Stanowiska testowe MTC w DLR: badania materiałów w ekstremalnych warunkach silnikowych
Niemiecki Instytut Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) w Augsburgu prowadzi zaawansowane badania podstawowe na potrzeby kolejnych generacji silników lotniczych. Korzysta w tym celu z czterech stanowisk testowych MTC (Mechanical, Thermal, Chemical), opracowanych wspólnie z firmą IABG w ramach partnerstwa innowacyjnego, które trwa od 2020 roku. Za generowanie ekstremalnych warunków testowych, monitorowanie przebiegów prób i rejestrację wyników odpowiadają sterowanie oparte na PC, magistrala EtherCAT oraz precyzyjna technologia pomiarowa firmy Beckhoff.
Cztery stanowiska – jeden cel: symulacja warunków silnikowych
Zestaw stanowisk badawczych obejmuje: płaskie biaksjalne stanowisko hydrauliczne, jednoosiowe stanowisko hydrauliczne, stanowisko do badań pełzania oraz stanowisko do badań zmęczeniowych przy bardzo wysokiej częstotliwości cykli (1000 Hz). Na każdym z nich próbki materiałów umieszczane są w komorze ciśnieniowej, gdzie poddawane są działaniu syntetycznej mieszaniny gazów – dwutlenku węgla, tlenku i dwutlenku azotu, dwutlenku siarki, azotu, tlenu oraz pary wodnej – przy ciśnieniu do 20 bar. Laserowy system grzewczy umożliwia precyzyjne nagrzewanie próbek do temperatury 1400°C. Jak podkreśla dr Laura Cordes z Instytutu Testowania i Symulacji Turbin Gazowych DLR, jednoczesne połączenie obciążeń mechanicznych, termicznych i chemicznych nie było dotąd stosowane w żadnym podobnym systemie.
Typowe sekwencje badań obejmują cykliczne obciążenia sinusoidalne, standardowe badania Wöhlera oraz studia propagacji pęknięć. Wyniki są wykorzystywane zarówno w pracach nad rozwojem kolejnych generacji turbin gazowych, jak i do walidacji numerycznych modeli symulacyjnych materiałów i stopów, tworzonych w ramach projektu wirtualnego silnika DLR.
Architektura sterowania i technologia pomiarowa
Do automatyzacji, monitorowania komór testowych i akwizycji danych IABG zastosowała rozwiązania z portfolio Beckhoff. Sterowanie oparte na PC zapewnia otwartość i elastyczność integracyjną, co jest kluczowe przy stanowiskach angażujących wielu różnych dostawców sprzętu. System obsługuje protokoły PROFINET RT oraz TCP, a komunikacja ze sterownikiem lasera odbywa się przez EtherCAT.
Komponenty bezpieczeństwa zostały okablowane tradycyjnie, jednak blokady drzwi poszczególnych komór badawczych zintegrowano z wykorzystaniem EtherCAT P oraz FSoE, co znacząco ograniczyło pracochłonność okablowania. Pozycje głowic laserowych są nadzorowane przez wyłączniki bezpieczeństwa, a temperatury pułapek laserowych monitorowane są za pomocą termopar oraz technologii TwinSAFE SC z terminalami EtherCAT EL3314-0090. Takie podejście umożliwia osiągnięcie wymaganego poziomu bezpieczeństwa podczas wielotygodniowych, nienadzorowanych eksperymentów. Jak ujął to przedstawiciel Beckhoff, TwinSAFE SC stanowi eleganckie rozwiązanie bezpiecznej oceny wejść temperaturowych przy użyciu standardowych czujników, bez konieczności stosowania dedykowanych urządzeń pomiarowych klasy bezpieczeństwa.
Sygnały analogowe (±10 V) z ram obciążeniowych – obejmujące siły, pozycje, przemieszczenia i momenty obrotowe – są próbkowane z częstotliwością 10 ksamples/s za pomocą 4-kanałowych terminali ELM3004. Przy cyklu PLC wynoszącym 1 ms daje to dziesięciokrotne nadpróbkowanie, które w pełni zaspokaja wymagania pomiarowe przy jednoczesnym odciążeniu procesora przemysłowego komputera IPC. Zdecentralizowane podejście do wejść/wyjść pozwala na stosowanie krótkich i ekonomicznych przewodów czujnikowych przy zachowaniu synchronizacji w zakresie sub-µs w całym systemie.
Jako kontrolery stanowisk pracują komputery wbudowane CX2043 i CX5140, połączone mostem EL6692 EtherCAT Bridge. Zbierają one synchronicznie wszystkie wartości procesowe – temperatury, ciśnienia, skład gazów, stany obciążeń i statusy urządzeń – z różnych kanałów pomiarowych. TwinCAT konsoliduje dane na podstawie precyzyjnych znaczników czasowych telegramów EtherCAT, tworząc kompletny obraz procesu dostępny do analizy serii testowych. Do konfiguracji terminali EtherCAT z centralnej sterowni, za pośrednictwem interfejsu użytkownika LabVIEW™, służy interfejs TF3710 z protokołami TwinCAT ADS i CoE.
Perspektywy rozwoju
W planach DLR i IABG znajduje się rozszerzenie wykorzystania protokołu OPC UA – nie tylko do transmisji danych ze stanowisk, lecz również do realizacji funkcji sterujących, takich jak dostosowywanie cykli obciążenia w czasie rzeczywistym w celu odwzorowania warunków panujących w turbinie podczas lotu. Równolegle rozważane jest uruchamianie modeli MATLAB® i Simulink® bezpośrednio na komputerze IPC obsługującym warstwę pomiarową, przy zachowaniu wyraźnego rozdziału między warstwą sterowania a warstwą pomiarową.
Stanowiska testowe MTC w DLR Augsburg reprezentują unikalne podejście do badań materiałów w warunkach wielofizycznych. Połączenie sterowania opartego na PC, magistrali EtherCAT i modułowej technologii pomiarowej Beckhoff umożliwia precyzyjną i elastyczną realizację złożonych sekwencji badawczych, a otwarta architektura systemu tworzy solidną podstawę dla planowanych rozszerzeń funkcjonalnych.
Więcej na www.beckhoff.com
