FlugzeugschlepperElektronische Lenkung reduziert Treibstoffverbrauch

FirmenporträtJubiläum in Limburg – 50 Jahre Hydrotechnik

HydrostatikGroßwinkelmotor unterstützt leistungsverzweigtes Getriebe

Nachhaltige EnergiekonzepteAuswirkungen auf mobile Arbeitsmaschinen

Organ des Forums Mobile Maschinen im VDMA www.industrie-service.de

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6November 2014

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Mobile Maschinen 6/2014 3736 Mobile Maschinen 6/2014

Umweltfreundliches RangierenSteer-by-wire auf dem Flughafenvorfeld

titel i Steuerungen und regelungen Steuerungen und regelungen i titel

Anthony dollet, Engineering Manager, Dintec, Nantes (Frankreich)

Anthony Dollet

Steer-by-wire, auf Deutsch: elektronische Lenkung, ist

eine Technologie, deren Markteinführung nur langsam

verläuft – jedenfalls in der Automobil-Branche. Eine

modulare und sichere Lösung ist möglich, das zeigt ein

Flugzeugschlepper im internationalen TaxiBot-Projekt.

sowie Beladevorgänge (sowohl für Fracht als auch für Passagiere).

Pushback-Schlepper finden sich meist auf dem Vorfeld, um ein Flugzeug, wenn es abflugbereit ist, vom Gate wegzuziehen. Manche Schlepper nutzen eine Schlepp-stange als Verbindung zwischen Maschine und Flugzeug, während andere das Bug-fahrwerk vom Boden anheben, um leichter ziehen oder schieben zu können. Somit kann das Flugzeug besser manövriert und sicherer gesteuert werden, was wiederum höhere Abschleppgeschwindigkeiten ermöglicht.

Nach wie vor verbrennen Flugzeuge beim Rollen zwischen Terminals und Pisten un-ter Verwendung ihrer Triebwerke viel Kero-sin und erhöhen so die Schadstoff-Emissio-nen und die Kosten für Treibstoff und na-türlich auch Wartung. Die Fluggesellschaf-ten werden im Jahr 2020 voraussichtlich sieben Milliarden US-Dollar (5,5 Milliarden Euro) nur für den Rollverkehr ausgeben. Wenn dazu noch Fremdkörper am Boden, Pushback-Vorgänge und voraussichtliche Steuern für CO

2Emissionen dazu addiert

werden, können die Gesamtkosten nur für den Rollverkehr rund 8,8 Milliarden US-Dollar (6,9 Milliarden Euro) erreichen.

Das Hauptziel von TaxiBot (Taxiing Ro-bot), einem stangenlosen, halbautonomen Schlepper, der von der israelischen Flug-

zeugbaufirma Israel Aerospace Industries Ltd. (IAI) zusammen mit Airbus und dem französischen Fahrzeugbauer TLD entwi-ckelt wurde, ist eine signifikante Reduzie-rung des Treibstoffverbrauchs. TaxiBot ist ein Schlepper, der das Flugzeug mit abge-stellten Triebwerken, mit 42 km/h, vom Gate zur Startbahn zieht. Dies entspricht der derzeitigen Rollgeschwindigkeit von Flugzeugen. Nach dem normalen Zurück-schieben des Flugzeugs, das vom Fahrer des Schleppers gesteuert wird, übernimmt der Flugzeugpilot das Kommando. Er manöv-riert TaxiBot im Rahmen des „Pilot-in-Control“-Konzepts vom Cockpit aus. Mög-lich ist es durch ein transparentes System mit den normalen Steuerelementen für Lenkung und Bremsen, so als ob der Pilot das Flugzeug mit eigener Schubkraft bewe-gen würde. Um dieses Ziel zu erreichen, steht das Bugrad des Flugzeugs direkt auf einem Drehteller, der auf dem Schlepper angebracht ist. Mithilfe dieses Drehtellers und eines Kraftregelungssystems, wird das Bugfahrwerk einer sehr geringen Belastung ausgesetzt. Den Bremsvorgang übernimmt das Flugzeug selbst, wobei die gesamte ki-netische Energie vom Bremssystem des Flugzeugs absorbiert wird und nicht vom Schlepper, der nur seine Geschwindigkeit anpasst. Mit seinem Antrieb in Form von zwei dieselelektrischen Hybridmotoren

verringert TaxiBot den Kraftstoffverbrauch im Rollverkehr um 85 %. Bei einem Einsatz von TaxiBot auf allen stark frequentierten Flughäfen, würden diese Ausgaben von 8,4 Milliarden US-Dollar (6,6 Milliarden Euro) auf 2,9 Milliarden US-Dollar (2,3 Milliarden Euro) sinken, was zu einer jährlichen Ein-sparung von 5,5 Milliarden US-Dollar (4,3 Milliarden Euro) und einer Reduzie-rung des CO

2-Ausstoßes um 20 Millionen

Tonnen führen würde.Bei diesem Fahrzeug waren die Erwartun-

gen von TLD an den Lieferanten des kom-pletten Steer-by-wire-Systems hinsichtlich Radpositionier-Dynamik, Genauigkeit, Sicherheit und Verfügbarkeit sehr hoch. Für das Projekt wurde Dintec ausgewählt, ein Unternehmen, das für seine sicherheitsbe-zogenen Lösungen für Lenkungen von Kommunal-, Feuerwehrfahrzeugen, Kehr- und Landmaschinen bekannt ist. Dintec hat seinen Sitz im französischen Nantes mit einer Produktionsstätte in Spanien und ist ein Systemlieferant für mobile Arbeitsma-schinen, der über Kompetenzen in den Be-reichen Engineering, Prototypenbau, Test und Montage verfügt. Die Kernkompetenz liegt auf hydraulischen, hybriden und elekt-rischen Antriebsaggregaten, Kraftübertra-gung von elektrohydraulischen Systemen sowie komplette Elektroniksysteme inklusi-ve deren Kabelbaumkonfektionierung.

Sicher und zuverlässig

Im pilotengesteuerten Modus laufen alle Winkelansteuerungen über den IAI-Cont-roller, das intelligente Gateway zum Flug-zeug-Cockpit. Der angestrebte Sicherheits-Integritätslevel des Lenksystems vom „Slave“-Fahrzeug ist SIL 2. Das klingt zu-nächst wie eine heutzutage gängige Anfor-derung, aber jede Radmodul-Drehung ist mechanisch unabhängig und könnte die Sicherheit des Flugzeugsystems gefährden, sobald die Drehung von nur einem Rad blockiert wird. Konkreter muss die Summe der Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls über alle Radmodule kleiner als 10-6 sein. Außerdem muss die Systemarchi-tektur hochgradig verteilt sein (Bild 2), da-mit ein einzelner gefährlicher Ausfall in ei-ner elektronischen Steuereinheit nicht durch gleichzeitiges Blockieren zweier Rad-module zu einer gefährlichen Situation auf Fahrzeugebene führt. Als Konsequenz ist es zwingend erforderlich, dass die einzelnen verwendeten Elektronikkomponenten her-vorragende PFHd-Werte (Probability of dan-gerous Failure per Hour) und eine detaillier-te FMEDA (Failure Modes, Effects and Diag-nostic Coverage Analysis) aufweisen.

Im fahrerkontrollierten Modus kommen alle Winkelansteuerungen direkt vom Lenk-rad des Fahrers. Auch hier wird ein Sicher-

heits-Integritätslevel SIL 2 erwartet. Die Sollwertgenerierung muss betriebssicher durch vollständige Fehlertoleranz sein (fail-operational). Dies ist beim Sollwertgeber von Dintec der Fall (Bild 3).

Außerdem ist die FTT (failure tolerance time – auf Deutsch: Fehlertoleranzzeit), al-so die zulässige Zeitdauer für die Erken-nung und Reaktion auf jeden kritischen Ausfall im System, wegen der relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeit während des Rol-lens niedrig. Diese schnelle Diagnosefähig-keit des kompletten Regelkreises ist eine schwierige Anforderung.

Leistungsanforderungen

Die zunächst auf kompletten Fahrzeug- simulationen von IAI basierenden Anforde-rungen an die Leistungsfähigkeit der Len-kung waren hinsichtlich des dynamischen Verhaltens (reine Verzögerung und Gesamt- reaktionszeit) und hinsichtlich der Genau-igkeit, vor allem für Geradeauslauf im pilo-tengesteuerten Modus sehr hoch.

Um diese dynamischen Anforderungen zu erreichen, läuft der Hauptregelkreis der Software zyklisch mit 10 ms und die beiden zentralen Sicherheits-CAN-Busse mit 500 kBit/s. Um die zyklischen Übertra-gungsintervalle und die verteilte Architek-tur (eine elektronische Steuereinheit ECU je

In automobilen Anwendungen bringen die Kriterien für Betriebssicherheit der elekt-

ronischen Lenkung eine hohe Komplexität mit sich. Hauptsächlich durch vollständige Fehlertoleranz und das gewünschte Sicher-heits-Integritätslevel entstehen hohe Kos-ten für Hardware und Entwicklung. Der an-gestrebte Sicherheits-Integritätslevel ist ins-gesamt bei mobilen Maschinen und Gerä-ten niedriger, jedoch wird für diesen Bereich aktuell an einer harmonisierten Norm gearbeitet. Somit hängen die Lösun-gen sehr von der jeweiligen Anwendung ab.

Ein stangenloser Schlepper

Auf einem Flughafen findet man üblicher-weise Bodenunterstützungsausrüstung (Ground Support Equipment – GSE) auf der Servicefläche des Terminalvorfelds. Wie der Name schon sagt, soll das GSE den Betrieb von Flugzeugen am Boden unterstützen. Die Funktionen, die diese Ausrüstung ab-deckt, betreffen im Allgemeinen die Boden-stromversorgung, die Flugzeugplatzierung

01 elektronisches Steuer-gerät eSX-3XM von StW

Halle 7 Stand 169

Radmodul) sowie die für die Sicherheit erforderlichen Redundanzen zu kombinie-ren, wurde statt des bandweiten-intensiven CANopen Safety das proprietäre CAN ba-sierte Protokoll ECUS verwendet.

Zur Erreichung dieser Anforderungen und um den Einsatz eines teuren und emp-findlichen Servoventils zu vermeiden, verwendet Dintec einen symmetrisch redundanten und erprobten elektrohy- draulischen Proportional-Stellantrieb mit LVDT-Sensor für jede Spule und Quer-schluss-Erkennung zur Positionsrückkopp-lung. Hinsichtlich der Genauigkeit, muss die Regelung präzise ohne Oszillation sein. Zusätzlich müssen die variablen Verluste der Hydraulikmotoren durch den SW – Al-gorithmus ausgeglichen werden. Die Sen-sorkalibrierung und die Länge der Hydrau-likschläuche wurden ebenfalls zusammen mit dem Fahrzeugbauer genauestens betrachtet.

Dintec arbeitete mit handelsüblichen 32-Bit-Steuerungen des deutschen Unter-nehmens Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) mit Sitz in Kaufbeuren. STW ist ein langjähriger und verlässlicher Part-ner von Dintec, der Systemlieferanten und OEMs bei anspruchsvollen Anwendungen mit technischen Hürden und Zertifizie-rungsstufen unterstützt.

Skalierbare Plattform

Abgeleitet aus dem Anforderungsprofil wurde das elektronische Steuergerät ESX-3XM (Bild 1) für dieses Projekt ausge-wählt. Die ESX-3XM ist ein anpassungsfähi-ges, skalierbares (23 bis maximal 65 konfi-gurierbare Ein-/Ausgänge) und leistungs-fähiges Steuergerät. Man kann es als klei-nen Bruder der größeren ESX-3XL ansehen, mit der gleichen Leistung, dem gleichen

Speicher, jedoch mit der halben Anzahl an Ein- und Ausgängen. Die Grundversion mit 23 Ein -und Ausgängen bietet vier CAN-Schnittstellen und eine serielle RS232-Schnittstelle. Alle verwendeten ESX-3XM wurden mit jeweils drei Erweiterungs-boards ausgestattet, um beispielsweise zu-sätzliche Low-Side-Ausgänge oder die zwei zusätzlichen CAN-Schnittstellen zur Verfü-gung stellen zu können.

Das Prozessorsystem der ESX-3XM, das auf dem leistungsstarken TriCore TC1796 von Infineon basiert, wird mit 150 MHz ge-taktet und verfügt über 4 MB RAM und 6 MB Flashspeicher. Ein Summer für akusti-sche Alarme sowie System- und Benutzer-LEDs für die Diagnose, helfen bei der einfa-chen Fehlerbehebung im System, ohne dass spezielle Software-Tools erforderlich wären.

Die ESX-3XM ist frei programmierbar in Codesys (Version 3.x), in der Programmier-sprache C oder mit einem Matlab-Simulink-Support-Paket. Alle Ein- und Ausgänge und der Kommunikationsanschluss sind gut zugänglich und über umfangreiche BIOS-Bibliotheken konfigurierbar. Multi-tasking-Betrieb ist möglich und in diesem Projekt auch erforderlich.

Das Steuergerät ist für sicherheitsbe- zogene Anwendungen gemäß SIL2/ISO 61508 bzw. PLd EN ISO 13849 ausgelegt. Die Sicherheitsfunktionen sind sowohl für IEC 61131 in Codesys als auch für die Pro-grammiersprache C verfügbar.

Proprietäres Protokoll ECUS

Das geforderte Protokoll sollte eine geeig-nete Buslast und damit resultierend einen guten Determinismus in der Sicherheits-nachrichten-Kommunikation gewährleis-ten. Wie bereits erläutert, wurde das CANopen-Safety-Protokoll (mit Nachrich-

Steuerungen und regelungen i titel

Einführung von TaxiBot am Flughafen Frankfurt/Main im Sommer 2014

http://bit.ly/StW_taxiBot

Wie TaxiBot arbeitet

tenredundanz) in dieser verteilten Archi-tektur für die Kommunikation zwischen allen Lenkungs-ECUs (Master und Slaves) nicht ausgewählt. Ein vom TÜV zertifizier-tes proprietäres Protokoll von Sensor- Technik Wiedemann namens ECUS (für ESX CAN Unimissio-Safety) kam statt- dessen zum Zug. Es weist im Projektkontext zwei große Vorteile auf. Erstens wird nur ein CAN-Sendeempfänger verwendet. Zwei-tens werden die Sicherheits-Redundanzda-ten innerhalb der Nachricht gebildet (für Sicherheitsdaten, die kleiner als vier Byte sind).

Einige Projekthürden

Das Kriterium der Betriebssicherheit durch vollständige Fehlertoleranz führt bei automobilen Anwendungen stets zu einem großen Kostenproblem. Der ange-strebte Sicherheits-Integrationslevel ist bei mobilen Maschinen längst nicht so hoch, jedoch werden normative Anforde-rungen für elektronische Lenksysteme bereits erarbeitet und sind sehr anwen-dungsspezifisch.

Marktführer der Off-Highway- und Son-derfahrzeugbranchen arbeiten seit einigen Jahren in der Arbeitsgruppe für elektroni-sche Lenkungen des TTA-Group-Konsorti-ums zusammen, um eine branchenüber-greifende Vereinheitlichung der techni-schen und marktbezogenen Entwicklungen solcher sicherheitsbezogener Architekturen und deren zeitliche Abhängigkeiten zu er-reichen. Das Hauptziel dieser Zusammen-arbeit ist ein kostengünstiger Realisierungs-ansatz eines elektronischen Lenksystems gemäß EN ISO 13849. Jedoch muss die ge-meinsame anzuwendende Norm noch fest-gelegt werden. Für diese TaxiBot-Anwen-dung mit verschiedenen, mechanisch unabhängigen lenkenden Rädern ohne mechanischer oder rein hydraulischer Rückfallebene und einer gemeinsamen Architektur bei Herstellern von Schwerlast-transportern, muss die funktionale Sicher-heitsanalyse (qualitativ und quantitativ) ge-mäß der Norm IEC 61508 durchgeführt werden und nicht gemäß ISO 13849, die nach den ersten Arbeitssitzungen als nicht adäquat erschien.

Ein weiteres Hindernis für Steer-by-wire oder allgemein für Systeme mit der Anfor-derung einer Betriebssicherheit durch voll-ständige Fehlertoleranz, ist die Tatsache, dass die Zulieferer häufig davon ausgehen, ein unbestromtes Bauteil (z. B. ein Aktor) befinde sich in einem sicheren Zustand und nicht in einem gefahrbringenden Zustand. Die von den Lieferanten angegebene Kenn-zahl PFHd (mit „d“ für dangerous) ist daher zu optimistisch. Es ist wichtig, die Definiti-on eines gefährlichen Ereignisses (erkannt

oder nicht) mit jedem Zulieferer zu diskutieren.

Das Ergebnis

Die Anforderungen in Bezug auf Leistungs-fähigkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit konnten dank der gemeinsamen Arbeit mit STW erfüllt werden. Die beiden Modelle des TaxiBot – eines für Single-Aisle-Flug-zeuge, das die abschließenden Zertifi- zierungsprüfungen durchläuft, und eines für Großraumflugzeuge – sind ohne oder nur mit sehr geringfügigen Modifikationen für alle Flugzeuge von Airbus und Boeing geeignet. Ein Hauptvorteil liegt darin, dass TaxiBot als vollkommen separates Fahrzeug kein zusätzliches Gewicht für das Flugzeug und keine Verringerung des Frachtraumvo-lumens zur Folge hat. Es müssen keine Mo-toren oder Geräte an Bord installiert wer-den, die das Gewicht und den Treibstoffver-brauch während des Fluges erhöhen. Hin-sichtlich der Geschwindigkeit kann TaxiBot ein Flugzeug bei maximalem Startgewicht mit 42 km/h schleppen, also der normalen Rollgeschwindigkeit.

Leos, ein Tochterunternehmen von Luft-hansa Technik, testet TaxiBot an Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen seit Juni 2013 nachts auf dem Flughafen Frankfurt. Die Berichte der Lufthansa-Piloten während ih-rer ersten Testläufe mit dem TaxiBot waren sehr positiv. Die endgültige Zertifizierung für den Einsatz mit diesen Flugzeugen wird vor Ende 2014 erwartet.

Der Prototyp des Wide Body-TaxiBot spe-ziell für Großraumflugzeuge, einschließlich der A380, hat das Werk verlassen. Diese Ma-schine ist das leistungsstärkste Equipment, das je für eine GSE-Anwendung gebaut wurde. Sie verfügt über mehr als 1500 PS

und wird eine voll beladene A380 (570 t) mit bis zu 37 km/h schleppen können. Mit einer Länge von 12,9 m, einer Breite von 4,5 m und einem Gewicht von 50 t, ist das Wide Body-TaxiBot eine einzigartige Maschine.

Fazit

Die wichtigste Erkenntnis aus diesem Pro-jekt ist die, dass bahnbrechende Innovatio-nen im Bereich der mobilen Maschinen im-mer noch möglich sind, trotz (oder dank) hoher funktionaler Sicherheitsauflagen. Dass solche Projekte aber auch nur in ei-nem Team, unter Einbeziehung von Her-stellern, Lieferanten und Endnutzern, er-folgreich sein können.

Auf der TaxiBot-Projektebene arbeiteten vier sich ergänzende Partner (IAI, Airbus, TLD, Leos) gemeinsam daran, diese Tech-nologie zu realisieren. Auf ihrer Subsys-temebene konnten sich Dintec und STW ebenfalls ihre langjährige Beziehung zunut-ze machen, um die Anforderungen des Fahrzeugbauers zu erfüllen.

Bilder: Dintec, STW

www.dintec.fr www.sensor-technik.de www.taxibot-international.com

02 das radmodul von dintec

03 der Fail-Operational-Sollwertgeber von dintec

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