近乎极限：极端工况下的材料测试

位于奥格斯堡的德国航空航天中心（DLR）借助 IABG 开发的四台 MTC 测试台架，为未来几代发动机开展重要的基础研究。它可在可精确复现的机械、热力和化学条件下对各种材料进行测试 — 温度高达 1400°C，压力达 20 bar，且可使用人工合成的混合废气。倍福基于 PC 的控制技术、EtherCAT 和精密测量技术负责生成这些极端测试条件、监控测试序列并记录所有测量结果。

自 2020 年起，依托与位于奥托布伦的 IABG 公司建立的创新合作伙伴关系， 双方已联合德国航空航天中心 （DLR，Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt）共同开发了四台不同类型的 MTC 测试台架（平面双轴液压测试台架、单轴液压测试台架、蠕变测试台架以及 1000 Hz 超高频疲劳测试台架），用于在机械、热和化学载荷（MTC）同时作用下对材料进行测试。“借助这些测试台架，我们可以在模拟发动机真实工况的环境下测试试样，以评估其长期性能。”IABG 公司项目经理 Matthias Wimmer 博士解释道。因此，这些测试台架有助于更可靠、更精确地预测发动机部件在多物理场载荷环境下的使用寿命。

模拟发动机真实工况

在全部四台测试台架上，测试过程中可将材料试样置于压力舱内，使其接触由多种纯净气体（N₂、O₂、CO₂、NO、CO、SO₂）和水蒸气组成的混合气体。“这让 DLR 的研究人员能够模拟真实的发动机进气与废气排放工况，并观察其对材料的影响，”IABG 公司项目与产品经理 Andreas Keil 表示。此外，每台测试台架都配备了一个激光加热系统，可将试样精准加热至最高 1400°C。“这种将机械载荷、热载荷与废气、湿空气化学环境相结合的综合测试方案，此前在行业内尚无先例。”DLR 燃气轮机测试与仿真研究所（SG）部门负责人 Laura Cordes 博士说道。‌所有材料测试均在规定的环境条件下进行。这些测试通常包括正弦周期载荷及测试序列、标准疲劳试验以及裂纹扩展研究。“这些测试结果将直接应用于下一代燃气轮机和发动机的研发工作中。”机械-热-化学测试组组长 Wolfgang Müller 博士强调道。此外，这些测量结果还有助于验证 DLR 研究所“虚拟发动机”项目中正在开发的各类材料与合金数值仿真模型。

测量技术、安全与自动化功能集成在一同个系统中

在自动化、实验室监控与测量技术方面，IABG 采用倍福全系列产品以及 EtherCAT 技术。“基于 PC 的控制技术是我们搭建这类复杂系统的理想平台。”Andreas Keil 表示，“同时还能保持高性能、开放性和灵活性。” IABG 公司负责自动化、控制器及软件开发的 Thomas Gabler 补充道：“尤其是安全数据与非安全数据可便捷交互的特性，大幅降低了项目落地难度，这一点对作为系统核心组成部分的测量技术而言优势尤为突出。”

在 Andreas Keil 看来，面对这类集成了大量不同厂商设备的异构测试台架，系统的开放性是必备条件。“借助基于 PC 的控制技术，我们从大量项目实践中验证，各种协议和接口的集成确实可行， 包括通过 PROFINET RT 和 TCP 协议集成组件。” 与激光控制器的通信通过 EtherCAT 实现，安全组件则采用传统方式接线。激光头的的位置通过安全开关监控。激光捕获装置的温度可通过热电偶、TwinSAFE SC 以及 EL3314-0090 EtherCAT 端子模块进行测量。

倍福慕尼黑分公司销售工程师 Raphik Shahmirian 表示：“基于 PC 的控制技术带来的良好使用体验，也促使该激光设备供应商决定今后将 C60xx 超紧凑型工业 PC 和 TwinCAT 用作其自有设备的通用控制平台。” 各个实验室的安全门联锁装置则通过 EtherCAT P 和 FSoE 接入。“该方案为我们节省了大量布线工作，并使系统更容易集成到安全电路中。”IABG 公司测试台架自动化部门经理 Stefan Glauer 强调道。

由于测试台架会不断增配额外设备以满足新的需求，像 EtherCAT 这样在性能和拓扑结构方面能够适配这些需求的通信系统是该类应用的理想选择。除部署多个 EtherCAT 网段和 EtherCAT P 技术之外，IABG 还使用 EtherCAT 耦合器实现与其他现场总线的连接。“EtherCAT 端子模块及其他组件构成的全系列模块化系统是倍福的核心优势之一，对我们而言具有极高的应用价值。”Andreas Keil 强调道。

用于安全功能的标准传感器

这种产品多样性的典型代表是配备 TwinSAFE SC（单通道）功能的 EtherCAT 端子模块，可用于监控激光捕获装置和激光束密封管的安全关键温度。这些温度使用标准热电偶和 PT100 电阻进行测量，并通过相应的 EtherCAT 端子模块（EL3314-0090 和 EL3214-0090）进行数字化处理。“TwinSAFE SC 帮助我们满足了前期风险评估所确定的性能等级防护要求。”Andreas Keil 说道。因为有些实验要持续数周，即使在无人值守的情况下也必须保持可靠运行。Raphik Shahmirian 补充道：“TwinSAFE SC 是一款用于温度输入信号安全评估的极为精简高效的解决方案。”

在模拟量测量技术方面，EtherCAT 展现了其作为高速、同步测量总线的另一项优势：来自热电偶及所有其他传感器的信号在试验舱附近完成高精度数字化处理，并传输至控制器。“这种分布式 I/O 方案既支持采用短距离、高性价比的传感器布线，又可在全系统范围内实现亚微秒级的超高精度同步。”倍福 I/O 产品经理 Christian Lindemann 补充道。在测试台架上，ELM3704 多功能端子模块被用作通用测量设备部署在分布式控制柜中。

在 MTC 试验台上，力、位置和位移以及某些场景下的扭矩，均通过载荷框架控制器的模拟量输出进行读取。“当时我们没有其他选择，因为载荷框架控制器与倍福控制器之间根本不存在能够满足 DLR 要求的同步数字接口。” Christian Lindemann 在解释该解决方案的设计思路时说道。因此，载荷框架输出的标准信号（±10 V）通过 4 通道 ELM3004 电压测量端子模块以 10 ksamples/s 的采样率进行高精度采集。“在 1 ms 的 PLC 周期下，10 倍的超采样率完全可以满足需求。” Stefan Glauer 解释道。基于 EtherCAT 进行超采样，可在适中的周期下实现高动态数据采集，从而降低对工业 PC 的性能要求。

测试台架通过中央控制室的 LabVIEW^™ 用户界面完成控制、状态监测和参数配置，该界面还支持通过 TwinCAT ADS（自动化设备规范）与 CoE（CAN over Ethernet）配置 EtherCAT 端子模块。为此，倍福针对项目需求对 LabVIEW^™ 接口（TF3710）进行了进一步开发，以便能够从控制室灵活配置 EtherCAT 端子模块并统筹协调测量任务。

CX2043 和 CX5140 嵌入式控制器用作测试台架控制器；它们通过 EL6692 EtherCAT 桥接端子模块连接，并与所有测量通道同步采集所有过程值，例如温度、压力读数和气体成分，以及载荷工况和设备状态信息。“尽管各通道采样率不同，TwinCAT 仍能根据 EtherCAT 报文的精确时间戳汇总所有测量值。”Christian Lindemann 说道。由此生成的完整过程映像可直接用于分析测试序列。“我们更倾向于采用传统的测试台架架构，并将系统控制器与测量技术分离。”Andreas Keil 补充道。未来，由 DLR 科研人员开发的 MATLAB^® 和 Simulink^® 模型也有望在测量工业 PC 上并行运行。得益于这种清晰的架构分离，在测量技术侧进行的任何修改都不会对控制技术侧的运行产生影响。

展望未来，DLR 和 IABG 仍有很多技术构想：他们计划将 OPC UA 接口的应用范围，从仅用于测试台架向 DLR 端的信息传输，进一步拓展至直接下发控制指令。“原则上，可以在运行过程中调整载荷循环，例如在测试台架上实时复现飞行状态下涡轮机内部的实际工况。”Wolfgang Müller 博士说道。同样，研究人员也可以让仿真模型与测试台架对照运行，通过实测数据将其与真实世界的物理特性进行对比。依托基于 PC 的控制技术的开放式架构与灵活性，开发人员和科研人员也可以顺利实现这些后续开发阶段的技术升级。