LabVIEW: Automatisierung einer Versuchstankstelle für einen Automobil-Zulieferbetrieb

Author(s):
Alois Lang - Lang electronic

Industry:
ATE/Instrumentation, Oil and Gas/ Refining/ Chemicals, Automotive

Products:
PXI/CompactPCI, Data Acquisition, LabVIEW

The Challenge:
Zügige Datenprotokollierung und Visualisierung im Versuchsfeld eines Prüflabors eines High-Tech-Kraftstofftankherstellers für Automobile

The Solution:
Entwicklung eines automatischen Datenerfassungssystems mit NI LabVIEW

Diese Anwenderlösung ist ein Beitrag zum jährlichen VIP-Kongress von National Instruments. Der vollständige Beitrag ist auch im kongressbegleitenden Tagungsband VIP 2006, S. 98-104, veröffentlicht.

Kurzfassung

Dieser Beitrag beschreibt ein automatisches Datenerfassungssystem im Versuchsfeld eines Prüflabors eines High-Tech-Kraftstofftankherstellers für Automobile. Ein neues automatisches Mess-System ersetzt die händischen Mitschriften in Tabellen und die nachfolgenden langwierigen Auswertungen. Während jeder Einzelmessung werden alle relevanten Daten erkannt und aufgezeichnet. Abschließend wird automatisch ein Messprotokoll gedruckt. Aus dieser Datenbank, welche mehr als 100 Einzelmessungen einer Versuchsreihe annehmen kann, wird ein Summenprotokoll nach genau vorgegebenem Schema erstellt. Die viele Stunden dauernde Datenauswertung nach jeder Messreihe wird jetzt in wenigen Minuten automatisch erledigt.

 

Einleitung

Datenprotokollierung und Visualisierung im Versuchsfeld eines Prüflabors ist umfangreich, aufwendig und erfordert enorm viel Zeit. Genau vor dieser Problematik stand der Tanksystem-Entwickler Tesma, ein Betrieb der Magna-Gruppe, in Sinabelkirchen, Steiermark. Hier werden unter anderem High-Tech-Kraftstofftanks für Automobile vorwiegend für die europäischen KFZ-Hersteller entwickelt und produziert. Jedes Tankmodell muss in einer eigenen Testabteilung auch bei kleinsten Änderungen des Designs umfangreichen Tests unterworfen werden. Ein Grossteil dieser Tests wird an einer eigenen Versuchstankstelle durchgeführt. Jeder Test und jede Testreihe muss genauestens protokolliert und entsprechend den Fahrzeug-Herstellervorschriften geprüft werden. Ein neues automatisches Mess-System sollte die händischen Mitschriften in Tabellen und die nachfolgenden langwierigen Auswertungen ersetzen.
Die scheinbar einfache, aber dennoch komplexe Aufgabenstellung konnte nur durch Neuentwicklung einer genau dem Bedarf angepassten Hard- und Software gelöst werden. Mit dieser hier vorgestellten Lösung konnte die in Europa wahrscheinlich modernste und komfortabelste Visualisierung, Protokollierung und automatische Datenauswertung einer Labor-Versuchstankstelle realisiert werden (siehe Abbildung 1: Versuchstankstelle mit Mess-System von LANG electronic).

 

Ein Kraftstofftank für ein KFZ ist ein High-Tech-Gerät

Die Tanks für die Autos der letzten Generation sind ein ausgeklügeltes System von verwinkelten Außenabmessungen, Schläuchen, Füllstutzen und jeder Menge „Innenleben“, also immer genauere Sensorik für die Kraftstoffanzeige, Ausgleichspumpen für verschiedene Kammern, Ventilen usw.
Aufgabe der Testabteilung ist es, alle Einflussfaktoren fehlerhafter Tankvorgänge zu testen und diese umfangreichen Tests einheitlich nach einem festgelegten Testprozedere durchzuführen und zu protokollieren. Getestet werden Umwelteinflüsse (Kälte, Hitze, Luftfeuchtigkeit), unterschiedliche Zapfpistolen und Tankstellenanlagen für Europa und den anderen Kontinenten, verschiedene Treibstoffarten und vor allem individuelles Verhalten jedes Anwenders.

LabVIEW und Hardware von National Instruments – eine perfekte Kombination

Die Hardware wurde in herkömmlicher hochwertiger PC-Technik aufgebaut. Die Datenvisualisierung, das User-Interface und die Benutzerführung wird mit einer Dual-Monitorlösung – 2 Stück 19“-TFT-Monitore und einer Dual-Head-Grafikkarte realisiert.

Dank der 2 Monitorlösung (siehe Abbildung 2: Darstellung des Dual-Displays – linker und rechter Monitor) ist es möglich, auf einem Schirm das User-Interface, die Darstellung aller relevanten Messwerte und die Programmführung darzustellen. Auf dem 2. Monitor werden einige wenige, aber wichtige Daten für den Prüfablauf mit sehr großer Zeichendarstellung zum Ablesen aus größerer Entfernung angezeigt. Insbesondere werden hier die für den korrekten Prüfablauf notwendigen nächsten Schritte und Wartezeiten  in Form eines definierten Versuchsablaufes dargestellt.
Für die Messtechnik wurden die bewährten Produkte von National Instruments gewählt. Sie basieren auf einer 16-bit PCI-Einsteckkarte (NI PCI 6221). Zur Sensor-Signalaufbereitung wird die Signalkonditionierungshardware NI-SCC 2345 mit Analog-, Temperatur- und Digitaleingängen von National Instruments eingesetzt.

Funktionalität und einfache Bedienbarkeit der Anwendersoftware

In der Realisierung der Software wurde besonders Wert auf logischen und immer gleichen Ablauf der Messführung gelegt.  So ist es dem Testingenieur immer nur möglich, die Schritte zu starten, welche als nächstes zulässig oder notwendig sind. Trotzdem behält der Anwender jede Freiheit, weil alle Schritte immer manuell gestartet und unterbrochen werden können.

Jede Messreihe beginnt mit dem Ausfüllen des Eingabefeldes, einer Datensammlung des aktuellen Prüflings. Diese Daten sind enorm wichtig. Sie bilden die Basis für die Art der automatischen Messführung und sind Grundlage für das Protokoll. Es enthält alle Kundendaten, wichtige Daten des Prüflings und alle Angaben zur Art der Messdurchführung, wie z.B. Art des Kraftstoffes, Typ der Zapfpistole, verwendete Filter usw. Die Vorgaben für dieses Formular werden immer von der letzten Messung übernommen, es brauchen nur mehr die geänderten Einträge eingegeben werden (siehe Abbildung 3: Das Eingabefeld mit allen Daten zur aktuellen Betankung).

Mit dem Starten des automatischen Prüfablaufes werden bei Bedarf noch einige Eingaben abgefragt, z.B. ein bereits bestehender Rest-Tankinhalt oder verwendete Filter. Alle Messwerte des Betankungsvorganges werden online dargestellt und gespeichert. Am Ende der Messung wird immer ein automatisches Messprotokoll generiert (siehe Abbildung 4: Für jede Messung wird automatisch ein Messprotokoll erstellt).

Automatischer Betankungsstopp – die sogenannten „Abschalter“

Die Software erkennt jeden „Abschalter“ - so wird das Abschalten der Zapfpistole beim Tankvorgang genannt - automatisch. Diese Abschalter sind ein wichtiges Kriterium in der Beurteilung der Zuverlässigkeit eines Tanksystems. Das Abschalten der Zapfpistole wird in 3 Gruppen eingeteilt. Erstens die unerwünschten vorzeitigen Abschalter vor dem Erreichen des Tank-Nennvolumens, danach folgen die Abschalter innerhalb der Nennvolumentoleranz des Tanks (siehe Abbildung 5: Wichtigstes Beurteilungskriterium – die sogenannten „Abschalter“).

Alle sogenannten Nachabschalter, also jene Nachtankversuche, in denen der Tank eigentlich schon voll ist, bilden die 3. Gruppe der Abschalter. Alle diese Abschalter müssen zuverlässig erkannt und dokumentiert werden. Softwaretechnisch eine schwierige Aufgabe, steht doch als einziger relevanter Sensor nur der Durchflusssensor mit einer Pulsfolge bis etwa 100 Hz zur Verfügung. Einzig diese Impulse können zur Berechnung der Durchflussmenge, der Tankfüllmengenberechnung (Volumen), Erkennung von Start und Stopp der Messung und zur Identifizierung der Abschalter herangezogen werden. In diese Abschalttabelle können während der laufenden Messung Zusatzinformationen und Kommentare eingegeben werden (z.B. Tropfenbildung usw.), diese Tabelle kann aber auch nach erfolgter Messung in allen Werten korrigiert werden, um eventuelle Fehlinterpretationen richtig stellen zu können oder Kommentare anzufügen.

Datenauswertung von mehreren Tagen erfolgt jetzt in wenigen Minuten

Für die Prüftechniker von Tesma stellt sich die Funktion der automatischen Gesamt-Report-Generierung, welche üblicherweise nach dem Abschluss einer ganzen Messreihe aufgerufen wird, als einer der größten Vorteile dar. Während jeder Einzelmessung werden alle relevanten Daten aufgezeichnet. Diese Datenbank, welche mehr als 100 Einzelmessungen einer Versuchsreihe mit einer Gesamtversuchsdauer von mehreren Tagen annehmen kann, wird zur Protokollierung herangezogen. Daraus wird ein Summenprotokoll einer ganzen Versuchsreihe nach genau vorgegebenem Schema erstellt. Die viele Stunden dauernde Datenauswertung wird jetzt in wenigen Minuten automatisch erledigt.
Die umfangreiche Datenbank gestattet es, jede vergangene Messung als Datensatz mit allen Tank- und Setupdaten, Kundendaten, gemessenen Tabelleninhalten, Messkurven und Kommentaren zu laden, so als ob die Messung gerade durchgeführt worden wäre (siehe Abbildung 6: Der Gesamt-Report enthält alle wichtigen Tankparameter aller Messungen übersichtlich aufgelistet).

Software-Realisierung

Die Anwendersoftware ist vollständig in LabVIEW Version 7.1 programmiert. Das gesamte Softwarepaket ist sehr umfangreich, es wurde daher in 5 Einzelprogramme unterteilt. Die Software besteht aus einem Hauptprogramm und 4 weiteren eigenständigen Programmen, welche bei Bedarf im Hauptprogramm als SubVI aufgerufen werden. Im Hauptprogramm wiederum laufen sechs, zum Teil sehr komplexe Programme mit eigenem Timing, parallel in eigenen Schleifen. In der Haupt-Schleife erfolgt die Datenerfassung, Auswertung, Erkennen der „Abschalter“, Visualisierung und Datenspeicherung. In den weiteren Schleifen laufen ein manueller und programmierbarer Timer, Steuerung des Groß-Displays, Pulsgeberauswertung (Frequenzmessung), die Benutzerführung und vor allem ein eigenes User-Interface mit kurzen Reaktionszeiten. Durch diese parallelen Schleifen ist sichergestellt, dass die Messung immer weiterläuft, auch wenn ein Eingabefenster, Popup etc. eine Benutzereingabe erwartet.

Die Funktionen Dateneingabe, Messprotokoll erstellen, Tabelle der Abschaltwerte editieren und die Gesamtprojekt-Zusammenstellung sind in jeweils eigenen Programmen erstellt.
Als besonders aufwendig gestaltete sich die Erstellung des Ausdruckes für die Gesamtprojekt-Zusammenstellung. Am Beginn werden bis zu einige hundert Files geöffnet, nach entsprechenden Daten durchsucht und nach Übereinstimmungen verglichen. Die Ergebnisse werden in Tabellen eingetragen. Da LabVIEW komplexe Druckzusammenstellungen zu wenig unterstützt, war es erforderlich, alle zu druckenden Seiten der Projektzusammenstellung durch Drucken einer SubVI-Oberfläche zu lösen. Für jede auszudruckende Seite muss per Programm automatisch ein „Frontpanel“ erstellt werden. Problematisch gestalten sich die Tabellen mit unterschiedlicher Zeilenhöhe. So ist es erforderlich, jede Zeile der Tabelle getrennt zu bewerten. Die Anzahl der in einer Tabellenzeile untereinander stehenden Einträge sind zu erfassen und bei Bedarf am Seitenende so zu trennen, dass auf dem folgenden Blatt der Eintrag richtig fortgesetzt wird. Dies lässt sich mit in der Größe gesteuerten Tabellen lösen. Diese so auf eine Seitengröße erstellten „Frontpanels“ werden dann durch Schließen des SubVI gedruckt.

Kundenreaktion

Dieses Messsystem wird von den Kunden von Tesma – Audi, BMW, Mercedes, Ford, VW usw. sehr geschätzt – alle Messungen laufen präzise und reproduzierbar ab. Weiters sind alle Versuchsprotokolle immer einheitlich gestaltet und sofort verfügbar.

Weitere Informationen zu dieser Kundenlösung erhalten Sie über:

Ing. Alois Lang
LANG electronic
Anzengrubergasse 14
A-8700 Leoben, Österreich
Tel. +43 664-4048355
Fax  +43 3842 26005
E-Mail: lang@langelectronic.at
www.langelectronic.at

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