Gesteuerte Effizienz

Titel

Mobile Maschinen – Ein Kennzeichen mobiler Maschinen sind verschiedene parallel betriebene Antriebe mit hohem Leistungsbedarf neben dem Fahrantrieb. Frei programmierbare Steuergeräte von STW gewährleisten dabei die Steuerung und Leistungsübertragung für sämtliche Antriebe mit höchster Effizienz in Simulation und Praxis.

22. August 2014

Eine der größten Herausforderungen bei der Weiterentwicklung mobiler Arbeitsmaschinen ist die Steigerung ihrer Energieeffizienz. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt unter anderem das Verbundprojekt TEAM (»Entwicklung von Technologien für energiesparende Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen«), an dem sich 20 Unternehmen und fünf Universitäten beteiligen. Eines der Themenfelder des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines »Grünen Radladers« als Demonstrationsobjekt für die Bewertung und Erprobung der erarbeiteten Ergebnisse. Die Industriepartner stellen hierzu jeweils ihre Lösungen bereit und entwickeln das Gesamtsystem gemeinsam mit dem Institut für Fluidtechnik (IFD) der TU Dresden und dem Institut für Maschinenelemente (IME) der RWTH Aachen.

Der Demonstrator auf Basis des 24-Tonnen-Radladers L576 von Liebherr vereinigt dabei zum ersten Mal mehrere neuartige energiesparende Antriebstechnologien zur Leistungsübertragung und -steuerung in einer einzigen Maschine: Als primäre Energiequelle nutzt der Radlader einen optimierten, im Arbeitsbereich eingeschränkten Verbrennungsmotor, der auf dem Deutz-Prototypen TCD 7.8 L6 basiert. Ein hydraulisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe von Bosch Rexroth kombiniert die Vorteile beider Getriebearten. Die Bewegung der Arbeitsausrüstung erfolgt über eine Verstelleinheit H1P von Danfoss Power Solutions durch zwei separat verdrängergesteuerte, hydrostatische Kreisläufe. Die Energie aus dem Antriebsstrang speichert ein hydrostatisches Parallelhybridmodul mit einer Spitzenleistung von 70 Kilowatt, das in einer Kooperation zwischen dem saarländischen Hydraulikspezialisten Hydac und Liebherr entstanden ist.

Dezentrale Steuerung

Jedes der Antriebssysteme besitzt ein eigenes Steuergerät mit definierten Schnittstellen, das die spezifische Ansteuerung realisiert, die Sensorsignale auswertet und erforderliche Zustandsgrößen an eine übergeordnete Steuerung zurückmeldet, die die Gesamtstrategie des Fahrzeugs enthält und am IFD entwickelt wird. Diese dezentrale Steuerungsstruktur bietet so eine Vielzahl an Freiheitsgraden. Für die Entwicklung der Maschinensteuerung dient das Steuergerät ESX-3XL der Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) aus Kaufbeuren. Die Basis bildet ein 32-Bit-TriCore-Controller mit 150 MHz, vier MB RAM und sechs MB Flash. Ein 32 Kilobyte großer EEPROM speichert unter anderem Kalibrierwerte für Joystick und Pedale sowie eine Vielzahl an Parametern der Steuerstrategie, welche über das Display gesetzt werden können. Die verfügbaren 20 Leistungsausgänge und 28 Multifunktionseingänge dienen zu Steuerung und Überwachung aller Nebenfunktionen am Radlader. Dies sind unter anderem die Lüftersteuerung, die Temperaturüberwachung, die Aufrechterhaltung des Niederdrucks für alle Systeme über eine Speicher-Lade-Schaltung, aber auch die Ausgabe von Warnsignalen. Die Integration von bis zu sechs Erweiterungsboards in die Steuerung ermöglicht zudem eine flexible Erweiterung auf bis zu 136 I/Os für zusätzliche Anforderungen innerhalb der Projektlaufzeit. Während drei der vier 2.0-B-CAN-Bus-Schnittstellen zur Ansteuerung der Subsysteme und der Kommunikation mit der HMI dienen, ermöglicht der vierte CAN-Bus für die Ergebnisaufbereitung im Projekt das Ausgeben zusätzlicher Messgrößen aus den einzelnen Subsystemen.

Die kompakte, abgedichtete Gehäusekonstruktion aus Aluminium-Druckguss bietet sowohl hohe Sicherheit gegen elektromagnetische Störungen als auch hohen Schutz bei mechanischen Beanspruchungen und erfüllt damit die Schutzklasse IP67, optional auch IP69K. Die Applikationsentwicklung erfolgt mit der Programmierumgebung Codesys. Bei sicherheitskritischen Systemen unterstützt die Steuerung die Applikationsentwicklung mit Codesys Safety bis zum Sicherheitsniveau SIL2 nach DIN IEC 61508 oder PL d nach DIN EN ISO 13849. Der Einsatztemperaturbereich von –40 bis 85 Grad Celsius erlaubt eine Vielzahl von Anwendungsszenarien.

Entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung des Projekts »Grüner Radlader« innerhalb der kurzen Laufzeit ist der gleichzeitige Aufbau eines Hardware-in-the-Loop (HiL)-Prüfstands am IFD, mit dem sich die Steuerungsfunktionen des realen Maschinencontrollers frühzeitig automatisiert testen lassen. Dabei bilden echtzeitfähige Simulationsmodelle das physikalische Verhalten des realen Radladers nach. Das Steuergerät ESX-3XL wird dabei durch eine Signalkonditionierung in die Simulation integriert.

Eine echtzeitfähige Simulation ist gewährleistet, wenn der erforderliche Rechenschritt stets weniger Zeit benötigt als der zu berechnende Simulationsschritt selbst. Die Generierung echtzeitfähiger Modelle erfordert ein hohes Maß an Erfahrung und Systemverständnis. So führt die Modellierung hydraulischer Systeme zu sehr kleinen Zeitkonstanten, welche die maximal zulässige Simulationsschrittweite deutlich limitieren. Insbesondere die kinematischen Strukturen mobiler Arbeitsmaschinen erfordern zudem einen sehr hohen Rechenbedarf. Die meist aus der Systementwicklung vorliegenden Simulationsmodelle erfüllen in der Regel nicht die Anforderungen der Echtzeitfähigkeit. Dieser Problematik widmen sich die Verbundpartner des Forschungsprojekts proFAST (Prozesseffiziente Echteitsimulation für die Funktionserprobung von Antriebs- und Steuerungssystemen): das Dresdener Simulationssoftwarehaus ITI, der sächsiche Antriebstechnikspezialist Hydrive Engineering sowie die TU Dresden. Fi-nanziert wird das Projekt durch den Europäischen Fond für regionale Entwicklung.

Integrierte Assistenz

Im Fokus stehen dabei neben der Implementierung verbesserter Integrationsverfahren auch ein Assistenzsystem sowie die Entwicklung echtzeitfähiger Modellelemente. Das Assistenzsystem analysiert vorhandene Simulationsmodelle und zeigt für die Echtzeitsimulation kritische Elemente auf (aus: Koch et al., Tagungsband 9. IFK 2014, Vol. 2, S. 178). Dies ermöglicht die zielgerichtete Detektion und Adaption von kleinen Zeitkonstanten, die ein Steuergerät aufgrund der begrenzten Abtastung nicht wahrnehmen kann, ohne für den Steuerungstest verhaltensrelevante Systemeigenschaften wesentlich zu verändern. Die damit einhergehende Vergrößerung der maximal zulässigen Simulationsschrittweite erlaubt gegenüber den bisherigen Echtzeitmodellen eine wesentlich größere Detailtiefe.

Das Ergebnis ist die vollständige Abbildung des Radladers auf einem handelsüblichen Desktoprechner mit Echtzeitbetriebssystem. Damit lässt sich die Interaktion der übergeordneten Maschinensteuerung mit weiteren Steuergeräten vorab testen (siehe Bild 2). Am Prüfstand befinden sich dazu in der aktuellen Konfiguration neben den beiden ESX-3XL-Steuerungen ein weiterer Controller sowie die Bediengeräte; alle anderen für den Steuerungstest notwendigen Komponenten sind in der Simulation abgebildet.

Vollständiges Modell

Die Aufteilung der Gesamtsimulation in einzelne Teilmodelle erlaubt eine Anpassung der Schrittweite sowie die optimale Verteilung auf die zur Verfügung stehenden Prozessoren. Die Signalkonditionierung und Fehlereinprägung geschieht dabei über robuste Geräte von National Instruments, deren Mess- und Steuermodule sich flexibel und skalierbar austauschen lassen. Der HiL-Prüfstand lässt sich auf diese Weise einfach für unterschiedliche Applikationen umrüsten.

Der aufgebaute HiL-Prüfstand ist damit ein effektives Werkzeug zur Untersuchung verschiedenster Steuerungsalgorithmen und unterstützt so maßgeblich die Entwicklung der Steuerung für den Demonstrator. Die entwickelten Lösungsansätze zur Generierung echtzeitfähiger Simulationsmodelle reduzieren den Arbeitsaufwand und ermöglichen somit in Kombination mit adaptierbarer Prüftechnik den Einsatz der HiL-Testmethodik auch für kleinere oder mittelständische Hersteller von mobilen Arbeitsmaschinen. Der komfortable Umgang mit der STW-Steuerungstechnik vereinfacht dabei die Applikationsentwicklung. Derzeit validieren die Wissenschaftler die erarbeiteten Modelle an der realen Maschine auf einem Versuchsgelände der TU Dresden zum Nachweis der ermittelten Energieeinsparung.bt

Auf einen Blick

- Die 1985 gegründete Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) in Kaufbeuren ist ein führender Hersteller von Hightech-Produkten der Mikro- und Leistungselektronik.

- Der breit gefächerte Kundenkreis des Unternehmens reicht vom Anlagenbau bis zur Medizintechnik.

Fakten

- Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Rahmenkonzept »Forschung für die Produktion von morgen« (02PJ2240 ff.) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.

- Das Verbundvorhaben »proFAST – Prozesseffiziente Echtzeitsimulation für die Funktionserprobung von Antriebs- und Steuerungssystemen« wird finanziert durch den Europäischen Fond für regionale Entwicklung.

Erschienen in Ausgabe: 06/2014