Steuerungstechnik und Sensorik für den mobilen … · Elektronik in Konsumgütern und auch im...
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Fachbeitrag PRAXIS Profiline – CANopen – Januar 2002 Seite 1 von 5 Steuerungstechnik und Sensorik für den mobilen Einsatz mit CANopen Der Einsatz von Elektronik ist in modernen Kraftfahrzeugen aber auch in mobilen Arbeitsmaschinen nicht mehr wegzudenken. Eine Vielzahl von notwendigen und komfortablen Funktionen könnte ohne elektronische Systeme nicht realisiert werden. Im Gegensatz zur Elektronik in Konsumgütern und auch im „normalen“ industriellen Einsatz wie zum Beispiel in Verpackungsmaschinen und Förderanlagen, werden an die Komponenten für den mobilen Einsatz deutlich höhere Anforderungen gestellt um eine ausreichend Sicherheit in allen Betriebssituationen zu erreichen. Die Marktanforderungen Die mobilen Maschinen und Anlagen sind oftmals speziell auf ihre Einsatzfälle zugeschnitten und dadurch relativ teuer. Eine hohe Verfügbarkeit dieser kostenintensiven Maschinen und Anlagen erfordert daher eine umfassende, einfache und sichere Systemdiagnose zur schnellen Fehlerlokalisierung direkt durch das Bedienpersonal. Durch sichere und übersichtliche, der jeweiligen Betriebssituation angepaßte Bedienkonzepte über Displays, können Fehlbedienungen vermieden werden. Die Betriebs- und Systemzustände müssen über eine Betriebsdatenerfassung zur Statistik und zur Dokumentation gespeichert werden. Ferner wird eine Vernetzung der Systemkomponenten durch ein Bussystem zur Reduzierung des Verkabelungsaufwandes gefordert. Diese ermöglicht eine dezentrale Anordnung die leistungsfähigen Ein-/Ausgangsmodule direkt in der Nähe der Sensoren und Aktoren. Das heißt, sie werden damit dort montiert, wo die Daten anfallen bzw. benötigt werden. Zusätzlich müssen die Komponenten bei der Montage und im Servicefall leicht handhabbar sein. Dieses wird zum einen durch den mechanischen Ausbau, aber auch durch eine einfache und übersichtliche Einbindung bei der Programmierung erreicht. Nicht zuletzt müssen die eingesetzten Komponenten und Geräte den extremen mechanischen, klimatischen und elektrischen Anforderungen standhalten und über einen langen Zeitraum zuverlässig die an sie gestellten Aufgaben erfüllen. Alle oben genannten Forderungen haben ein Ziel: die Entwicklung zuverlässiger, wettbewerbsfähiger und damit wirtschaftlicher Maschinen. Die Anforderungen an die Elektronik Vor allem die extreme mechanische Beanspruchung durch Stoß- und Schockbelastung und der Einsatz auch bei tiefen und hohen Umgebungstemperaturen erfordern eine sorgfältige Auswahl
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Fachbeitrag PRAXIS Profiline – CANopen – Januar 2002
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Steuerungstechnik und Sensorikfür den mobilen Einsatz mit CANopen
Der Einsatz von Elektronik ist in modernen Kraftfahrzeugen aber auch in mobilenArbeitsmaschinen nicht mehr wegzudenken. Eine Vielzahl von notwendigen und komfortablenFunktionen könnte ohne elektronische Systeme nicht realisiert werden. Im Gegensatz zurElektronik in Konsumgütern und auch im „normalen“ industriellen Einsatz wie zum Beispiel inVerpackungsmaschinen und Förderanlagen, werden an die Komponenten für den mobilen Einsatzdeutlich höhere Anforderungen gestellt um eine ausreichend Sicherheit in allen Betriebssituationenzu erreichen.
Die Marktanforderungen
Die mobilen Maschinen undAnlagen sind oftmals speziell aufihre Einsatzfälle zugeschnitten unddadurch relativ teuer. Eine hoheVerfügbarkeit dieserkostenintensiven Maschinen undAnlagen erfordert daher eineumfassende, einfache und sichereSystemdiagnose zur schnellenFehlerlokalisierung direkt durchdas Bedienpersonal. Durch sichereund übersichtliche, der jeweiligenBetriebssituation angepaßteBedienkonzepte über Displays,können Fehlbedienungenvermieden werden. Die Betriebs-und Systemzustände müssen übereine Betriebsdatenerfassung zurStatistik und zur Dokumentation gespeichert werden.
Ferner wird eine Vernetzung der Systemkomponenten durch ein Bussystem zur Reduzierung desVerkabelungsaufwandes gefordert. Diese ermöglicht eine dezentrale Anordnung dieleistungsfähigen Ein-/Ausgangsmodule direkt in der Nähe der Sensoren und Aktoren. Das heißt,sie werden damit dort montiert, wo die Daten anfallen bzw. benötigt werden. Zusätzlich müssen dieKomponenten bei der Montage und im Servicefall leicht handhabbar sein. Dieses wird zum einendurch den mechanischen Ausbau, aber auch durch eine einfache und übersichtliche Einbindungbei der Programmierung erreicht.
Nicht zuletzt müssen die eingesetzten Komponenten und Geräte den extremen mechanischen,klimatischen und elektrischen Anforderungen standhalten und über einen langen Zeitraumzuverlässig die an sie gestellten Aufgaben erfüllen.
Alle oben genannten Forderungen haben ein Ziel: die Entwicklung zuverlässiger,wettbewerbsfähiger und damit wirtschaftlicher Maschinen.
Die Anforderungen an die ElektronikVor allem die extreme mechanische Beanspruchung durch Stoß- und Schockbelastung und derEinsatz auch bei tiefen und hohen Umgebungstemperaturen erfordern eine sorgfältige Auswahl
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der Komponenten. Da oftmals ein direkter Einfluß von Schmutz, Feuchtigkeit und Wasser beimEinsatz vor Ort nicht auszuschließen ist, ist eine hohe Schutzart für die Geräte und eine spezielleAuswahl der Materialien notwendig. Betrachtet man zum Beispiel einen Schredder für dasRecycling von Holz. Bei der Verarbeitung des Recyclingmaterials wirken auf die gesamteMaschine und damit auch auf die Elektronik starke Stöße ein. Diese kann nur durch spezielleGehäuse- und Montagekonzepte geschützt werden. Da die Montage der Elektronik im inneren derMaschine erfolgt, sind die Komponenten hohen Temperaturen durch den Dieselmotor ausgesetzt.Diese steigen dann noch zusätzlich, wenn die Maschinen in heißen Klimazonen eingesetzt wird.
Neben den mechanischen und den Umwelteinflüssen sind aber auch die elektrischen Störungen,die auf das gesamte System, aber auch auf die einzelnen Geräte einwirken, zu beachten. Einweiter Versorgungsspannungsbereich und genau abgestimmte Schutzmaßnahmen ermöglicheneinen sicheren Betrieb der Geräte auch bei starken Schwankungen der Versorgungsspannungdurch das Batterie-/Generatorsystem und bei starken leitungsgebundenen und eingestrahltenStöreinflüssen.
Zur Vernetzung der Geräte hat sich in den letzten Jahren der CAN-Bus erfolgreich durchgesetzt.Während in den Personenkraftwagen mit ihren hohen Stückzahlen spezielle, optimierte und genauabgestimmt Protokolle genutzt werden, ist in den mobilen Arbeitsmaschinen das CANopen-Protokoll nicht mehr wegzudenken. Über Gateways können hersteller- und branchenspezifischeProtokolle wie z.B. das Landwirtschaftliche Bussystem (LBS) oder Truck-Trailer Schnittstelle derLKW an das Maschinenprozeß angekoppelt werden
Im folgenden soll an Hand von verschiedenen Baumaschinen exemplarisch das Netzwerk einermobilen Arbeitsmaschine genauer betrachtet werden.
Moderne mobile Arbeitsmaschinensetzen sich aus unterschiedlichenSegmenten zusammen. DiemobiltauglichenAutomatisierungskomponenten derifm electronic können in diesenSegmenten für dieunterschiedlichsten Aufgabeneingesetzt werden. Je nachAnforderung übernehmen sie z.B.eine steuernde, überwachendeoder anzeigende Funktion. DieVernetzung erfolgt über den CANBus mit dem Protokoll CANopen.
Den Mobilkran kann man grob indie folgenden Segmenteunterteilen.
Segment Fahrantrieb
Im Gegensatz zu Fahrzeugen, die aus einem LKW-Chassis von einem der großen Hersteller undeinem Aufbau wie zum Beispiel einem Müllfahrzeug bestehen, werden Spezialmaschinen, zudenen auch der Mobilkran gehört, vom Hersteller aus einzelnen Elementen zusammengesetzt. DerFahrantrieb wird daher genau auf das Fahrzeug und seine spätere Aufgabe abgestimmt. Er hatzwei wesentliche Aufgaben zu erfüllen. Im Straßenverkehr muß der Mobilkran später sichergefahren werden können. An der Einsatzstelle angekommen, wird aus dem Fahrzeug eine
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Baumaschine. An diese werden dann ganz andere Anforderungen gestellt. Geländetauglichkeitund gute Manöverierfähigkeit werden nun gefordert. Die eingesetzten Steuerungskomponentenwerden dazu auf die jeweilige Betriebssituation umgeschaltet. Ein Zertifizierung der Geräte zumBeispiel durch den TÜV, ermöglicht auch die Nutzung der Steuerungskomponenten imStraßenverkehr.
Segment Dieselmotor
In Baumaschinen werden hauptsächlich sogenannte Industriemotoren eingesetzt. Hierbei handeltes sich Maschinen, die optimal auf die Bedürfnisse des Maschinenbauers zugeschnitten sind.Durch ihren mechanischen Aufbau können sie je nach Leistungsklasse für unterschiedlicheAufgaben eingesetzt werden. Moderne Motoren verfügen zusätzlich noch über eine für denAnwender zugängliche CAN-Schnittstelle. Diese wird überwiegend nach dem US-amerikanischenStandard SAE J 1939 ausgelegt. In J 1939 werden die einzelnen CAN-Identifier mit denspezifischen Daten des Motors, wie zum Beispiel Betriebstemperatur, Öldruck, Drehmoment oderDrehzahl, verknüpft. Für die Steuerung des Arbeitsprozesses werden diese Daten über einGateway ausgefiltert und – falls erforderlich - noch zusätzlich programmtechnisch verarbeitet.Auch bei unterschiedlichen Baudraten kann ein Gateway zur Konvertierung zwischen denunterschiedlichen Netzwerken eingesetzt werden.
Segment Ein- und Ausgabe
Für die Steuerung der Maschine werden dieunterschiedlichsten Bedienelemente eingesetzt.Über spezielle Sammelknoten, das sind Ein-/Ausgangsmodule für den Einsatz im Steuer- oderBedienstand, werden die Informationen derJoysticks, Schalter und Taster über den CAN-Busan die Prozeßsteuerung weitergegeben und dortverarbeitet. Das Grafikdisplay informiert denBediener über Betriebszustände der Maschine. ImFehlerfall können durch aussagekräftige Symboleund Texte die Fehler schnell lokalisiert undanschließend behoben werden.Zusätzlich können die Betriebs- undDiagnosedaten auf Speicherkarten nach PC-Cardgespeichert werden. Im Servicefall geben sie soaussagekräftige Informationen über den Einsatzund die Störungsursache. Wird zusätzlich noch einFunk-GSM-Modem in das Netzwerk integriert,können Fehlermeldungen direkt weiter geleitetwerden. Außerdem besteht die Möglichkeit eine Online-Verbindung zur Maschine aufzubauen undso über das CAN-Netzwerk aus allen angeschlossenen Geräten und Aggregaten Datenauszulesen, bzw. auch Softwareupdates durchzuführen. Gerade bei Maschinen, die weltweiteingesetzt werden, bietet das eine erhebliche Einsparung von Servicekosten.
Segment Arbeitseinrichtung
In diesem Segment wird der eigentliche Arbeitsprozeß der Maschine gesteuert. DieProzeßsteuerung wird zunehmend mit mobiltauglichen Zentraleinheiten und dezentralen Ein-/Ausgangsmodulen aufgebaut. Die Sensorik und die Hydraulikkomponenten, zum Beispiel Ventile
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und Pumpen, werden dann direkt an diese dezentralen Module angeschlossen. Für dieproportionalen Ventil- und Pumpenfunktionen verfügen diese Module über stromgeregelte puls-weiten-modulierte (PWM) Ausgänge. Zu Ansteuerung dieser Ausgänge, wird der entsprechendeStromwert für das Ventil oder die Pumpe in einem PDO über den Bus übertragen und vom Modulausgeregelt. So können zum Beispiel thermische Einflüsse im Hydraulikkreis kompensiert oderBewegungsabläufe konstant gehalten werden.
Über den CAN-Bus ist auch dieArbeitseinrichtung mit den übrigenKomponenten derMaschinensteuerung vernetzt. DasCANopen-Protokoll hat sich hier inden letzten Jahren zu einemStandard in mobilenArbeitsmaschinen durchgesetzt.Durch seinen flexiblenProtokollaufbau kann derAustausch der Daten optimal aufdie jeweiligen Bedürfnisseangepaßt werden. Zusätzlich wirdim Vergleich zu älteren,konventionell aufgebautenMaschinensteuerungen derVerdrahtungsaufwand zumBeispiel zu den Bedienelementenim Steuerstand, erheblichreduziert.
Zukünftig lassen sich auch zunehmend Sicherheitsfunktionen über den CAN-Bus realisieren. Mitder Zertifizierung des Protokollzusatzes CANopen Safety (CiA DS 304) durch die deutscheBerufsgenossenschaft und den TÜV, steht für die Hersteller von Automatisierungskomponenteneine sichere Plattform zur Realisierung von Geräten bis zur höchsten Steuerungskategorie der EN954 zur Verfügung. Dann können auch die Lastmomentbegrenzung für den Kranausleger, dieStandsicherheitskontrolle für die Abstützung oder Notstopp-Funktionen ohne zusätzlicheVerkabelung direkt über das CANopen-Protokoll abgewickelt werden.
Software für Parametrierung und Programmierung
Keine der oben aufgeführten Komponenten und Geräte könnte ohne eine der wichtigsten, aber oftauch nur sehr schwer zu handhabenden Teile – die Software – betrieben werden. Ohne auf diejeweilige Applikation oder Funktion des Gerätes zugeschnittene Software, würde keines der obenbeschriebenen Geräte arbeiten. Gerade in diesem Punkt kommt auf den Systemintegrator eine derwichtigsten Aufgaben bei der Projektrealisierung zu. Daher ist es absolut notwendig, daß für dieSoftwareerstellung und die Parametrierung auf einander abgestimmte und leicht zu bedienendeProgramme zur Verfügung stehen.
Die ifm electronic baut daher schon seit vielen Jahren das Programmierwerkzeug ecolog 100plus
auf der IEC 61131 auf. In dieser am Markt etablierten Norm zur SPS-Applikationssoftwareerstellung, stehen dem Programmierer die unterschiedlichsten Sprachen zurVerfügung. Je nach gestellter Aufgabe und nach den persönlichen Vorlieben, kann dieserzwischen den Programmiersprachen Funktionsplan (FUP), Kontaktplan (KOP), Ablaufsprache(AS), Anweisungsliste (AWL) und Strukturierter Text (ST) wählen. Im Gegensatz zuProgrammiersystem die nur mit den sogenannten Hochsprachen (z. B. ´C´) arbeiten, können mit
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Programmiersystemen nach der IEC 61131 auch Neueinsteiger einfach und betriebssicher ihreApplikationssoftware erstellen. Aber auch der Vollblutprogrammierer findet mit ST (StrukturierterText) eine Sprache, die den Hochsprachen sehr nahe kommt. Der Vorteil, auch er kann ohnegroßen Zeitaufwand die ihm gestellte Aufgabe umsetzen. Zusätzlich stehen nochSoftwareschnittstellen zur Verfügung, über die Spezialfunktionen, die nicht mit einer der IEC-Sprache erstellt wurden, integriert werden können.
Die Editoren für die einzelnen Programmiersprachen sind in einer leistungsfähigen Oberfläche zurProgrammiersoftware ecolog 100plus zusammengefaßt. Neben der reinen Softwareerstellung,können auch die Projekte verwaltet und mehrfach einsetzbare Softwareteile in Bibliothekenzusammen gefaßt werden. Eine leistungsfähiges Visualisierungsmodul zur grafischen Darstellungder Maschinen- und Anlagenfunktionen rundet das Paket ab. Für den Servicetechniker vor Ortkann die Visualisierung auch als reine "Bedienversion" eingesetzt werden. Diese verhindert denZugriff auf den Programmcode, bietet aber dennoch einen leistungsfähigen und wirtschaftlichenOnline-Zugriff auf die Maschine mit ihren Funktionen.
Wird das Programmiersystem über eine CAN-Schnittstelle mit der Maschinensteuerungverbunden, hat man sofort Zugriff auf alle programmierbaren Einheiten und kann je nach Aufbauder Applikationssoftware auch die übrigen CAN-Module direkt konfigurieren.
Unabhängig von der Programmiersoftware stehen weitere auf einander abgestimmte Softwaretoolswie zum Beispiel eine CANmonitor-Software zur Überwachung und Protokollierung der CAN-Busdaten zu Verfügung.
Fazit
An den oben gezeigten Beispielen sieht man wie die einzelnen Teile einer Maschine mit einander"vernetzt" sind. Nur mit Hard- und Softwarekomponenten, die genau auf einander abgestimmt sind,kann ein leistungsfähiges und wirtschaftliches Automatisierungssystem aufgebaut werden.Grundsätzlich verkürzen sich dadurch Projektierungszeiten und durch die vielfältigen Service- undDiagnosemöglichkeiten werden störungsbedingte Stillstandzeiten reduziert.
Je nach Anforderung in der Applikation werden besondere Schwerpunkte auf die Programmierung,die Handhabung oder die Servicefreundlichkeit der Geräte gelegt.
Standadisierte Software – Tools sowie normierte Protokolle nach CANopen Standard garantierendem Anwender Sicherheit und Flexibilität sowohl bei der Konstruktion neuer Maschinen undAnlagen, als auch bei der Modernisierung oder Erweiterung bestehender Systeme.
Autor
Dietmar BrüssProdukt ManagerControl Technologyifm electronic gmbh, Essen
