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Mobile Maschinen 6/2016

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Mobile Maschinen 6/2016

STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN I SIMULATION Durchgängige Produktent wicklung bis zum Softwaretest Aufbau eines Hardware-in-the-Loop-Prüfstandes für eine Hubarbeitsbühne Sebastian Simon, Thomas Neubert und René Noack Der Entwicklungsanteil für Funktionen der Steuergerätesoftware nimmt im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess von mobilen Arbeitsmaschinen der Palfinger AG kontinuierlich zu. Diesem Trend folgend werden Softwaretests, auch schon während der Entwicklungsphase, immer wichtiger. Dazu dienen Tests an Simulationsmodellen und virtuelle Inbetriebnahmen. Mithilfe von echtzeitfähigen Simulationsmodellen lassen sich einzelne Software-Module an virtuellen Prototypen schrittweise testen und in Betrieb nehmen. Dadurch reduzieren sich die Anzahl der Dr.-Ing. Sebastian Simon, Palfinger Platforms GmbH, Dr. -Ing. Thomas Neubert, Hydrive Engineering GmbH M.Sc. René Noack, ESI ITI GmbH notwendigen Prototypen und die Zeit für die Inbetriebnahme der realen Maschine. Dieser Bericht dokumentiert den Aufbau eines (Hardware-in-the-Loop) HiL-Prüfstandes einer Hubarbeitsbühne. Echtzeitfähige Simulationsmodelle der Hubarbeitsbühne Das virtuelle Modell soll in dieser Phase den Bewegungsablauf der Hubarbeitsbühne im Raum abbilden. Dies benötigt die strukturelle Ableitung der konstruierten Hubarbeitsbühne als Mehrkörpersystem (MKS) und deren Umsetzung durch die Simulationssoftware. Weiterhin ist die Einbindung von CAD-Daten aus der Konstruktion notwendig. In der ersten Ausbaustufe wird zunächst auf die Abbildung der Hydraulik verzichtet, soll aber später ermöglicht werden. Der Export des Modells auf ein Echtzeitsystem ist für den Aufbau des HiL-Prüfstandes notwendig. Dazu sind in dem Modell Eingangs- und Ausgangsgrößen zu definieren und die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Die Software SimulationX der ESI ITI GmbH ist ein bewährtes Simulationswerkzeug im Bereich der multiphysikalischen Systemsimulation. Es ermöglicht u. a. den Aufbau von MKS-Modellen, den Import von CAD- Daten der Konstruktion und die Kopplung an andere physikalische Teilmodelle, wie der Hydraulik, sowie weitere Möglichkeiten der Signalverarbeitung und den Aufbau von Regelkreisen. Darüber hinaus werden Schnittstellen zu mehreren Echtzeitplattformen, deren Aufgabe die Realisierung von HiL-Prüfständen ist, unterstützt. Die erstellte MKS-Struktur beginnt nach der Festlegung des Bodenbezugspunktes mit der Plattform der Hubarbeitsbühne und verläuft über die Komponenten des drehbaren Hubarms inklusive -zylinder, des ausfahrbaren Teleskoparms und des Korbarms bis hin zu dem schwenk- und neigbaren Korb inklusive Bediener und Zuladung. In Abbildung 1 ist die MKS-Struktur in einer Prinzipskizze der Hubarbeitsbühne dargestellt. Darin repräsentieren alle gelb gekennzeichneten Elemente die MKS-Bestandteile. Dazu gehören die importierten CAD-Daten der jeweiligen Teilkomponenten, die notwendigen Gelenke und Vier- Gelenk-Mechanismen, sowie diverse Sensoren. Die schwarzen Verbindungen und Elemente stellen die Koppelelemente zu den Antrieben und damit die Eingangsgrößen des Modells dar. Als Ausgangsgrößen liefert das Modell die Kräfte in den hydraulischen Zylindern sowie die Winkel als Bewegungsgrößen (z. B. Drehwinkel des Hubarmes). Der Neigungswinkel der Plattform und die Beladung des Korbes können eingestellt werden. Die Abbildung 2 zeigt die 3D-Darstellung in SimulationX und stellt gleichzeitig die Visualisierung der Hubarbeitsbühne auf dem HiL-Prüfstand dar. 30 Mobile Maschinen 6/2016

Wir sind dabei, wenn Lösungen nach Maß gefordert werden. 01 Darstellung der MKS-Struktur in einer Prinzipskizze der Hubarbeitsbühne First Sensor entwickelt und produziert kundenspezifische OEM-Drucksensoren zur Integration in Kraftfahrzeuge, Sonderfahrzeuge und mobile Maschinen. 02 3D-Darstellung des SimulationX-Modells Hardware in the Loop (HiL)-Prüfstand Der HiL-Prüfstand verbindet das Simulationsmodell der Hubarbeitsbühne aus SimulationX mit dem realen Steuergerät der Maschine und ermöglicht einen virtuellen Test des Gesamtsystems. Dazu sind eine Reihe von technischen Voraussetzungen notwendig, wie die Umwandlung aller realen elektrischen Ein- und Ausgangssignale des Steuergerätes der Hubarbeitsbühne in Datenflüsse vom und zum Simulationsmodell innerhalb des vorgegeben Steuergerätetaktes von 10 ms. Darüber hinaus soll es möglich sein, Testabläufe komfortabel und effizient zu verwalten und automatisiert ablaufen zu lassen. Die Anforderungen wurden in diesem Anwendungsbeispiel mit der Echtzeit- Simulationsplattform NI VeriStand der Firma National Instruments realisiert. Die Errichtung des HiL-Prüfstandes, dessen struktureller Aufbau in Abbildung 3 dargestellt ist, erfolgte durch die Firma Hydrive Engineering GmbH. Das echtzeitfähige Simulationsmodell aus SimulationX ist eingebettet in NI VeriStand. Dort erfolgt auch das Mapping der Ein- und Ausgänge des Simulationsmodells mit den zugehörigen Aus- und Eingängen der Signalkonditionierung, um modellinterne Zustandsgrößen in reale elektrische Sensorsignale für das Steuergerät umzuwandeln sowie reale elektrische Ventilströme des Steuergeräts an die Modelleingänge weiterzuleiten. In der Signalkonditionierung werden sowohl analoge elektrische Größen als auch Feldbussignale, wie CANopen oder CANopen Safety, erzeugt oder eingelesen. Die physikalischen Größen Druck, Winkel und Neigung werden in der realen Maschine an mehreren Stellen mittels CANopen-Sensoren gemessen und an das Steuergerät der Maschine per CAN-Bus übertragen. Im HiL-Prüfstand sorgen Sensormodelle ersatzweise dafür, dass die im Simulationsmodell berechneten Drücke, Winkel und Neigungen in CAN-Messages gewandelt und mithilfe eines CAN-Adapters dem realen Steuergerät der Maschine übermittelt werden. Der Tester bedient den HiL-Prüfstand mit dem originalen Bedienpanel der Hubarbeitsbühne, wie ebenfalls in Abbildung 3 dargestellt, und beobachtet die Maschinenreaktion über eine 3D-Visualisierung der Zustandsgrößen, die im Simulationsmodell berechnet werden. Die 3D-Visualisierung erfolgt in Echtzeit über den Host-PC des www.first-sensor.com