„More Electric Aircraft“ Prozess-I/O-Module regeln und überwachen simulierte Belastungsszenarien in Flugzeugen

Redakteur: Ines Stotz

Um die Konstruktion und Wartung von Flugzeugen zu vereinfachen, arbeiten Unternehmen und Forschungseinrichtungen daran, möglichst viele Komponenten auf elektrische Antriebe umzustellen. Die EADS-Tochter Cassidian hat zu diesem Zweck ein System zur Simulation elektrischen Belastungen in Flugzeugen entwickelt. Intelligente Prozess-I/O-Module von Hesch Industrie-Elektronik helfen dabei.

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In heutigen Zivil- und Militärflugzeugen arbeiten elektrische, hydraulische, pneumatische und mechanische Antriebe nebeneinander. Dieses, teils historisch gewachsene, Konglomerat unterschiedlicher Systeme verkompliziert die Konstruktion und auch die Wartung der Flugzeuge. Aus diesem Grund arbeiten Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit an Projekten zum „More Electric Aircraft“ (MEA).

Die EADS-Tochter Cassidian im oberbayrischen Manching hat zu diesem Zweck ein 270 VDC Gesamtsystem entwickelt, mit dem die Ingenieure die möglichen elektrischen Belastungen in Flugzeugen simulieren können. Da nicht alle elektrischen Verbraucher zur Verfügung standen, wurde zudem ein Schaltschrank entwickelt, der diese Verbraucher simuliert. Ausgerüstet ist er mit intelligenten Prozess-I/O-Modulen von Hesch Industrie-Elektronik.

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Hydraulisch betriebene Fahrwerke und Stellantriebe, pneumatische Klimatisierung, elektrische Avionik und mechanische Antriebsstränge arbeiten bei allen heute marktüblichen Flugzeugen parallel nebeneinander. Diese Systemvielfalt verursacht eine hohe Komplexität der Technik, was sich in Gewicht und damit Treibstoffverbrauch, häufigeren und aufwendigeren Wartungen sowie hohem Energieaufwand niederschlägt. Aus diesem Grund wird international seit rund zehn Jahren intensiv erforscht, wie moderne Flugzeuge im Idealfall rein elektrisch betrieben werden können.

Erste Schritte in der zivilen Luftfahrt

Bei der zivilen Luftfahrt sind erste Schritte dahin beispielsweise beim Airbus A 380 zu sehen, dessen Schubumkehr erstmals elektrisch und nicht wie üblich hydraulisch oder pneumatisch betätigt wird. Auch Boeing geht bei dem 787 „Dreamliner“ neue Wege. So wird keine Zapfluft für Klimaanlage und Enteisungssysteme verwendet, sondern stattdessen je zwei Generatoren von je 250 kVA pro Triebwerk, die auch als Elektromotoren zum Anlassen der Triebwerke dienen. Durch die konsequentere Verwendung elektrischer Systeme verringert sich dank der hohen Wirkungsgrade der Leistungsumsatz an Bord. Zudem lässt sich über ein intelligentes Lastmanagement der zahlreichen potenziellen Verbraucher der Stromverbrauch optimieren.

Lastsimulationen bei 270 VDC

Noch höher als in der zivilen Luftfahrt ist das Potenzial der MEA-Entwicklung im militärischen Bereich. Da in Kampfjets, Drohnen u.ä. sehr viel Technik auf kleinstem Raum untergebracht ist, wirkt sich das Nebeneinander unterschiedlicher Energiesysteme mit entsprechend vielen redundanten Komponenten bei diesen Maschinen besonders negativ aus. Gute Gründe dafür, dass sich auch Cassidian intensiv mit dem MEA-Potenzial beschäftigt.

Im Rahmen eines MEA-Projektes haben die Ingenieure bei Cassidian zur Simulation von induktiven und kapazitiven Lasten im, bei militärischen Luftfahrzeugen üblichen, 270VDC-Netz einen Simulations-Schaltschrank mit vier baugleichen 270VDC-Kanälen entwickelt. Durch das Hinzu- oder Abschalten unterschiedlicher R-, L- und C-Anteile wird der SSPC (Solid State Power Controller) einer 270 VDC Stromversorgung auf vielfältige Arten belastet. So lassen sich alle erdenklichen Betriebs- und Belastungsszenarien von elektrischen Flugzeugkomponenten sowie von gesamten Systemen simulieren. Angesteuert werden die Kanäle zentral über einen CAN-Feldbus. Zur Prozessregelung und -überwachung greift man bei Cassidian auf die intelligenten Prozess-I/O-Module von Hesch Industrie-Elektronik zurück.

Neben der zentralen CAN-Busansteuerung verfügt das modulare Simulationssystem über Ansteuerungsmodule, beispielsweise für die einzelnen Lasten, sowie digitale Eingangsmodule, welche die Rückgabewerte erfassen. Die Kontaktoren werden jeweils separat über Relaismodule angesteuert, um den erforderlichen Eingangsstrom schalten zu können. Pro C- und L-Modul werden acht Kondensatoren bzw. Spulen verwendet und pro Lastpfad vier Lastwiderstände.

Intelligente Module regeln und überwachen Lastsimulationen

Die systeminterne Regelung und Überwachung der Lastsimulationen übernehmen im Schaltschrank intelligente I/O-Module von Hesch. Der CANopen-Feldbuskoppler HE 5811 verbindet den Schaltschrank mit dem CAN-Bus, steuert bis zu 64 Module und versorgt davon bis zu 16 Module mit Spannung. Zusammen mit einem Powermodul HE 5850 für 16 weitere I/O-Module sind damit alle Steuerungsgeräte ohne weitere Verkabelung mit Spannung versorgt. Für die Ansteuerung der Lasten verwendet Cassidian Relais-Ausgangsmodule HE 5826 von Hesch, welche die Signale vom Feldbus über vier potenzialfreie Wechslerkontakte weiterleiten. Die digitalen Eingangsmodule HE 5820 bzw. HE 5822 erfassen jeweils acht bzw. vier binäre Rückgabewerte und leiten diese an den Feldbus weiter.

Durch die umfangreiche Funktionalität der einzelnen Module im I/O-System konnte Cassidian auf eine Prozesssteuerung „aus einem Guss“ zurückgreifen, mit der sich auch komplexe und umfangreiche Abläufe in einem Prozess beobachten und steuern lassen. Pro Modulkanal wird eine hohe Bandbreite an konfigurierbaren Funktionen zur Verfügung gestellt. Da das System über viele Multifunktionsmodule verfügt, reduzieren sich die Anzahl verschiedener Module, Anschaffungskosten und auch Lagerhaltungskosten erheblich.

Hot Swap und Konfiguration im laufenden Betrieb

Für ein komplexes Simulationssystem, in dem hohe Belastungen auftreten, ist auch die „HotSwap“-Eigenschaft der Module wichtig. Ein Austausch einzelner Module ist dadurch jederzeit auch im laufenden Betrieb möglich. Jedes Modul erhält durch die interne automatische Selbstkonfiguration vom Feldbuskoppler eine eigene Adresse zugewiesen. Beim Austausch eines Moduls erhält das Neue automatisch die Adresse sowie die Konfigurationsdaten des Ersetzten zugewiesen. Die Adresse des Feldbuskopplers selbst ist anwenderspezifisch mit zwei Drehschaltern einstellbar.

Die Konfiguration des Systems lässt sich ebenfalls im laufenden Betrieb vornehmen, falls beispielsweise Grenzwerte den tatsächlichen Betriebserfordernissen angepasst werden müssen. Dies kann mit der Software Smart-Control entweder über den Feldbus von einer übergeordneten Kontrolleinheit (PC-Station) aus oder aber mit einem Laptop direkt über den jeweiligen Feldbuskoppler erfolgen. Das entsprechende Interface ist in der Frontblende des Feldbuskopplers untergebracht.

Die mit einer eigenen Intelligenz ausgestatteten Module sind in der Lage, eingehende Signale intern so aufzubereiten, dass sie von einer übergeordneten Steuerung nicht mehr konvertiert werden müssen. So lassen sich Steuerung und Regelung von aufwendiger Rechenleistung entlasten, die somit anderen Anwendungen zur Verfügung steht. Viele Abläufe in der Prozesstechnik lassen sich dadurch beschleunigen und wirtschaftlicher gestalten.

Integrierte Stromversorgung und Kommunikation ohne aufwendige Verdrahtung

Die Stromversorgung der Module innerhalb eines Systems erfolgt über die in die Norm-Hutschiene integrierte High Performance Railline (HPR), welche aus steckbaren Sockeln für die Module besteht und daher einfach erweiterbar ist. Neben der Stromversorgung erfolgt auch die Kommunikation im System über die HPR-Stecker.

Alle Module des I/O-Systems enthalten bereits eine umfangreiche Palette an Funktionen, die sich darüber hinaus leicht an spezifische Kundenanwendungen anpassen lassen. Unter anderem verfügen die Module über eine galvanische Trennung, die Überwachung von Kurzschlüssen zur Vermeidung von Beschädigungen sowie Funktionen zum Erkennen von Leiter- oder Fühlerbrüchen. Separate Komponenten sind hierfür nicht nötig. Um im Fehlerfall eine sichere Prozesssteuerung zu gewährleisten, arbeiten die Module mit Ersatzwerten weiter. Diese Werte lassen sich frei festlegen, wodurch nicht nur der Prozessablauf geregelt weiterlaufen kann; auch gefährliche Situationen können so vermieden werden.

Für jede Aufgabe das richtige Modul

Neben Automatisierungskomponenten wie dem IMOD I/O-System sind die Entwicklung und Fertigung von kundenspezifischen Hard- und Softwarelösungen eine besondere Stärke von Hesch. Seit mehr als 30 Jahren entwickelt und produziert das Unternehmen analoge und digitale Mess- und Regelgeräte, elektronische Steuerungen, Sensoren sowie Messwertaufnehmer.

Zusätzlich zu den individuell entwickelten Produkten und Systemen bietet Hesch seinen Kunden Fertigungsmöglichkeiten in einer hochmodernen SMD-Bestückungslinie an. Ergänzt wird das Portfolio durch Messgeräte, Steuerungen und Schaltschränke für den Abreinigungsprozess von Industrie-Filteranlagen.

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