Aufrufe
vor 1 Jahr

Mobile Maschinen 6/2015

Mobile Maschinen 6/2015

MECHATRONISCHE SYSTEME I

MECHATRONISCHE SYSTEME I TITEL 03 HMIs bilden die oberste Ebene der Pyramide bewegt wird. Die Auswerteelektronik be findet sich im Sensorkopf, dessen Durchmesser lediglich 20 mm beträgt. Betreffend des Ausgangssignals hat der Anwender die Wahl zwischen Analogspannung, Analogstrom oder CANopen. Darüber hinaus bietet HYDAC den Differenzdruckmessumformer HPT 500, der beispielsweise in Load Sensing Kreisen zum Einsatz kommt (Bild 01 mitte/rechts). Bei dem Messprinzip wird ein federgestützter Kolben durch einen Hallsensor abgetastet. Der HPT 500 bietet auch bei hohen Betriebsdrücken eine gute Auflösung und Messgenauigkeit bezogen auf die Druckdifferenz. Das Messsignal wird in Form einer Analogspannung oder eines Analogstroms aus gegeben. Für Funktionen mit erhöhter funktionaler Sicherheit wurde der Single turn-Winkelsensor HAT 1000 entwickelt (Bild01 oben/ rechts). Auf Basis einer Kategorie 2-Architektur, in der ein Hallsensor die Winkelerfassung umsetzt, wird ein Sicherheitslevel PLd oder auch SIL2 erreicht. In der Ausführung mit einem Analogausgangssignal bietet der HAT 1000 eine Auflösung von 12bit, in der Ausführung mit CANopen-Signal 14bit. Das modulare Gehäusedesign erlaubt mehrere Anbindungsmöglichkeiten an die Mechanik. Vorrangig kommen Sensoren mit eingebauter Welle zum Einsatz. Wird eine höhere Auflösung benötigt kann alternativ der Winkelsensor HAT 3000 mit 16bit (Analog) und 18bit (CANopen) eingesetzt werden. Bei den beiden anderen Sensoren handelt es sich um Druckmessumformer. Der HDA 8000 (Bild01 oben/links) bietet eine Eigendiagnosefunktion. Während des normalen Messbetriebs wird kontinuierlich überprüft, ob das Gerät ordnungsgemäß arbeitet. Im Fall eines Fehlers wird dieser 02 Mit dem Steuerungsportfolio lassen sich alle gewünschten Systemarchitekturen realisieren der Steuerung dadurch signalisiert, indem das 4…20 mA-Ausgangssignal auf ca. 2 mA gedrückt wird. Mit dieser Funktionalität kann ein Sensorfehler klar identifiziert bzw. diagnostiziert werden. Der zweite Druckmessumformer (Bild01 mitte/links) wurde für Maschinenfunktionen mit einer erhöhten Sicherheitsanforderung entwickelt. Der redundante Aufbau (Kategorie 3) beinhaltet zwei separate Sensorzellen mit denen ein Sicherheitslevel PLd erreicht wird. Die Messwerte werden jeweils als 4...20mA-Signal ausgegeben. Die richtige Auswahl eines Controllers Den Mittelpunkt der Pyramide bildet die Steuerung, die mittels Applikationssoftware die Ausführung der einzelnen Maschinenfunktionen übernimmt. Die Wahl einer geeigneten Steuerung ist von vielen Parametern abhängig. Neben den Anforderungen an die Robustheit, z. B. Umwelteinflüsse, sind es applikationsund entwicklungsrelevante Faktoren, welche die Auswahl im Wesentlichen bestimmen. Das Ergebnis der Risikoanalyse jeder einzelnen Maschinenfunktion legt den erforderlichen Sicherheitslevel fest. Diese Vorgabe beeinflusst maßgeblich das Systemdesign der Maschine und die Auswahl der hierfür benötigten Komponenten. Im Hinblick auf die Steuerung hat dies nicht nur Auswirkungen auf die entsprechend benötigte Controller-Hardware, sondern auch auf die Software, bei deren Erstellung der Entwickler Vor gaben und Regeln berücksichtigen muss. Für das Steuergerät leitet sich aus dem Systemdesign die Zahl der benötigten Ein- und Ausgänge ab. Außerdem ergibt sich daraus, mit welchen Signalen gearbeitet wird und bezogen auf die Ausgänge, welche Leistungen diese benötigen. Der Maschinentyp, oder aber auch die Präferenz eines Maschinenherstellers für einen Systemaufbau, führt zur Entscheidung, ob eine zentrale oder dezentrale Steuerungsarchitektur realisiert werden soll. Bei einer zentralen Architektur werden alle Ein- und Ausgänge auf ein Zentralsteuergerät geführt, bei einer dezentralen Architektur befinden sich Steuergeräte meist in der Nähe der Aktoren und kommunizieren über digitale Schnittstellen miteinander. Der Datentransfer erfolgt noch vorrangig über CAN-Netzwerke. Fehlende Ein- und Ausgänge werden vorzugsweise über I/O- Erweiterungsmodule kompensiert. Von der Anzahl und der Komplexität der Maschinenfunktionen leitet sich die benötigte Rechenleistung der Controller ab. Ein weiterer wesent licher Auswahlpunkt ist, in welcher Programmiersprache ein Entwickler die Applikationssoftware erstellen möchte. Aktuell favorisieren die Maschinenentwickler „C“ oder „CODESYS“. Für alle Eventualitäten gerüstet Das Steuerungstechnik-Programm von HYDAC ist auf Basis dieser Vorgaben entstanden. In einem Joint Venture mit dem Namen TTControl haben HYDAC und die österreichische Firma TTTech, einem Technologieführer im Bereich robuster, vernetzbarer Sicherheitssteuerungen, ein umfangreiches und leistungsstarkes Produktportfolio entwickelt. Zur Realisierung einer zentralen oder dezentralen Systemarchitektur stehen Steuerungen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen zur Verfügung. Die HY-TTC 500er Familie (Bild02 unten/ rechts) basiert auf einem 32bit Micro- Controller neuester Bauart und bietet 96 Ein- und Ausgänge, die zum großen Teil flexibel konfiguriert werden können, z. B. als Ein- oder Ausgang. Geräte dieser Familie eignen sich beispielsweise als Einzelcontroller in einer zentralen Systemarchitektur. Mit 48 Ein- und Ausgängen ist die 16bit Rechnerfamilie HY-TTC 50/60/90 (Bild02 unten/links) ausgestattet. Controller dieser Bauart werden häufig in dezentralen Systemarchitekturen eingesetzt und empfehlen sich auch als Einzelrechner in kleineren Maschinen. Die I/O-Erweiterungsmodule der Familie HY-TTC 30 und HY-TTC 48 (Bild02 oben), mit 30 bzw. 48 Ein- und Ausgängen, kommunizieren über CAN- Bus mit einem Steuergerät. Mit der umfangreichen Kombinationsmöglichkeit zwischen Steuerungen und I/O-Erweiterungen können Entwickler alle gewünschten Systemarchitekturen realisieren. In Abhängigkeit des zu realisierenden Sicherheitslevels stehen die Steuergeräte 24 Mobile Maschinen 6/2015

TITEL I MECHATRONISCHE SYSTEME und I/O-Erweiterungen in einer Standardausführung, aber auch in der Ausführung mit erhöhter Sicherheit zur Verfügung. Die Programmierung der Steuergeräte kann wahlweise in „C“ oder „CODESYS“ erfolgen. Die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine Die oberste Ebene der Pyramide umfasst alle Komponenten, welche für die Kommunikation zwischen Bediener und Maschine benötigt werden. Momentan erfolgt diese Kommunikation noch weitgehend über mechanische Tasten, Pedale, Joysticks, Lampen und Displays – teils mit Eingabemöglichkeit. Der technologische Fortschritt wird auch hier neue Kommunikationsmöglichkeiten schaffen, wie z.B. Assistenzsysteme, die sprachgesteuert agieren. Im HYDAC-HMI-Portfolio findet sich der Joystick G-pro (Bild03 links). Er bietet über seine Fernsteuergeberfunktion hinaus die Möglichkeit Hydraulikventile oder alternative Aktuatoren anzusteuern. Dazu stehen 6 PWM-Ausgänge und 3 Schaltausgänge zur Verfügung. In mobilen Arbeitsmaschinen ist eine gute Ablesbarkeit der Bildschirminformationen von hoher Bedeutung, insbesondere wegen der sehr unterschiedlichen Umgebungslichtbedingungen. Diesen Herausforderungen stellt HYDAC die Geräte der eVision 2 -Familie mit einer Bildschirmdiagonale von 7“ bzw. 10,4“ entgegen (Bild03 mitte und rechts). Bei den eVision 2 - Displays sorgt nicht nur der integrierte Umgebungslichtsensor, sondern auch ein kontrastreicher TFT-Monitor mit geringen Reflexionen für eine bestmögliche Ablesbarkeit. Ebenfalls von Bedeutung ist eine schnelle Betriebsbereitschaft der Anzeige, nachdem die Maschine gestartet wurde. Mit beiden Displays sind Boot up-Zeiten von weniger als 15 Sekunden möglich. Leistungsfähige und moderne Grafikprozessoren gewährleisten eine hohe Darstellungsqualität, beispielsweise in Form einer Ruckfreiheit von Zeigern oder Balken anzeigen. Die Displays verfügen standardmäßig über feste Tasten, sind aber auch in einer Touch- Screen-Variante erhältlich. Effizient entwickeln, aber wie? Die Entwickler einer Maschine stehen der Herausforderung gegenüber, alle Ebenen der Pyramide bzw. die drei Bereiche eines mechatronischen Systems optimal miteinander zu verknüpfen, damit eine kosten-, funktions- und zeitoptimierte Lösung entsteht. Bedingt durch die Systemkomplexität und die interdisziplinären Zusammenhänge werden Maschinen heute im Teamwork fachbereichsübergreifend entwickelt. Dementsprechend werden auch Entwicklungswerkzeuge benötigt, welche einen Schirm über die verschiedenen Entwicklungsschritte und -aufgaben spannen und diese miteinander verlinken. Unter dem Namen MATCH hat HYDAC eine solche Entwicklungsumgebung geschaffen. MATCH verbindet folgende Entwicklungsprozesse: Systemdefinition, Applikationsprogrammierung, Simulation und Test sowie Inbetriebnahme. Außerdem ist es möglich, ein zu dieser Entwicklung passendes Serviceprogramm zu generieren, welches beispielsweise später in der Produktion (End of Line Tests) vom Kundendienst oder von Werkstätten genutzt werden kann. Unter der Anwendung von MATCH erfolgt eine weitgehend automatisierte Erstellung der Entwicklungsdokumentation. Auch sicher- heitsgerichtete Aspekte der Entwicklung werden durchgehend berücksichtigt. Besucher der Agritechnica und der SPS IPC Drives haben die Möglichkeit, sich die „Pyramide der Neuzeit“ und Inno vationen auf dem HYDAC-Stand in Natura anzu sehen: Agritechnica Stand 16 A 08, SPS IPC Drives Stand 4A-401. www.hydac.com Mobile Maschinen 6/2015 25