DE102007045152A1

DE102007045152A1 - Verfahren und System zur Ultraschall-Prüfung von Werkstücken

Info

Publication number: DE102007045152A1
Application number: DE200710045152
Authority: DE
Inventors: Roman H. Dr. Koch; Gerhard Finger; Andreas Weigand
Original assignee: GE Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-02
Also published as: WO2009040321A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur Ultraschallprüfung von Werkstücken, wobei von Ultraschall-Sensoren aufgenommene Messdaten durch Messdatenverarbeitungsgeräte ausgewertet und verarbeitet werden, wobei ein Datenaustausch zwischen den Messdatenverarbeitungsgeräten über ein Bussystem erfolgt und wobei ein Datenaustausch zwischen den Messdatenverarbeitungsgeräten und einem Personalcomputer sowie einer Steuereinheit zur Steuerung von Komponenten einer Prüfanlage in Echtzeit erfolgt. Damit der Aufbau des Systems sowie die Verarbeitung der Daten flexibler und kostengünstiger wird, ist vorgesehen, dass der Datenaustausch zwischen den Messdatenverarbeitungsgeräten und dem Personalcomputer sowie der Steuereinheit der Prüfanlage auf der Basis eines verteilten, geschalteten Netzwerks unter Einsatz eines isochronen Realtime(IRT)-Ethernet als Kommunikationsplattform erfolgt. Dabei ist vorgesehen, dass die in individuellen Gehäusen angeordneten Messdatenverarbeitungsgeräte (102, 104, 106) Stationen eines verteilten, geschalteten Netzwerks unter Einsatz eines isochronen Realtime(IRT)-Ethernet als Kommunikationsplattform sind, dass jedes Messdatenverarbeitungsgerät (102, 104, 106) einen Kommunikationsbaustein (114, 116, 118) in Form eines Switches aufweist und mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung direkt über weitere Messdatenverarbeitungsgeräte (102, 104, 106) mit d(122) der Prüfanlage (30) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ultraschall-Prüfung von Werkstücken gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein System zur Ultraschall-Prüfung von Werkstücken gemäß Oberbegriff des Anspruchs 5.
Ein Verfahren und ein System zur Ultraschall-Prüfung von Werkstücken nach dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. Das System umfasst Messdatenverarbeitungsgeräte, die in einem speziellen Gehäuse, einem sogen. VXI-Rahmen angeordnet und über ein spezielles VXI-Bussystem zum Datenaustausch untereinander verbunden sind. Externe Sensoren sind über Zuleitungen mit den jeweiligen Messdatenverarbeitungsgeräten verbunden. Zur Übergabe von Parameter und zur Durchführung von Testanalysen sind die Messdaten-Verarbeitungsgeräte über einen ebenfalls in dem VXI-Rahmen als MXI-Interface ausgebildete Geräteeinheit mit einem Personalcomputer verbunden.
Zur Ansteuerung von in einer Prüfanlage vorhandenen elektromechanischen Komponenten zur Handhabung von zu prüfenden Werkstücken, beispielsweise zur Steuerung des Vorschubs eines zu prüfenden Rohrs in Echtzeit ist in dem VXI-Rahmen eine weitere Steuereinheit angeordnet, die ebenfalls mit dem VXI-Bus verbunden ist. Die Steuereinheit ist sodann mit einem externen Interface verbunden, welches mit Komponenten wie beispiels weise Lichtschranken, Encoder, Markierungseinheiten, Sortierungseinheiten verbunden ist sowie mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (PLC) über die elektromechanischen Komponenten wie Motoren der Prüfanlage angesteuert werden.
Durch die Anordnung der Messdatenverarbeitungsgeräte in dem speziellen VXI-Rahmen und der Verbindung über einen VXI-Bus ist der Einsatz speziell entworfener Rahmen sowie teurer Industrie-Standardgehäuse der VXI-Serie zwingend. Dadurch wird das System unflexibel und kostenintensiv.
Zusätzlich müssen spezielle Verbindungsphilosophien verwendet werden, um Daten mit dem PLC-System der Prüfanlage auszutauschen, da insbesondere spezielle Interfaces und in dem VXI-Rahmen eine spezielle VXI-Steuereinheit zur Echtzeit-Datenverarbeitung eingesetzt werden muss.
In DE-A-10 2004 061 343 wird ein Netzwerk mit mehreren Stationen, Stationen für ein derartiges Netzwerk sowie ein Verfahrne zur Synchronisierung von Stationen beschrieben. Das Netzwerk ist als Profinet IO bekannt, das auf Ethernet basiert. Der Einsatz von Ethernet als Kommunikationsplattform für die Automatisierungstechnik ermöglicht es, auf der gleichen Leitung Echtzeit-Datenverkehr und IT-Datenverkehr zu betreiben.
Für einen Einsatz im Bereich der Bewegungssteuerung ist eine hochgenaue Synchronität der beteiligten Stationen erforderlich. Ein derart erweitertes Ethernet wird auch als isochrones Real-Time(IRT)-Ethernet bezeichnet. Als Beispiel ist ein Ausschnitt eines Netzwerks in einer automatisierungstechnischen Anlage dargestellt, die allerdings einen Bezug zu einem System und einem Verfahren zur Ultraschall-Prüfung von Werkstücken nicht zeigt.
Des Weiteren ist auf die Veröffentlichung von Boiler: „Simatic Net, Networking for Industry, Stufen für Profinet", 08.05.2003, Siemens AG, Automation and Drives, hinzuweisen, in der ebenfalls Anwendungen des Profinet V3 isochrones Real-Time beschrieben sind, ohne allerdings auf Ultraschall-Prüfsysteme zu verweisen.
Ausgehend von zuvor beschriebenen Problemen bekannter Ultraschall-Prüfsysteme bzw. Ultraschall-Prüfverfahren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Ultraschall-Prüfsystem sowie ein Ultraschall-Prüfverfahren der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, dass der Aufbau des Systems sowie die Verarbeitung der Daten flexibler und kostengünstiger wird.
Das Verfahren wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ein System zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 5 aus.
Eine Standard-Ethernet-Verbindung zwischen individuellen Ultraschall-Modulen kann nicht für eine deterministische Datenübertragung für spezielle Signale wie TDR (Test Data Release) und Alarm-Aus (Schwellenüberschreitungssignal) verwendet werden, welches eine notwendige Eigenschaft für die Integration von Ultraschall-Modulen in eine Prüfanlage ist.
Basis der beschriebenen Erfindung ist die Integration eines speziellen Industrie-Ethernet-I/O-Chip wie Profinet IRT ERTEC 200 auf die Platine eines Ultraschall-Moduls. Dadurch kann parallel eine Realzeit-Datenübertragung und Standard-Ethernet-Datenübertragung bereitgestellt werden.
In Verbindung mit Steuermodulen, die von der Standard-PLC-Welt der mechanischen Steuerung der Prüfanlage bereitgestellt werden, kann die komplexe individuelle Entwicklungs- und Berechnungs-Hardware durch kostenoptimierte Standard-PLC-Komponenten ersetzt werden, die teilweise bereits in der Prüfanlage verwendet werden.
Das Layout des Prüfsystems wird vereinfacht und flexibler und als Konsequenz werden die Kosten reduziert.
Des Weiteren wird die Entwicklung von neuen Ultraschall-Systemen vereinfacht, da Standardmodule verwendet werden können und nicht neu entwickelt werden müssen.
Daten zwischen den einzelnen Ultraschall-Modulen können ohne die Verwendung eines speziellen VXI-Busses übertragen werden, Real-Time-Daten können zu dem PLC der Prüfanlage übertragen werden, um TDR, Markierung und Sortierung bereitzustellen.
Weitere Vorteile, die durch die Erfindung erreicht werden, sind:

– spezielle Baugruppenträger/Hauptrahmen oder Schränke nicht mehr notwendig
– verringerte Hardware
– Ultraschall-Module können individuell neben den Werkstück-Proben aufgestellt werden
– unterschiedliche Konfigurationen (Einkanal PA) können flexibel individuell vermischt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine deterministische schnelle serielle Datenübertragung zwischen PLC und Ultraschall-Modulen bei der Verwendung eines Profinet-IRT-Busses erreicht wird.
Die Erfindung kann für gegenwärtige Ultraschall-Systeme mittlerer Größe und in High-End-Systemen nächster Generation eingesetzt werden.
Ein Ultraschall-Modul zeichnet sich dadurch aus, dass ein Real-Time-Profinet-IRT I/O-Chip in jedes Modul zur Datenübertragung integriert ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ultraschallprüfsystems nach dem Stand der Technik mit VXI-Bus,
2 eine erste Ausführungsform eines Ultraschallprüfsystems auf der Basis eines ProfiNet-Bussystems,
3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Ultraschallprüfsystems auf der Basis eines ProfiNet-Bussystems,
4 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines Ultraschallprüfsystems auf der Basis eines ProfiNet-Bussystems,
5 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform eines Ultraschallprüfsystems auf der Basis eines ProfiNet-Bussystems und
6 ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform eines Ultraschallprüfsystems auf der Basis eines ProfiNet-Bussystems,
1 zeigt ein Blockschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Systems 10 zur Prüfung von Werkstücken 12, 14 mittels Sensoren 16–28 wie Ultraschallsensoren in einer Prüfanlage 30.
Die Sensoren 16–28, mit denen beispielsweise Ultraschall-Fehlerprüfungen oder Ultraschall-Dimensionsmessungen durchgeführt werden können, sind über Leitungen mit Messdatenverarbeitungsgeräten 32–44 verbunden, die in einem speziellen Rahmen 46, einem sogen. VXI-Maine-Frame, angeordnet sind. Die Messdatenverarbeitungsgeräte 32–44 sind untereinander über einen Datenbus 48, den sogenannten Backplane VXI-Bus verbunden. Eine Kommunikation der 32–44 zur Übermittlung von Parametern und zur Durchführung von Tests mit einem externen Personalcomputer 50 erfolgt über ein Interface 52, das ebenfalls in dem VXI-Maine-Frame 46 angeordnet ist. Der Personalcomputer kann über einen Eingang 54 und einen Ausgang 56 mit externen Geräten wie Drucker, Tastatur, Monitor verbunden sein.
Ferner ist in dem VXI-Maine-Frame 46 eine weitere Steuereinheit 58 angeordnet, die über den VXI-Bus 48 mit dem MVG 32–44 sowie dem Interface 52 verbunden ist.
Außerhalb des VXI-Maine-Frame 46 ist ein zweites Interface 60 vorgesehen, welches über eine erste Leitung 62 mit der Steuereinheit 58 und über eine zweite Leitung 64 mit den Messdatenverarbeitungsgeräten 32–44 verbunden ist, um beispielsweise Fehlersignale auszutauschen. Das zweite Interface 60 weist einen Eingang 66 auf, an dem Komponenten wie z. B. Lichtschranken 68, 70 und ein Encoder 72 angeschlossen sind. Ferner weist das Interface 60 einen Ausgang 74 auf, an dem Komponenten wie beispielsweise eine Markierungseinheit 76 und/oder eine Sortiereinheit 78 sowie eine Steuerung 80 wie PLC zur Steuerung von Komponenten der Prüfanlage 30 angeschlossen sind.
Durch die Verwendung des VXI-Busses 48 ist die Anordnung der Messdatenverarbeitungsgeräte 32–44 sowie des Interfaces 52 und der Steuereinheit 58 in dem speziell ausgebildeten VXI-Rahmen zwingend vorgeschrieben, wodurch der Aufbau des Systems unflexibel und kostenintensiv ist.
Zudem müssen spezielle Verbindungsphilosophien beachtet werden, um Daten mit der PLC-Steuerung 80 auszutauschen, welche elektromechanische Komponenten wie beispielsweise Aktoren/Sensoren der Prüfanlage 30 steuert.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 100 zum Prüfen von Werkstücken 12, 14 mittels Ultraschall. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach dem Stand der Technik gemäß 1 sind Messdatenverarbeitungsgeräte 102, 104, 106 untereinander sowie mit einem Personalcomputer 110 über einen Industriestandard-Bus 112 über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen 112.1–112.5 verbunden. Der Bus 112 ist als Profinet V3 IRT ausgebildet. Dazu weist jedes Messdatenverarbeitungsgerät 102, 104, 106 einen Kommunikationsbaustein 114, 116, 118 auf, über den die Kommunikation mit dem Personalcomputer 110 und den weiteren Messdatenverarbeitungsgeräten 102, 104, 106 gesteuert wird. Zumindest ein Messdatenverarbeitungsgerät 104 ist ebenfalls über eine Busverbindung 112.5 mit einer Komponenten der Prüfanlage 30 steuernden Steuereinheit 122 in Form einer PLC verbunden.
An der Steuereinheit 122 sind sodann die elektromechanischen Komponenten der Prüfanlage 30, wie beispielsweise Encoder 72, Lichtschranken 68, 70, Markierer 76 sowie Sortierer 78 angeschlossen. Die Messdatenverarbeitungsgeräte 102, 104, 106 sind über nicht werter dargestellte Zuleitungen mit den entsprechenden Sensoren 16–22, 24, 26, 28 verbunden und werten diese aus. Zur Stromversorgung sind die Messdatenverarbeitungsgeräte 102, 104, 106 über eine Busleitung 124 mit einer gemeinsamen Stromversorgung 126 verbunden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2 weisen die Messdatenverarbeitungsgerate 102, 104, 106 neben dem Kommunikationsbaustein 114, 116, 118 jeweils einen Power PC 128, 130, 132 sowie einen digitalen Signalprozessor (DSP) 134, 136, 138 auf, wobei der Power PC intern über eine Verbindung 140, 142, 144 jeweils mit dem Kommunikationsbaustein 114, 116, 118 verbunden ist.
Ferner können in den Messdatenverarbeitungsgeräten 102, 104, 106 jeweils ein Pulser 146, 148, 150, 152–158 sowie zumindest ein Receiver 160, 162, 164, 166–170 integriert sein. Über die zusätzlichen Signalprozessoren 134, 136, 138 können Roh-Daten über Verbindungsleitungen 172, 174, 176 mit einem Interface 178 verbunden und über eine Busleitung 180 zur Weiterverarbeitung übertragen werden.
3 zeigt eine Ausführungsform, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 2 entspricht, die allerdings ohne digitale Signalprozessoren 134, 136, 138 und ohne das Interface 178 betrieben wird.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der anstelle des Power PC's 128, 130, 132 ein digitaler Signalprozessor 182, 184, 186 eingesetzt wird. Ergänzend ist eine FPGA 188, 190, 192 in dem Messdatenverarbeitungsgerät vorgesehen, werden über eine Datenleitung 194 mit einem Erweiterungsgerät 196 verbunden ist, in dem ebenfalls ein Pulser 198, ein Receiver 200 sowie eine FPGA 202 zum Datenaustausch enthalten sind.
5 und 6 zeigen Ausführungsformen für kleine Systeme, jeweils mit einer DSP-Lösung gemäß 5 oder einer kombinierten Lösung aus Power PC und DSP gemäß 6, die jedoch im Wesentlichen dieselbe Funktion aufweisen, wie entsprechende Ausführungsformen gemäß 2 bzw. 4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004061343 A [0006]

Claims

Verfahren zur Ultraschallprüfung von Werkstücken, wobei von Ultraschall-Sensoren aufgenommene Messdaten durch Messdatenverarbeitungsgeräte ausgewertet und verarbeitet werden, wobei ein Datenaustausch zwischen den Messdatenverarbeitungsgeräten über ein Bussystem erfolgt und wobei ein Datenaustausch zwischen den Messdatenverarbeitungsgeräten und einem Personalcomputer sowie einer Steuereinheit zur Steuerung von Komponenten einer Prüfanlage in Echtzeit erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenaustausch zwischen den Messdatenverarbeitungsgeräten und dem Personalcomputer sowie der Steuereinheit der Prüfanlage auf der Basis eines verteilten, geschalteten Netzwerks unter Einsatz eines isochronen Realtime (IRT) Ethernet als Kommunikationsplattform erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitung innerhalb einer Messdatenverarbeitungseinheit mittels eines digitalen Signalprozessors erfolgt, welcher Rohdaten zur Verfügung stellt, die an einen Bus zur Weiterverarbeitung übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung mit einem 100 MBit-ProfiNet-IRT-Netz erfolgt bei einer Zykluszeit von 250 ms, einem Jitter ≤ 1 μs und simultan eine TCPIP-Übertragung im Bereich von 6 MBit/sec erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als PLC (programmable logic control) ausgebildete Steuereinheit unmittelbar über das isochrone IRT-Ethernet angesteuert wird.
Ultraschall-Prüfsystem (100), umfassend über ein Bussystem (48; 112) miteinander verbundene Messdatenverarbeitungsgeräte (102–106) zur Auswertung und Verarbeitung von Daten damit verbundener Sensoren (16–28), einen mit dem Bussystem (48, 112) gekoppelten Personalcomputer (50; 113) sowie eine mit dem Bussystem (112) gekoppelte Steuereinheit (122) zur Steuerung von Komponenten einer Prüfanlage (30) zur Handhabung von zu prüfenden Werkstücken (12, 14), dadurch gekennzeichnet, dass die in individuellen Gehäusen angeordneten Messdatenverarbeitungsgeräte (102, 104, 106) Stationen eines verteilten, geschalteten Netzwerks unter Einsatz eines isochronen Realtime(IRT)-Ethernet als Kommunikationsplattform sind, dass jedes Messdatenverarbeitungsgerät (102, 104, 106) einen Kommunikationsbaustein (114, 116, 118) in Form eines Switches aufweist und mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung direkt über weitere Messdatenverarbeitungsgeräte (102, 104, 106) mit dem Personalcomputer (113) sowie der Steuereinheit (122) der Prüfanlage (30) verbunden ist.
Ultraschall-Prüfsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationsbaustein (114, 116, 118) auf einer Platine des Messdatenverarbeitungsgerätes (102, 104, 106) angeordnet ist und zur Datenübertragung mit einem ebenfalls in dem Messdatenverarbeitungsgerät (102, 104, 106) integrierten Power PC (128, 130, 132) und/oder mit einem integrierten digitalen Signalprozessor (134, 136, 138) verbunden ist.
Ultraschall-Prüfsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdatenverarbeitungsgeräte (102, 104, 106) zum Aussenden von Pulsen an die Ultraschall-Sensoren (16–28) jeweils zumindest einen Pulser (146, 148, 150–158) und zum Empfang von Signalen des Ultraschallsensors jeweils zumindest einen Receiver (160–170) aufweisen.
Ultraschall-Prüfsystem nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Signalprozessoren (134, 136, 138) über eine Busverbindung mit einem Switch (178) zur Übertragung von Rohdaten verbunden sind.
Ultraschall-Prüfsystem nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdatenverarbeitungsgeräte (102, 104, 106) mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung (126) verbunden sind.
Ultraschall-Prüfsystem nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (122) als PLC ausgebildet ist und Eingänge sowie Ausgänge zur Ansteuerung elektromechanischer Komponenten der Prüfanlage wie Encoder (72), Lichtschranken (68, 70), Markierungseinheit (76), Sortierungseinheit (78) sowie Motoren aufweist.