Verfahrens Hier wird auch ein Teil der Mechanik in die Regelschleife integriert Dieses Verfahren wird oft bei elektronischen Lenksystemen verwendet wobei ein Teil des Lenkgestanges als reale Mechanik an den HiL Simulator gekoppelt ist Maschinen und Anlagenbau Bearbeiten Im Maschinen und Anlagenbau wird fur Hardware in the Loop in der Regel eine speicherprogrammierbare Steuerung uber einen Feldbus an ein Physikmodell einer Maschine bzw Anlage angeschlossen Man verwendet dafur auch die Bezeichnung Anlagensimulation Die Anlagensimulation enthalt in der Regel eine Abbildung des Verhaltens sowie des Materialflusses Uber eine optionale 3D Visualisierung sowie Ausgaben der Physiksimulation kann dann ein Beobachter die Maschinenfunktion uberwachen Zweck ist die Erstellung und Erprobung von Steuerungsprogrammen bevor die Bauteile einer Maschine gefertigt und montiert sind Dadurch lasst sich die Inbetriebnahmephase verkurzen Ein weiterer Vorteil liegt in der Moglichkeit ohne Gefahr fur den Bediener Grenzsituationen zu testen wie z B das Fahren auf Hardware Endschalter Kunftige Anwendungsfelder konnen die Ferndiagnose und Fernwartung von Maschinen und Anlagen mit einschliessen Uber eine Telekommunikationsleitung z B uber Internet wird der aktuelle Zustand einer Steuerung vom Maschinenbetreiber in ein Service Center beim Maschinenhersteller ubertragen Dort konnen dann anhand des physikalischen Modells erste Diagnosen gestellt und Empfehlungen abgeleitet werden Luft und Raumfahrt Bearbeiten In der Luft und Raumfahrt werden in HiL Systemen Zustande getestet die am Boden nicht immer nachzubilden sind Fur die Zulassung der Flugsteuerung wird bereits fur den Superjet 100 der Iron Bird durch den virtuellen oder Electronic Bird ersetzt Leistungselektronik Bearbeiten Fur die Simulation von leistungselektronischen Anlagen werden zunehmend HiL Systeme eingesetzt Die Anwendungsfalle sind zumeist Virtuelle Erstinbetriebnahmen um spater im Feld Zeit zu sparen Der Vorteil gilt besonders fur Offshoreanlagen mit schlechter Erreichbarkeit Automatisierte Softwaretests zur Sicherstellung der Softwarequalitat Zertifikattransfers fur Zulassungs Homologationsprufungen Die rechtlichen Randbedingungen fur die Anwendung bei Zulassungsprufung sind derzeit noch in der Entstehung Stand 2020 Die HiL Systeme konnen eine Einzelanlage wie z B einen Windenergiekonverter nachbilden grossere Systeme konnen komplette Microgrids simulieren Dies umfasst dann beispielsweise eine kombinierte Simulation von kompletten Windparks Speichersysteme Solarpanels und Notstromaggregaten Als Besonderheiten fur die HiL Echtzeitsimulationen von IGBT gestutzten Umrichtern sind die hohen Hardwareanforderungen Die Rechenschritte mussen sehr viel kurzer sein als die zumeist im Kilohertz Bereich befindliche PWM Frequenz Die Signalerfassung muss daher zwingend auf einem schnellen Prozessor erfolgen ublicherweise einem FPGA Die Berechnung des Modells kann downgesampled mit einem Mittelwertmodell auf einem langsameren Coprozessor erfolgen oder bei entsprechender Modelloptimierung ebenfalls auf dem FPGA Systemarchitektur von HiL Simulatoren BearbeitenDie Systemarchitektur von marktublichen HiL Simulatoren variiert nachfolgend eine Auswahl Nvidia Die HiL Simulatoren dienen primar fur Entwicklungen von Fahrassistenzsystemen und autonomen Fahrfunktionen Primar GPU basiert wird ahnlich zu einem Rennspiel auf einer Spielekonsole ein 3D Modell von Strasse Umgebung berechnet Samtliche Fahrzeugsensoren Lidar Radar etc werden direkt mit gerechneten Modelldaten gespeist die angeschlossenen Fahrzeug Steuergerate konnen feldnah betrieben werden Verschiedene Wettersituationen und Streckenprofile konnen mit physikalisch vorhandenen Steuergeraten automatisiert gefahren werden dSPACE Die grosseren Echtzeitsimulatoren basieren zumeist auf einer Kombination von Intel Xeon und FPGA Prozessoren Die Systeme konnen modular in Racks anwendungsspezifisch zusammengestellt werden Die Modellentwicklung erfolgt in MATLAB Simulink mit eigenen Bibliotheken zur Schnittstellendefinition wahrend herstellereigene Software die Benutzeroberflache zur Steuerung und Visualisierung bereitstellt Die Systeme von dSpace sind vor allem im Automotive Bereich weit verbreitet OPAL RT Haufig werden Intel Xeon Prozessoren in Kombination mit FPGA Boards verwendet wobei auch hier ahnlich zu den Simulatoren von dSPACE anwendungsspezifische Systeme erstellt werden konnen Die Entwicklungsumgebung ist ebenfalls MATLAB Simulink welche auch als Benutzeroberflache dient Daneben wird auch herstellereigene Software fur die Visualisierung verwendet Die Echtzeitsimulatoren von OPAL RT werden hauptsachlich in der Energietechnik und in der Leistungselektronik eingesetzt Typhoon HiL FPGA in Kooperation mit Coprozessoren softwareseitig gibt es proprietare Modelle mit Schnittstellen und Einbindemoglichkeiten zu C Python Matlab Programmen Schwerpunkt liegt auf Leistungselektronik Das Angebot geht von kleineren Echtzeitsimulatoren bis zu Custom Anlagen fur grosse Microgrids SiL Losungen sind ebenfalls moglich PLECS RT Box Xilinx Zynq System on Ship mit FPGA und mehreren CPU Cores softwareseitig gelost durch Matlab Anbindung mit zusatzlichen proprietaren Zusatzbibliotheken oder mit komplett eigenstandiger Software Schwerpunkt liegt auf Leistungselektronik SiL Losungen sind ebenfalls moglich Micronova Diverse Systeme zur Simulation von Fahrzeugkomponenten Losungen fur elektrifizierte Antriebe sind vorhanden Siemens Fur einfachere Anwendungen werden industrieweit oft die klassischen hauseigenen SPS Losungen von Siemens verwendet Neuere Produkte des Konzerns umfassen die virtuelle Inbetriebnahme von vollautomatisierten Fertigungsstrassen inkl umfangreichen Softwarebibliotheken Die Mehrheit der Simulatoren simuliert Matlab Modelle Diese werden zumeist mit third Party Software oder hauseigenen Compilern fur die verwendeten Prozessorsysteme FPGA GPU ARM etc kompiliert und auf den HiL Speicher transferiert Nach der Kompilation wird auf dem Nutzer PC ein SCADA Interface geoffnet um manuell oder automatisiert mit dem Modell zu interagieren Bei den meisten Marktlosungen basieren die SCADAs auf der Programmiersprache Python Durch die meist offen gestalteten Interfaces und die weite Verbreitung von Python konnen zumeist mehrere Tools fur SCADA und oder Testautomatisierungstools verwendet werden Ein Beispiel ist das im VW Konzern und in Deutschland weit verbreitete Micronova EXAM Viele HiL Hersteller bieten auch eigene Losungen an Endkunden Eigenentwicklungen sind ebenfalls ublich In vielen Fallen bestehen grossere industrielle HiL Systeme aus Hardware und Software von verschiedenen Herstellern Spezielle Module ubernehmen die Buskommunikation zu den getesteten Steuergeraten andere HiL Module rechnen in Echtzeit die Physikmodelle wiederum andere Module erledigen das physikalische Signalrouting zwischen den Steuergeraten und den Simulatoren Fur kleinere Projekte gibt es jedoch auch all in one Losungen HiL versus reale Welt BearbeitenDurch den technologischen Fortschritt und die Entwicklung von leistungsstarken Mikroprozessoren ist es mittlerweile Stand der Technik dass HiL Systeme zunehmend die reale Umwelt ersetzen Gerade fur die Entwicklung elektronischer Steuergerate wird mit Hilfe des HiL Simulators so die Erstellung einer idealen Testumgebung im Labor ermoglicht Je nach Systemanforderungen bewegt sich die Berechnungszeit eines kompletten Simulationszyklus im Bereich von 1 ms bei Spezialanwendungen reicht es bis in den Mikrosekundenbereich Unabhangig von den technischen Moglichkeiten stellt der HiL Simulator jedoch immer nur einen begrenzten und grossteils reduzierten Ausschnitt der realen Umgebungswelt dar Insbesondere bei Funktionen bei denen der Kunde in Interaktion mit der Technik steht stosst man schnell an die Grenzen der Simulationsfahigkeit Eine Umweltsimulation basiert immer nur auf den vorliegenden Erkenntnissen erhobenen Mess und Erfahrungswerten welche in vereinfachte mathematische Formeln uberfuhrt werden und sich dann als Modelle im HiL Simulator wiederfinden Auf Grund dessen und trotz der Fortschritte in der Umweltsimulation kann der HiL Simulator nur in einem begrenzten Rahmen den Test in der realen Welt ersetzen Siehe auch BearbeitenModel in the Loop Methode zur Simulation eingebetteter Systeme Software in the Loop Methode zur Simulation ohne SpezialhardwareLiteratur BearbeitenK Borgeest Elektronik in der Fahrzeugtechnik 2 Auflage Vieweg Teubener Wiesbaden 2010 ISBN 978 3 8348 0548 5 J Schauffele Th Zurawka Automotive Software Engineering 4 Auflage Vieweg Teubener Wiesbaden 2010 ISBN 978 3 8348 0364 1 Weblinks BearbeitenSimulation von Dieselmotoren bis hin zum 12 Zylinder Motor Thermodynamische Simulation von Verbrennungsmotoren in Echtzeit Reducing the development time of flexible metal forming tools using Hardware in the Loop simulation PDF 792 kB isg stuttgart de Maschinensimulation zur Steuerungsinbetriebnahme isg stuttgart de Quelle zu HiL von Maschinen Virtuelle Inbetriebnahme Electronic Bird Superjet 100 prcenter de Pressemitteilungen Echtzeitsimulation Zusammenhang Echtzeitsimulation und HiL PLECS Hardware in the Loop Simulationen und schnelle Regleraufbauten OPAL RT Learn about HiL Realisierung virtueller Maschinen und Anlagen fur die Hardware in the Loop Simulation HiLS isg stuttgart de Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Hardware in the Loop amp oldid 225253445