Cyberphysische Lösung 20.08.2019, 07:01 Uhr

In Echtzeit miteinander vernetzt

Mithilfe eines cyberphysischen Ansatzes verbinden Forscher Komponenten und Prüfstände in ganz Deutschland. Damit gelingt erstmals ein realitätsnahes, vernetztes Prüfen. Gleichzeitig können Entwicklungskosten und -zeit um bis zu 15 % reduziert werden.

Digitaler Zwilling

Auch mithilfe eines digitalen Zwillings gelang die Vernetzung standort- und partnerübergreifend.

Foto: panthermedia.net/WrightStudio

Ein Elektroauto besteht aus zahlreichen einzelnen Teilen und Komponenten. Sie werden in ganz Deutschland sowie im Ausland gefertigt. Ihren Status sowie die dazugehörigen Prüfergebnisse benötigt man an vielen Orten – und zumeist auch zeitgleich. Es entstand die Idee, Komponenten und Prüfstände standortübergreifend in Echtzeit miteinander zu vernetzen. Damit sollen am Ende zeitliche, finanzielle und logistische Aufwände reduziert werden. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) arbeiteten gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft drei Jahre lang an diesem Projekt namens „TechReaL“, das auch vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde – konkret für einen elektrischen Pkw-Antriebsstrang inklusive Traktionsbatterie .

Lösung aus real existierendem System und virtueller Umgebung

Die Wissenschaftler bedienten sich bei der Lösung zwei verschiedener technischer Grundlagen: eines standortübergreifenden VPN-Netzwerks und der Hardware-in-the-Loop-Technologie (HiL). Mit dem Netzwerk gelang es, zwei Anforderungen zugleich zu erfüllen: Einerseits sollte es die multilaterale Kommunikation zwischen den unterschiedlichen Punkten sicherstellen, andererseits musste das firmeneigene Hauptnetzwerk vor einem ungewollten Zugriff von außen geschützt sein. Die HiL-Technologie half dabei, ein real existierendes Teilsystem und dessen Prüfstand in eine virtuelle Umgebung einzubinden. „Eine realitätsnahe Prüfung kann auf diese Weise erfolgen, da das zu testende Teilsystem unter denselben Bedingungen wie im Gesamtsystem eingebunden ist. Die virtuelle Umgebung simuliert hierbei die restlichen fehlenden Teilsysteme des Gesamtsystems“, sagt Eva Stelter, die das Verbundprojekt „TechReaL“ am Fraunhofer LBF federführend betreut.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Hochschule Esslingen-Firmenlogo
Professor:in für das Lehrgebiet "Konstruktion" Hochschule Esslingen
Göppingen, Esslingen Zum Job 
Safran Data Systems GmbH-Firmenlogo
Testingenieur / Certified Tester (m/w/d) Safran Data Systems GmbH
Bergisch Gladbach Zum Job 
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.-Firmenlogo
Sachgebietsleiter*in Technisches Gebäudemanagement - Betrieb, Wartung & Weiterentwicklung Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
München Zum Job 
Hochschule Esslingen-Firmenlogo
Professor:in für das Lehrgebiet "Elektrotechnik und Elektrische Energieversorgung" Hochschule Esslingen
Göppingen, Esslingen Zum Job 
Rhein-Sieg Netz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Netzbetrieb Rhein-Sieg Netz GmbH
Siegburg Zum Job 
Röhm GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Elektrotechnik / Automatisierungstechnik / EMSR Röhm GmbH
Wesseling Zum Job 
BMI Deutschland GmbH-Firmenlogo
Sicherheitsfachkraft / Fachkraft für Arbeitssicherheit (m/w/d) BMI Deutschland GmbH
Dülmen Zum Job 
SWM Services GmbH-Firmenlogo
Inbetriebsetzungsleiter*in für Verfahrenstechnik (m/w/d) SWM Services GmbH
München Zum Job 
Stadtwerke München GmbH-Firmenlogo
Commissioning Manager Control, Field and Automation Engineering (m/w/d) Stadtwerke München GmbH
München Zum Job 
Herrenknecht AG-Firmenlogo
Technischer Redakteur (m/w/d) Herrenknecht AG
Schwanau Zum Job 
Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieurin /Bauingenieur (m/w/d) Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes
Brunsbüttel Zum Job 
Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieurinnen / Bauingenieure (m/w/d) Fachrichtung konstruktiver Ingenieurbau Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes
Brunsbüttel, Rendsburg Zum Job 
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO-Firmenlogo
Wissenschaftliche*r Referent*in der Institutsleiterin Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO
Stuttgart Zum Job 
Fachhochschule Dortmund-Firmenlogo
Vertretungsprofessur "Produktions- und Qualitätsmanagement"; Fachbereich Maschinenbau Fachhochschule Dortmund
Dortmund Zum Job 
BMI Deutschland GmbH-Firmenlogo
Sicherheitsfachkraft / Fachkraft für Arbeitssicherheit (m/w/d) BMI Deutschland GmbH
Dülmen, Heyrothsberge Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Techniker als Fachexperte für Vertragsmanagement, Ausschreibung, Vergabe & Abrechnung (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Krailling bei München Zum Job 
KTR Systems GmbH-Firmenlogo
Berechnungsingenieur (m/w/d) KTR Systems GmbH
ONTRAS-Firmenlogo
Spezialist Strategische Technologie (m/w/d) ONTRAS
Leipzig Zum Job 
FH Münster-Firmenlogo
Professur für "Strömungstechnik" im Fachbereich Maschinenbau FH Münster
Münster Zum Job 
Technische Hochschule Rosenheim-Firmenlogo
Professorin / Professor (m/w/d) für Applied Embedded Computing Technische Hochschule Rosenheim
Rosenheim Zum Job 

Mithilfe der klassischen HiL-Technologie wären die Forscher allerdings nicht weiter gekommen, da mehrere reale Komponenten geprüft werden, nicht nur eine einzige. Sie erarbeiteten deshalb eine innovative Erweiterung dieser Technologie, die genau das abbilden konnte. Der geschlossene Signalaustausch dazu findet über das Internet statt. Somit gelang es, die Prüfung der realen Komponenten virtuell zu ergänzen, so dass ein Gesamtsystem entstand. Es läuft in Echtzeit gleichzeitig an mehreren Standorten. Diese Lösung bezeichnet man als cyberphysisches System. Es verbindet elektromechanische Komponenten mit Software und dem Internet.

Mit digitalem Zwilling Fehlerquoten reduzieren

Bei einer Kommunikation über das Internet muss man mit schwankender Übertragungsqualität rechnen. Das kann in diesem konkreten Fall Signalverzögerungen verursachen. Innerhalb des Projektes zeigte sich, dass solche Latenzen deutlich länger sind, als die Datenaustauschrate, welche die Dynamik des gesamten HiL-Systems benötigt. „Latenzen beeinträchtigen die Ergebnisgüte und können bis zu einem Ausfall der Simulation und Prüfung führen. Zur Lösung dieser Herausforderung haben wir am Fraunhofer LBF eine Methodik entwickelt, die auf digitalen Zwillingen aufsetzt“, erklärt Eva Stelter.

Ein digitaler Zwilling enthält alle Informationen eines realen Gegenstandes – vereinfacht ausgedrückt. Dieser entsteht hier aus einem Simulationsmodell des Prüflings und einer Identifikationsstrategie der zugehörigen Modellparameter. Die Wissenschaftler ließen die Prüfung des Originalteils parallel zur Simulation des digitalen Zwillings ablaufen. Auf diese Art und Weise lassen sich Austauschsignale zwischen den Komponenten prognostizieren und einen kontinuierlichen Datenaustausch und Prüfablauf sicherstellen. Damit man die Qualität der Schätzung wieder herstellen kann, wird anschließend der digitale Zwilling mithilfe aktuell gemessener Signale an der realen Komponenten aktualisiert.

Vernetzte Prüfung der Hochvolt-Batterie war erfolgreich

Die Kombination, welche die Wissenschaftler in diesem konkreten Fall erarbeiteten, erprobten sie erfolgreich in vernetzten Prüfungen bei der Hochvolt-Batterie im Zusammenhang mit den Tests anderer Antriebsstrangkomponenten und der Gesamtfahrzeugsimulation. Als messbare Größe diente dabei das Spannungssignal aus der Batterie, das zuerst ausgewertet und dann an anderen Standorten als Eingangsgröße verwendet wurde. Bei der Messung der Latenzzeit in der Kommunikation stellten die Wissenschaftler vorher Fehler in Höhe von 15 Prozent fest. Mit der neu entwickelten Methode ließ er sich auf 0,1 Prozent reduzieren. Im Rahmen des Projektes „TechReaL“ gelange es, weitere echtzeitfähige partnerübergreifende Simulationsmodelle für das cyberphysische Prüfen zu entwickeln. Darüber hinaus arbeiten die Forscher in diesem Rahmen an weiteren zukunftsträchtigen Ideen.

Weitere Artikel zu diesem Thema:

Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.