Hochflexible Leistungswächter

Industrieelektronik

Simulation – Die Flugzeuge der Zukunft enthalten immer mehr elektrische Komponenten. Intelligente Prozessmodule ermöglichen eine zuverlässige Simulation der Belastung des Bordnetzes durch die verschiedenen Verbraucher.

04. Mai 2012

Die Energiesysteme in heutigen Zivil- und Militärflugzeugen sind ein kompliziertes Konglomerat verschiedener Technologien, die parallel nebeneinander arbeiten. So werden Fahrwerke und Stellantriebe hydraulisch bewegt, die Klimatisierung erfolgt pneumatisch, Instrumentierung, Steuerung und Kommunikation erfolgen elektrisch, dazu kommen mechanische Antriebsstränge. Diese teils historisch gewachsene 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 arbeiten Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit seit rund zehn Jahren an Projekten wie dem »More Electric Aircraft« (MEA), mit dem Ziel, möglichst viele Komponenten auf elektrischen Antrieb umzustellen. So verringert sich durch die konsequentere Verwendung elektrischer Systeme mit hohen Wirkungsgraden der Leistungsumsatz an Bord. Zudem ermöglicht ein intelligentes Lastmanagement, den Stromverbrauch der zahlreichen potenziellen Verbraucher zu optimieren.

Im Bereich der zivilen Luftfahrt zeigen sich erste Schritte dahin beispielsweise beim Airbus A380, dessen Schubumkehr erstmals elektrisch und nicht wie üblich hydraulisch oder pneumatisch betätigt wird. Auch Boeing geht bei dem 787 »Dreamliner« neue Wege: So wird für Klimaanlage und Enteisungssysteme keine Zapfluft mehr verwendet. Stattdessen arbeiten in jedem Triebwerk zwei Generatoren mit einer Leistung von je 250 kVA, die auch als Elektromotoren zum Anlassen der Triebwerke dienen. Noch höher als in der zivilen Luftfahrt ist das Potenzial der MEA-Entwicklung bei Militärflugzeugen. Aufgrund ihrer hohen Zahl von technischen Systemen auf kleinstem Raum, wirkt sich das Nebeneinander unterschiedlicher Energiesysteme mit entsprechend vielen redundanten Komponenten bei diesen Maschinen besonders negativ aus.

Lastsimulation bei 270 Volt

Die EADS-Tochter Cassidian im oberbayrischen Manching hat deshalb im Rahmen eines MEA-Projektes ein Testsystem entwickelt, mit dem sich die induktiven und kapazitiven Lasten im bei militärischen Luftfahrzeugen üblichen 270-Volt-DC-Bordnetz überprüfen lassen. Herzstück der Anlage ist ein Schaltschrank mit vier baugleichen 270-Volt-Gleichspannungskanälen, der alle möglichen elektrischen Verbraucher simulieren kann. Dazu belastet das System den SSPC (Solid State Power Controller) der 270-Volt-Stromversorgung auf vielfältige Weise durch das Hinzu- oder Abschalten unterschiedlicher R-, L- und C-Anteile und kann so alle erdenklichen Betriebs- und Belastungsszenarien von elektrischen Flugzeugkomponenten sowie von gesamten Systemen simulieren. Angesteuert werden die Kanäle zentral über einen CAN-Feldbus. Dazu kommen Ansteuerungsmodule, beispielsweise für die einzelnen Lasten, sowie digitale Eingangsmodule, welche die Rückgabewerte erfassen. Die Kontaktoren werden jeweils separat über Relaismodule angesteuert, die den erforderlichen Eingangsstrom der Kontaktoren schalten. Pro C- und L-Modul werden acht Kondensatoren bzw. Spulen verwendet, pro Lastpfad vier Lastwiderstände.

Die systeminterne Prozessregelung und -überwachung der Lastsimulationen übernehmen im Schaltschrank intelligente Prozess-I/O-Module der Hesch Industrie-Elektronik GmbH aus dem niedersächsischen Neustadt am Rübenberge. Der CANopen-Feldbuskoppler HE 5811 verbindet dabei den Schaltschrank mit dem CAN-Bus, steuert bis zu 64 Module und versorgt bis zu 16 davon mit Spannung. Zusammen mit einem Powermodul HE5850 für 16 weitere I/O-Module sind damit alle Steuerungsgeräte ohne weitere Verkabelung mit Spannung versorgt. Die Ansteuerung der Lasten übernehmen Relais-Ausgangsmodule der Serie HE5826, welche die Signale vom Feldbus über vier potenzialfreie Wechslerkontakte weiterleiten. Die digitalen Eingangsmodule HE 5820 und HE5822 erfassen acht beziehungsweise vier binäre Rückgabewerte und leiten diese an den Feldbus weiter.

Große Funktionsvielfalt

Alle Module des I/O-Systems enthalten bereits eine umfangreiche Palette an Funktionen, die sich darüber hinaus leicht an spezifische Anwendungen anpassen lassen. Unter anderem verfügen die Module über eine galvanische Trennung, die Überwachung von Kurzschlüssen sowie Funktionen zum Erkennen von Leiter- oder Fühlerbrüchen ohne zusätzliche Komponenten. Zudem können die mit einer eigenen Intelligenz ausgestatteten Module die eingehenden Signale intern so aufbereiten, dass eine übergeordnete Steuerung und Regelung von aufwendiger Rechenleistung entlastet wird.

Die große Zahl von konfigurierbaren Funktionalitäten der einzelnen Module ermöglicht damit eine Prozesssteuerung »aus einem Guss«, mit der sich auch komplexe und umfangreiche Abläufe beobachten und steuern lassen. Zudem reduzieren die Multifunktionsmodule die Anschaffungs- und Lagerhaltungskosten erheblich.

Austausch im Betrieb

Wichtig für ein komplexes Simulationssystem, in dem hohe Belastungen auftreten, ist auch die Möglichkeit zum Austausch einzelner Module im laufenden Betrieb. Durch die interne automatische Selbstkonfiguration erhält das neue Modul dabei vom Feldbuskoppler die Adresse sowie die Konfigurationsdaten des ersetzten Bauteils zugewiesen. Auch die Konfiguration des Systems kann im laufenden Betrieb vorgenommen werden, falls beispielsweise Grenzwerte den tatsächlichen Betriebserfordernissen angepasst werden müssen. Dies geschieht mit der Software »Smart-Control« wahlweise über den Feldbus von einer übergeordneten PC-Station aus oder aber mit einem Laptop direkt über ein Interface an der Frontblende des jeweiligen Feldbuskopplers.bt z

Auf einen Blick

-Die Hesch Industrieelektronik GmbH aus Neustadt am Rübenberge bei Hannover entwickelt und produziert seit mehr als 30 Jahren Komponenten und Lösungen der Industrie- und Prozessautomation.

-Das modulare Prozess-I/O-System IMOD enthält neben zahlreichen I/O-Modulen für unterschiedliche Applikationen auch Feldbuskoppler für alle gängigen kabelgebundenen und drahtlosen Feldbussysteme sowie Powermodule.

-Passende Steuerungsterminals erleichtern die Bedienung.

Erschienen in Ausgabe: 03/2012