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Ralf HoffmannMetamodelle in einem cyber physischenRelais- System “Digitaler Zwilling”
präsentiert zu den 14. Weimarer Optimierungs- und Stochastiktagen 2017 Quelle: www.dynardo.de/library
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Inhalt
1 – Definition, Ziel, Motivation
2 – Beschreibung Methode, Lösungsansatz
3 – Simulationsmodell
4 – Demonstrator “Digitaler Zwilling”
5 – Zusammenfassung, Ausblick
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WOST 2017 R. Hoffmann
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PHOENIX CONTACT
Über uns
Ein privat geführtes
Unternehmen
1923 gegründet
mit hoher
Wertschöpfungstiefe
Umsatz 2016 1,97 Mrd. €
Mitarbeiter 15.000 weltweit, ca. 50% in Deutschland
Hauptsitz Blomberg OWL
Weltmarktführer in der
elektrischen
Verbindungstechnik und
Automation.
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Cyber-physisches System
=
Verbund
informatischer und
mecha(tro)nischer
Teile
die über eine Dateninfrastruktur
(z. B. das Internet)
kommunizieren
Begriffsbestimmung (VDI/VDE-Gesellschaft)
1. Definition
© VDI 2013
4
Referenzarchitektur Industrie 4.0 (RAMI 4.0)
© BMWI 2016 IEC 62890I
Geschäftsprozesse
Funktionen
Daten
Kommunikation
Digitalisierung
Physische Dinge
Produktlebenszyklus
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Ziel:
1. Ziel - Motivation
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Verhaltensmodell eines
Sicherheitsschaltgerätes
Beispiel: Kontaktlebensdauer
Realisierung durch Verknüpfung eines
Simulationsmodells mit einem
real schaltenden Relais
Dies ermöglicht die Vorhersage
von Fehlern
Schaltgerät
Messwerte Import / Export (*.csv)
PxC Interface “QDM”
Simulation
Analyse
Optimierung
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Kontaktverschleiss
Mechanik
Temperatur
Elektromagnetik
2. Beschreibung Methode
Physikalische Domains im Relais:
Dynamik
Systemverhalten Mechanische
KennwerteAnkerposition
Kontaktabstand…© Wikipedia
Empirische Modelle
Kontaktwiderstand (Holm)
Lichtbogen (Rieder)
© El. Kontakte Springer Verl.
U = s1/1.57 * 0.00385-1/1.57 * I-0.49/1.57 + UM
𝑅𝑘 = 280𝑟 𝐸/(𝐹𝑘 − 𝑟)
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2. Beschreibung Methode
Modellerstellung FEM Modelle koppeln:
Berechnung (wiederholend) des komplexen Verhaltens der gekoppelten Einzelsysteme
mittels FEM
- hoher Modellaufwand; hohe Rechenzeit; sehr viele Freiheitsgrade ( >10e6 )
- kleine Zeitschritte, viele Rechnungen, nicht echtzeitfähig
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© CADFEM -ANSYS Usersmeeting 2006 - 2016
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Berechnung (einmalig) mittels FEM: Wissen / Information aus 3D Simulation als Basis
Projektion der Werte einzelner Freiheitsgrade ausgewählter Punkte
in Reduced Order Model (ROM) wenige Freiheitsgrade (< 1e3)
-Mechanisch: State Space Matrix (Zustandsmatrix aus harmonischer Analyse)
-Elektromagnetisch:ECE (Equivalent Circuit Extraction)
-Temperatur: Krylov Subspace (MOR for ANSYS)
-Software: functional moc-up unit (FMU)
-Datenbasierte ROM: (Metamodelle)
Kopplung der Einzelsysteme auf Systemebene mit ANSYS-Simplorer
Modellerstellung Modelle reduzierter Ordnung (ROM):
2. Beschreibung Methode
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LD-MOP Simu
0
00
0
0
0
0
0
0 0
0
0
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0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
VWAOT_uzVWOT_uz
VWANC_uzVWNC_uz
MP_uz
OTBet_uz
NC1_uz
NC2_uz
RF_uz
AL_roty
S
+
MP_uz
0.00 10.00 20.00Time [ms]
-0.65
0.00
0.65
MP
_uz.S
[m
m]
Curve Info
MP_uz.STR
Gap_RF
LIMIT_Anker_NC_VW
LIMIT_Anker_OT_VW
NC1_Kontakt
NC2_Kontakt
F+
S_ROTB3
Current1_N1
Current1_N2
T1_N1
T1_N2
R1
A
AM10.00 10.00 20.00
Time [ms]
0.00
0.01
0.02
AM
1.I
[A
]
Curve Info
AM1.ITR
AHF
+ F AWin
Ankeranschlag
T
AnkerTorque
Lagerreibung
MASS_Betaet
BetNO_uzNOCon_uz
S
+
NO_Cont
0.00 10.00 20.00Time [ms]
-1.25
-1.00
0.00
0.26
NO
_C
ont.
S [
mm
]
Curve Info
NO_Cont.STR
Vosrp_NO_BetaetNO_Kontakt
10.00 15.00 20.00 25.00Time [ms]
0.00
200.00
381.40
NO
_K
onta
kt.
F [
mN
ew
ton]
Curve Info
NO_Kontakt.FTR
LIMIT_Betaet_OT
S
+
SM_TRB10
NO
NC2NC1
E1A10.00 15.00 20.00 25.00
Time [ms]
0.00
1.25
2.25
AM
_Last.
I [A
]
Curve Info
AM_Last.ITR
R3
A
AM3
R5
DAMP_TRB4 DAMP_TRB5
DAMP_TRB1
DAMP_TRB3DAMP_TRB2
CONST
Holm
Rk_NC1
Rk_NC2
RkNO
R_Last
STATE_start
TRANS_ein
TRANS_ausSTATE_Aus
TRAN_ein
ST
tein2
SET: t2:=tTRANS_aus2
ST
tein1
SET: tein1:=t
SET: NO_1:=MP_uz.S
DAMP_TRB6
KA_Reed_Strom
FF_Reed_Strom
FMag_uz Zweg_uz
Fix_uz
Current1_N1
Current1_N2
Fz_Mag_N1
Fz_Mag_N2
A
AM4
F
FM_TRB1
S
+
SM_TRB1
GAIN
Wicklung
CONST
Holm_Reed_NO
Reed_Strom
Rk_Reed_Strom
E4
R2
10.00 15.00 20.00 25.00Time [ms]
-3.50
-2.00
0.00
R2.V
[V
]
Curve Info
R2.VTR
L_Last
PWM
PWM1
CONST
wait
CONST
Ein
CONST
Pause
CONST
Aus
I_Last
Temp
UHS
t_Prell_S
Ssp_50P
CONST
LD_Relais
1
Time [ms] 25
LD_Relai... 18...
Abs
Abs_Fluss
Yt
I_NO
0.00 10.00 20.00Time [ms]
Curve Info
I_NO.V...TR
CONST
tp
CONST
ILast
0.00 10.00 20.00Time [ms]
0.00
1.00
2.00
ILast.
VA
L
Curve Info
ILast.VALTR
Yt
Reed
0.00 10.00 20.00Time [ms]
Curve Info
Reed.VALTR
Yt
U_NC
0.00 10.00 20.00Time [ms]
Curve Info
U_NC....TR Yt
U_NO
0.00 10.00 20.00Time [ms]
Curve Info
U_NO....TR
Yt
U_L
0.00 10.00 20.00Time [ms]
Curve Info
U_L.VALTR
Yt
U_B
0.00 10.00 20.00Time [ms]
Curve Info
U_B.VALTR Yt
T_U
0.00 10.00 20.00Time [ms]
Curve Info
T_U.VALTR
R4
C1
R6 R7
NPN6_1
R8R9
C2
D1
Dummy_R
E5
C4
C_Coil
C3
E6
D2D3
CONST
OT_NO1
1Time [ms] 25....
CONST
OT_NO2 1Time [ms] 25.00...
ST
tein_mess1
SET: tein_mess1:=t
TRANS_Mess_aus2
ST
tein_mess2
SET: tein_mess2:=t
TRAN_Mess_ein
STATE_Mess_Aus
TRANS_Mess_ausTRANS_Mess_ein
STATE_Mess_start
CONST
OT_NO
1Time [ms] 25
Schaltgerät
3. Simulationsmodell
Elektronik
Logik
Elektromagnetik
ECE
Mechanik
sml
Elektronik
Last
Firmware
FMU
Temperatur
VHDL-AMS
MOR-ACT
Datenlink
“QDM”
Messung
Strom, Spannung, Temperatur…
Empirische Modelle:
Kontaktwiderstand
Lichtbogenbrenndauer
Kontaktverschleiß?
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Mechanische
Parameter?
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Kontaktlebensdauer schaltende Kontakte:
3. Simulationsmodell
Stand der Technik:Abschätzung der elektrischen
Lebensdauer von Relais mittels
Weibull-Charakteristik ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com
Electrical endurance DC13 4A
number of cycles
Fa
ilu
re
p
ro
ba
bilit
y [%
]
1,0E+2 1,0E+51,0E+3 1,0E+41,E-1
5,E-1
1
5
10
50
90
100
1,E-1
Wahrscheinlichkeit-Weibull
X7211 + 2233JWeibull-2PRRX SRM MED FMF=75/S=0
DatenpunkteWahrscheinlichkeits-Linie
Christian MüllerPhoenix Contact Electronics18.07.201614:42:59
10%
Konsequenzen:Lebensdauer des konkreten Gerätes kann
nur mit einer statistischen (Un)Sicherheit
abgeschätzt werden:
typ: 10%-Wert
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Kontaktlebensdauer Relais:
Lösungsansatz:Experimentell ermittelte Kontaktlebensdauer durch Metamodell(e) (MoP) in Kennfeld(ern) abbilden
3. Simulationsmodell
Test MoP FMU
Relaiskennwerte
Last
Umgebungsbedingungen
Ausfallverhalten
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Excel Add-In
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Kontaktlebensdauer Relais:
Kennfelder für verschiedene Lastbereiche und Lastarten
Einschaltvorgang / Ausschaltvorgang / Lastzuordnung
3. Simulationsmodell
ohmsch induktiv kapazitiv AC / DC
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Messung mechanischer Parameter des Relais im Gerät:
3. Simulationsmodell
Stand der Technik:Mechanische Messungen werden im Labor
am offenen Relais durchgeführt :
Problem:Messung im Gerät nicht möglich:
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Magnetfeld bei unterschiedlichen Ankerpositionen und Spulenerregungen
Bxyz(1,2) = f(Mxwin; Strom)
3. Simulationsmodell
Lösungsansatz:Mechanische Parameter im Gerät mit Magnetfeld messen
Bxyz2Bxyz1
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3. Simulationsmodell
Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:Bxyz(1,2) = f(Mxwin; Strom)
Strom=0
Strom=max.
Starke Eingangskorrelationen:Strom - Bx1z1
Bz2
Bx2
Bz1
Hub (mm)
Hub (mm)
B (T)
B (T)
Bx1
Mxwin
Strom
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3. Simulationsmodell
Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen: MoP B(x12,z2) = f(Mxwin; Strom)
CoP Matrix Bx1,2; Bz2
stark korrelierte Eingangs-Parameter reduziert
Bz2=f(MxWin ; Strom) Bx1=f(MxWin ; Strom)
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Invertierbar?
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3. Simulationsmodell
Invertierung:
MoP: Mxwin=f(Bx12z2; Strom)
CoP=100%
Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:
Invertierung Mxwin=f(Bx12z2; Strom) Problem: Extrapolation Mxwin
ist eindeutig (injektive Abbildung)
-2.85° < Mxwin < 2.8°
MoP: Mxwin=f(Bx12z2; Strom)
CoP=96%
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Nr. Signalparameter CoP Extrapol.
Anzahl
Signale
Anzahl
Sensoren
1 Bx1x2z1z2 Strom 100 2 5 2
2 Bx1x2z2 Strom 100 2 4 2
3 Bx2-x1 Strom 69 1 3 2
4 Bx2z2 Strom 98 1 3 1
5 Bz2-x1 Strom 97 1 3 2
6 Bx2 Strom 96 1 2 1
7 Bx1x2 Strom 99 (2) 3 2
3. Simulationsmodell
Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:Invertierung – MoP
MoP-4:
Mxwin=f(Bx2z2; Strom)
MoP-6:
Mxwin=f(Bx2; Strom)
MoP-2:
Mxwin=f(Bx1x2z2; Strom)
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3. Simulationsmodell
Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:
Vergleich: Simulation - Messung
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3. Simulationsmodell
Mechanische Parameter mittels Magnetfeld messen:Vergleich Simulation - Messung
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MoP: Hub=f(Bx2; Strom)
CoP=100% Messung
WOST 2017 R. Hoffmann
Invertierung
MoP: Bx2=f(Hub; Erregung)
CoP=99% MessungMoP: Hub=f(Bx2; Strom)
CoP=100% Simulation
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LD-MOP Simu
LD-MOP Mess
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Gap_RF
F+
S_ROTB3
Current1_N1
Current1_N2
T1_N1
T1_N2
RCoil
AHF
+ F
AWin
Ankeranschlag
T
AnkerTorque
NO
NC2NC1
E1A
10.00 15.00 20.00 25.00Time [ms]
0.00
1.00
2.00
AM
_L
as
t.I
[A]
Curve Info
AM_Last.ITR
R3
A
AM3
R5
CONST
Holm
Rk_NC1
Rk_NC2
RkNO
R_Last
STATE_startTRANS_ein TRANS_aus
STATE_AusTRAN_ein
tein2
SET: t2:=tTRANS_aus2
tein1
SET: tein1:=tSET: tein1_simu:=Uhr.V
DAMP_TRB6
KA_Reed_Strom
FF_Reed_Strom
FMag_uz Zweg_uz
Fix_uz
Current1_N1
Current1_N2
Fz_Mag_N1
Fz_Mag_N2
A
AM4
F
FM_TRB1
GAIN
Wicklung
CONST
Holm_Reed_NO
Reed_Strom
Rk_Reed_Strom
E4
10.00 15.00 20.00 25.00Time [ms]
-3.50
-2.50
-1.25
0.00
R2
.V [
V]
Curve Info
R2.VTR
L_Last
PWM
PWM1
CONST
Ein
CONST
Aus
Abs
Abs_Fluss
CONST
tp1
Time [ms] 35.000000
tp.VAL 3.521123
CONST
ILast
0.00 12.50 25.00Time [ms]
0.00
1.00
2.00
ILa
st.
VA
L
Curve Info
ILast.VALTR
Yt
Reed
5.00 7.00 9.00Time [ms]
Curve Info
Reed.VALTR
Yt
USP_p
5.00 7.00 9.00Time [ms]
Curve Info
USP_p....TR
Yt
U_L
0.00 12.50 25.00Time [ms]
Curve Info
U_L.VALTR
Yt
T_U
1
Time [ms] 35
T_U.VAL 21
C_CoilC3
D2
CONST
OT_NO1
1
Time [ms] 35.000000
OT_NO1.V... -0.000409
CONST
OT_NO2 1
Time [ms] 35.000000
OT_NO2.V... -0.000586
ST
tein_mess1
ST
tein_mess2
TRAN_Mess_ein
STATE_Mess_Aus
TRANS_Mess_aus
TRANS_Mess_ein
STATE_Mess_start
CONST
OT_NO_simu
1
Time [ms] 35
OT_NO_simu.V... 177
CONST
tp_mess
1
Time [ms] 35...
tp_mess.... 0....
Zeitmaschine
+
V
Uhr
1
CONST
LD_Relais_Mess1
1
Time [ms] 35
LD_Relais_Mes... 28178
CONST
LD_Relais_Simu1
1
Time [ms] 35
LD_Relais_Simu... 8158
I_Last
Temp
UHS
t_Prell_S
extrapolate
Ssp_50P
I_Last
Temp
UHS
t_Prell_S
extrapolate
Ssp_50P
CONST
extrapolate
Yt
U_NC1
0.00 10.00 20.00Time [ms]
Curve Info
U_NC1....TR
Yt
INO1
15.00 20.00Time [ms]
0.000.250.500.751.001.251.501.752.002.25
INO
1.V
AL Curve Info
INO1.VALTR
Yt
USP_m
5.00 7.00 9.00Time [ms]
Curve Info
USP_m....TR
AISP
0.00 10.00 20.00 30.00Time [ms]
0.00
0.01
0.02
ISP
.I [
A]
Curve Info
ISP.ITR
ST
tein_mess3
TRANS_Mess_ein1CONST
ILast1
Bx2
P15___strom1__A_
extrapolate
cutted_value_Hub
original_value_HubGAIN
Hub_mess
10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00Time [ms]
0.00
5.00
10.00
12.00
Hu
b_
me
ss
.VA
L
Curve Info
Hub_mess.VALTR
10.00 20.00 30.00Time [ms]
0.00
125.00
250.00
350.00
OT
_N
O_
sim
u.V
AL
Curve Info
OT_NO_simu.VALTR
0.00 12.50 25.00Time [ms]
Curve Info
tp.VALTR
1
Time [ms] 35.000000
ILast1.V... 2.040000
1
Time [ms] 35.000000
ILast.VAL2.000100
Metamodelle Kontaktlebensdauer und Wegmessung
Elektronik
Logik
Elektromagnetik
ECE
Mechanik
sml
Elektronik
LastFirmware
Kontaktlebensdauer
Kennfeld - MoP
3. Simulationsmodell
Datenlink
“QDM”
Messung
21
Empirische Modelle:
Kontaktwiderstand
Lichtbogenbrenndauer
Mechanische
Parameter
Bx2; Strom - MoP
Temperatur
VHDL-AMS
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Sicherheitsschaltgerät mit:
- Firmware
- Elektronik Komponenten
- Elektro-mechanischen Komponenten
4. Demonstrator
22
WOST 2017 R. Hoffmann
Kommunikations-Interface mit:
-Simulations-Model auf PC (Windows)
-Prognose Relais-Lebensdauer
6,20
5,30
4,00
3,50
4,60
5,60
6,20
11,20 11,20
Anwendungsfall:
Relais prellt beim Einschalten: Gefahr von Kontakt - Verschweissung
4. Demonstrator
23
tp=1.592ms
tp=0.826ms
297 Schsp.
29343 Schsp.
WOST 2017 R. Hoffmann
6,20
5,30
4,00
3,50
4,60
5,60
6,20
11,20 11,20
Grundsätzlicher Funktionsnachweis eines cyber physischen Relaismodells durch
einen Demonstrator ist erfolgt
Weitere Entwicklung:
Detaillierung der LD-Kennfelder (Dauerversuche)
Vereinfachung der Lastidentifikation (Reduzierung numerischer Aufwand)
Erweitertes Relaismodell
(Kontaktmodell; Lastkreisrückwirkung)
Echtzeitsanalyse / online Datenschnittstelle (MQTT)
4. Zusammenfassung - Ausblick
24
WOST 2017 R. Hoffmann
6,20
5,30
4,00
3,50
4,60
5,60
6,20
11,20 11,20
CADFEM:
Dr. M. Hanke; Entwicklung der Simulationssoftware zur Nutzbarkeit in der Anwendung
Dynardo:
Hr. S. Marth; Unterstützung bei der Erzeugung der Metamodelle für Versuchsdaten und der
Modifikation der MoP zur Abbildung inverser Funktionen
Phoenix Contact Electronics:
Ch. Adam, Dr. S. Benk; S. Heinrich; Messungen und Programmierung der QDM-Schnittstelle
Danksagung
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WOST 2017 R. Hoffmann
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