Decentralizované vstupně-výstupní moduly pro mobilní zkušební zařízení pro palivové články

„Samotná baterie nestačí,“ říká Siegfried Limmer s ohledem na energetickou revoluci. „V budoucnu budeme potřebovat jak vodíkové, tak bateriové technologie.“ Již nyní denně zažívá, že v důsledku tohoto vývoje roste i poptávka po palivových článcích. Jako jednatel společnosti FutureE v Nürtingenu, která se zabývá vývojovými službami, pracuje Limmer se svými zaměstnanci a partnery na systémech palivových článků. Její zákazníci pocházejí z odvětví manipulace s materiálem, automobilového průmyslu a odvětví užitkových vozidel, ale také z energetického či stavebního sektoru.

Možnosti optimalizace: systém palivových článků 

„Téma palivových článků bude nabývat na významu a předpokládám, že budeme růst spolu s ním,“ říká s přesvědčením generální ředitel. K tomu existují všechny důvody, protože využití vodíku v palivovém článku stále skýtá potenciál pro optimalizaci. V tomto elektrochemickém procesu se plynný vodík oxiduje na anodě, zatímco na katodě se za přísunu kyslíku tvoří voda. Elektrony uvolněné tímto způsobem mohou napájet elektrické spotřebiče. Podobně jako spalovací motor, který se od svého vynálezu neustále zdokonaluje, má však i technologie palivových článků stále velký potenciál pro optimalizaci. Kromě teplot, tlaku a dalších podmínek reakčních látek lze optimalizovat také materiály zapojené do reakcí, jako je elektrolyt nebo katalyzátor.

Technický zkušební stojan

Aby mohla společnost FutureE testovat své vlastní systémy palivových článků, vyvinula zkušební stanici, kterou lze využít i v laboratorním prostředí. A testování v tomto případě znamená více než jen kontrolu kvality na konci výroby. Testování je hlavní součástí vývojové práce, protože správná funkce palivového článku závisí na řadě parametrů, které se procházejí v nesčetných iteracích s cílem určit ideální provozní parametry pro různé scénáře zatížení systému palivových článků. Tím je zajištěno, že systém je vždy provozován s ideálními provozními parametry za různých okolních podmínek – jak při nulových teplotách a 5 % vlhkosti, tak i v tropických podmínkách při 40 °C a 80 % relativní vlhkosti.

LabVIEW: kvazistandard pro zkušební stanice

Software LabVIEW od společnosti National Instruments je prakticky standardem, pokud jde o rozsáhlé testovací postupy ve výzkumu. LabVIEW se však používá také k obsluze zkušebních stanic při vývoji produktů a stále častěji i souběžně s výrobou. „Zejména při výpočtech s použitím maticových funkcí je programátorská náročnost u PLC mnohem vyšší. I při návrhu grafického uživatelského rozhraní nabízí LabVIEW výrazně více možností než PLC,“ vysvětluje Albert Wais. Siegfrieda Limmera zná již řadu let, mimo jiné z doby, kdy spolu pracovali u výrobce palivových článků. Wais se specializuje na programování v LabVIEW a podporuje společnost FutureE v probíhajících projektech. Pro Waisa byl LabVIEW v podstatě softwarem používaným k ovládání zkušebního zařízení. Pomocí tohoto programu lze automatizovat celé série testů a provádět je samostatně.

Signální připojení v rozvaděči: zavedené, ale nepopulární

Ve výzkumu jsou zkušební stoly obvykle vybaveny rozvaděčem, v němž je umístěna měřicí a regulační technika, jakož i řídicí, informační a komunikační technika. Rozvaděč je zpravidla umístěn mimo zkušební místnost, protože uvnitř se simulují náročné klimatické podmínky. Kabely vedoucí k senzorům a akčním členům na zkušebním stolu i na zkoušeném objektu je proto nutné vést jednotlivě ze zkušební místnosti do rozvaděče.

Během testů často vyvstávají otázky, které nebylo možné předvídat již ve fázi plánování. „To vyžaduje další signály. Vždy se plánují rezervní kanály, ale nakonec jich je příliš málo,“ popisuje dilema Wais na základě svých zkušeností. „Pak je nutné v testovacím a laboratorním prostoru vést řadu kabelů z rozvaděče, což vyžaduje značné mechanické úsilí a může s sebou nést nové schvalovací postupy.“

Decentralizované připojení signálu 

Mezitím se v průmyslu prosadilo decentralizované připojení signálů jako alternativa k připojení typu „bod-bod“. I/O moduly se stupněm krytí IP67 se montují přímo na stroj, přijímají signály a předávají je do řídicího panelu prostřednictvím jediného ethernetového kabelu. Dosud se řešení I/O s krytím IP67 pro komunikaci se zkušebními stanicemi používala jen zřídka, částečně proto, že I/O moduly určené pro Industrial Ethernet téměř nekomunikují s LabVIEW. Albert Wais tuto situaci vysvětluje slovy: „Existuje sice ovladač NI pro Ethernet/IP, ale je natolik základní, že s ním nelze prakticky pracovat.“ Je pochopitelné, že společnost National Instruments nepovažuje Ethernet/IP za prioritu pro LabVIEW, zejména proto, že se tento software již několik let používá pouze pro testování během výroby.

Jedinečné: I/O moduly s krytím IP67 a ovladačem pro LabVIEW

K překlenutí této mezery přispěl sám Albert Wais. V rámci projektu se specializovaným výrobcem strojů Kirschenhofer a společností Britax Römer vyvinuli zaměstnanci firem Wais a Kirschenhofer ovladač LabVIEW pro decentralizované I/O moduly TBEN-S společnosti TURCK. „Jednalo se o obrovský úkol, protože hned na začátku tohoto projektu jsme si vybrali nejkomplexnější modul z řady TBEN-S, a to právě ten s RFID modulem.“ Práce se však vyplatila: uživatelé nyní mohou v databázi ovladačů NI najít ovladače LabVIEW pro většinu I/O modulů TURCK s krytím IP67.

Proto Wais doporučil pro zkušební stanici FutureE také použití modulů TBEN-S od společnosti TURCK pro připojení signálů k LabVIEW. „Moduly TBEN-S jsou ideální zejména pro klimatické zkoušky. Instalujeme je přímo do klimatické komory a stačí nám k nim natáhnout pouze jeden kabel. A v klimatické komoře pak můžeme flexibilně přidávat další moduly – aniž bychom museli táhnout nové kabely. Tato flexibilita je pro nás velkou výhodou,“ potvrzuje Siegfried Limmer.

Konečný zákazník těží z flexibility 

Kromě signálů pro senzory je třeba k zkušebnímu stavu připojit také akční členy, například pro řízení chladicí vody a chladicího ventilátoru. Flexibilitu zajišťují také samotné moduly. To znamená, že kanály DXP modulu TBEN-S lze bez nutnosti konfigurace použít jako vstupy i výstupy. Využití modulárního I/O systému na zkušebním stavu přinese výhody i zákazníkům společnosti FutureE. „Naši zákazníci se totiž obvykle po předání systému sami zapojují do vývoje. Poté mohou těžit z toho, že mohou funkce později jednoduše překreslit nebo systém rozšířit.“ Systém je předán tak, aby zákazník mohl později spouštět vlastní testovací scénáře prostřednictvím rozhraní LabVIEW. Uživatel si pak může tyto rutiny sám definovat.

Shrnutí

Generální ředitel Limmer je s projektem zkušebního zařízení stejně spokojený jako s I/O moduly. „Požadavky se u každého zákazníka liší. Někdy vyvíjíme systémy pro vysokozdvižný vozík, jindy pro topný systém nebo přenosný generátor. Jedná se vždy o odlišné požadavky, ale všechny je dokážeme splnit pomocí I/O modulů. Za to si těchto modulů velmi ceníme. Usnadňují nám práci.“

Zákazník | www.future-e.com