Hardware in the Loop

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Hardware in the Loop (HiL) bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein eingebettetes System (z. B. reales elektronisches Steuergerät oder reale mechatronische Komponente) über seine Ein- und Ausgänge an ein angepasstes Gegenstück angeschlossen wird und dadurch den Kreis (Loop) schließt. Dieses Gegenstück wird i. A. HiL-Simulator genannt und dient als Nachbildung der realen Umgebung des Systems. Hardware in the Loop ist eine Methode zum Testen und Absichern von eingebetteten Systemen, zur Unterstützung während der Entwicklung sowie zur vorzeitigen Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen.

[Bearbeiten] HiL für eingebettete Systeme

Dabei wird das zu steuernde System (z. B. Auto) über Modelle simuliert, um die korrekte Funktion des zu entwickelnden Steuergerätes (z. B. Motorsteuergerät) zu testen.

Die Eingänge des Steuergeräts werden mit Sensordaten aus dem Modell stimuliert. Um die Reglerschleife (Loop) zu schließen, wird die Reaktion der Ausgänge des Steuergeräts, z. B. das Ansteuern eines Elektromotors, in das Modell zurückgelesen.

Die HIL-Simulation muss meist in Echtzeit ablaufen und wird in der Entwicklung benutzt, um Entwicklungzeiten zu verkürzen und Kosten zu sparen. Insbesondere lassen sich wiederkehrende Abläufe simulieren. Dies hat den Vorteil, dass eine neue Entwicklungsversion unter den gleichen Kriterien getestet werden kann, wie die Vorgängerversion. Somit kann detailliert nachgewiesen werden, ob ein Fehler beseitigt wurde oder nicht (siehe auch Fehlernachtest (engl. re-testing)).

Die Tests an realen Systemen lassen sich dadurch stark verringern und zusätzlich lassen sich Systemgrenzen ermitteln, ohne das Zielsystem (z. B. Auto und Fahrer) zu gefährden.

Die HIL-Simulation ist immer nur eine Vereinfachung der Realität, es kann den Test am realen System deshalb nicht ersetzen. Falls Diskrepanzen zwischen der HIL-Simulation und der Realität auftreten, sind die zugrundeliegenden Modelle in der Simulation zu stark vereinfacht. Dann müssen die Simulations-Modelle weiterentwickelt werden.

[Bearbeiten] HiL im Automobilbereich

Mit der rapiden Zunahme von elektronischen Steuergeräten und steigendem Funktionsumfang, insbesondere in der Antriebselektronik, mit einer Fülle neuer regelbasierter Funktionen, wurde ab ca. Mitte der 1990er Jahre Hardware in the Loop als Maßnahme zur Verbesserung der Testmöglichkeiten im Automobilebereich eingeführt. Hierbei wird HiL in zwei wesentlichen Ausprägungen für den Test angewandt.

1. Adaption von einem elektronischen System (z. B. Motor-, Getriebe- oder Bremsenelektronik) an einen HiL-Simulator als sogenannter Komponenten- oder Modulprüfstand.

2. Adaption von mehreren elektronischen Systemen an einen bzw. mehreren gekoppelten HiL-Simulatoren als sogenannter Integrationsprüfstand. Hierbei gehören die elektronischen Systeme im Allgemeinem zum gleichen Teilbereich des Automobils (Antriebselektronik, Komfort- bzw. Karosserieelektronik, Infotainmentelektronik). Die Verwendung der Bezeichnung HiL im Zusammenhang mit Komfort- bzw. Karosserieelektronik oder Infotainmentelektronik ist umgangssprachlich üblich, jedoch nur bedingt korrekt, aufgrund der Ermangelung an echten Regelkreisen bei diesen Systemen.

Bei der Durchführung von Tests mit HiL werden die in der Anfangsphase manuell durchgeführten Tests durch automatische Testabläufe ersetzt. Dieses Verfahren nennt man Testautomatisierung.

Durch die mittlerweile hohe Güte der verwendeten Modelle im Fahrdynamik oder auch Motorbereich findet das HiL Verfahren seit Anfang der 2000er Jahre immer mehr Anwendung in der Entwicklung neuer Regelalgorithmen. Dies führt mittlerweile zu erheblichen Verkürzungen der Entwicklungszeiten.

Neben der reinen Anbindung des elektronischen Steuergeräts an einen HiL-Simulator gibt es auch die Variante des mechatronischen Verfahrens. Hierbei wird auch ein Teil der Mechanik in die Regelschleife integriert. Dieses Verfahren wird oft bei elektronischen Lenksystemen verwendet, wobei ein Teil des Lenkgestänges als reale Mechanik an den HiL-Simulator gekoppelt ist.

[Bearbeiten] HiL im Maschinen- und Anlagenbau

Im Maschinen- und Anlagenbau wird für Hardware in the Loop in der Regel eine Maschinensteuerung über einen Feldbus an ein Physikmodell einer Maschine angeschlossen. Dieses enthält in der Regel eine Abbildung des Verhaltens sowie des Materialflusses. Über eine optionale 3D-Visualisierung sowie Ausgaben der Physiksimulation kann dann ein Beobachter die Maschinenfunktion überwachen.

Zweck ist die Erstellung und Erprobung von Steuerungsprogrammen, bevor die Bauteile einer Maschine gefertigt und montiert sind. Aktuelle wissenschaftliche Studien bescheinigen dadurch eine Verkürzung von bis zu 80 % während der Inbetriebnahmephase. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, ohne Gefahr für den Bediener Grenzsituationen zu testen, wie z. B. das Fahren auf Hardware-Endschalter.

Zukünftige Anwendungsfelder können die Ferndiagnose und Fernwartung von Maschinen und Anlagen mit einschließen. Über eine Telekommunikationsleitung (z. B. über Internet) wird der aktuelle Zustand einer Steuerung vom Maschinenbetreiber in ein Service-Center beim Maschinenhersteller übertragen. Dort können dann anhand des physikalischen Modells erste Diagnosen gestellt und Empfehlungen abgeleitet werden.

[Bearbeiten] Software in the Loop

Bei Software in the Loop (SIL) werden im Gegensatz zu Hardware in the Loop die Ein- und Ausgaben in das zu testende System von einer speziellen Simulationssoftware übernommen und ausgewertet bzw. aufbereitet.

Für eingebettete Systeme siehe Software In the Loop projekt http://silest.de