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Mobile Maschinen 6/2019

Mobile Maschinen 6/2019

Die Kommunikation

Die Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten in Landmaschinen ist sehr einheitlich, so verwenden nahezu alle Maschinen das CAN-Bus Protokoll (SAE J1939). Es dient als Maschinen-Bussystem und in einer besonderen Variante zur Kommunikation zwischen Maschine und Anbaugeräten, bzw. Terminals und Sensoren, dem ISOBUS (ISO 11783). Die Integration von elektrischen Antrieben kann bereits jetzt mithilfe von Steuersignalen und Stromzufuhr sehr einfach erfolgen. Die Steuerung kann über handelsübliche CAN-Controller, CAN-Steuerungen oder das Traktor-Terminal erfolgen. Die Integration von Sensorik in den Antrieben ermöglicht es, die Wartung und den Service zu erleichtern. Fehlfunktionen können über Fernwartungsservices erkannt und behoben werden. Der Austausch von ganzen Aktuatoren ermöglicht es, schnell und einfach Reparaturen vorzunehmen. AUTOMATISIERTE STATT GRÖSSERE MASCHINEN In naher Zukunft werden vermutlich noch mehr Landwirte auf die klassische Technik setzen und nur langsam neue Systeme wie Robotik, Fernerkundung mithilfe von Drohnen oder cloudbasierte IT-Strukturen nutzen. Jedoch kann der gesellschaftliche Wandel sehr bald dazu führen, dass nur mithilfe von Robotik die Wirtschaftlichkeit erhalten bleiben kann. Durch den vielleicht bald gesetzlich geforderten Verzicht auf chemische Schädlings- und Unkrautkontrollen, werden in Zukunft mehr Überfahrten mit Hackmaschinen o. ä. nötig sein. Wenn der Trend weiter anhält und die effektive Bewirtschaftung der Felder weiterhin steigen muss, kann dies nicht durch noch größere Maschinen geschehen, sondern nur durch eine Teilautomatisierung und Optimierung der Aufgaben. Die aktuellen Maschinen haben die maximale Größe erreicht, um noch auf öffentlichen Straßen gefahren und transportiert werden zu können. Daher ist es zu erwarten, dass in Zukunft die Maschinen nicht mehr größer werden. Wenn Roboter die Aufgaben übernehmen, ist die absolute Größe der Einheiten nur noch abhängig von den technischen Möglichkeiten wie der Reichweite, der Laufzeit und der Kontrollierbarkeit der Maschinen. Es ist zu erwarten, dass die Bodenbearbeitung den höchsten Kraftbedarf erfordert und somit die untere mögliche Grenze der Maschinen definiert. Eine Minia turisierung wird jedoch nicht bis zum Niveau eines Gartenrasenmähers funktionieren, da erst ab einer gewissen Größe die nötige Schlagkraft, Laufzeit und Geländemobilität gewährleistet ist. INTELLIGENTE SENSOREN UND AKTUATOREN Automatisierte und autonome Maschinen benötigen intelligente Sensoren und Aktuatoren. Aktuatoren der Zukunft werden daher nicht nur reine Steuerungen sein, sondern auch ein Feedback ihrer Aktion liefern. Dies beinhaltet Eigenschaften wie Position, Aktion, Leistung, Belastung und Zyklen. Werden diese Informationen in den richtigen Kontext gesetzt, kann bereits mit dieser Information zusätzlicher Mehrwert erzeugt werden. Somit könnte in Zukunft die Belastung und der Verschleiß selbstständig in intelligenten Aktuatoren erkannt und bewertet werden. Wartung und Service könnten effizient und mit wenig Aufwand durchgeführt werden. Bei automatisierten Prozessen muss die absolute Position des Aktuators immer bekannt sein. Ebenso ist eine intelligente Aktion des Aktuators gewünscht, sodass z. B. ein Widerstand oder ein Blockieren des Aktuators selbstständig erkannt und gemeldet wird und die Steuerung darauf reagieren kann. Die Informationen, welche gesammelt werden, wie z. B. die Der Geräteträger Phönix der Universität Hohenheim ist mit Linak Aktuatoren, wie die LA36 ausgestattet Kraft und Interaktion, können dazu dienen, zusätzliche Informationen über die Umgebung zu ermitteln, wenn die Daten in den richtigen Kontext gesetzt werden. Diese Information kann z. B. für die Optimierung der Bearbeitung genutzt oder sogar zur Planung der nächsten Arbeitsschritte dienen, um Bearbeitungsspitzen zu minimieren. Ähnlich wie menschliche Arbeiter werden autonome Roboter in Zukunft haptische Feedbacksysteme benötigen, idealerweise direkt integriert in die Aktuatoren. Das ermöglicht ein „Erfühlen“ der Umgebung und ein aktives Interagieren mit der Umwelt. Um in einem „berührungssicheren“ Bereich arbeiten zu können, ist die Erweiterung auf eine Nennspannung von 48 V (evtl. 42 V, um mit der Ladespannung unter 50 V zu bleiben) denkbar. Bei 60 A ergibt sich hier bereits eine nutzbare Leistung von 2,8 kW. Diese Leistung ist für die meisten Aufgaben bereits mehr als ausreichend. Dies wäre auch ausreichend, um die meisten linearen Hydraulikzylinder mit elektrischen Aktuatoren zu ersetzen. Mit einer erfolgenden Miniaturisierung und Automatisierung der Maschinen ist zu erwarten, dass die erforderlichen Leistungen geringer werden. DIGITALISIERUNG DER MASCHINEN Die zukünftige Maschine entwickelt sich zum „Smart Device“, indem mithilfe von Sensorik kontinuierlich Messdaten erfasst werden. Das Hauptziel von automatisierten Maschinen und Robotern in der Landwirtschaft ist, die Verhaltensweisen der Umgebung und der Pflanzen nachzuvollziehen und darauf reagieren zu können. Dies wird durch intelligente Antriebe ermöglicht. Dadurch wird die erforderliche Datenrate erhöht, was auch die Grenzen der aktuellen Protokolle für die interne Kommunikation mit Antrieben 38 Mobile Maschinen 2019/06 www.mobile-maschinen.info

aufzeigt. Da auch der Austausch von Bildmaterial von Kamerasensoren am besten über dieselbe Schnittstelle gesendet werden sollte, ist die Umsetzung mit CANBus aufgrund der maximal möglichen Datenrate von 1 Mbit/s nicht realistisch. Alternativen sind z. B. Flexray, Automotive Ethernet, Most-Bus oder EtherCAT, welche alle größere Übertragungsraten ermöglichen. Einige Aufgaben werden auch in der nahen Zukunft von herkömmlichen Maschinen mit Fahrer umgesetzt. Bei der Bodenbearbeitung, der Aussaat und der Bestandspflege ist allerdings zu erwarten, dass schon sehr bald auf teilautonome Systeme gesetzt wird. Bisher ist nicht geklärt, wie flexibel Maschinen und Roboter der Zukunft sein werden. Entweder sind sie spezialisiert auf eine Aufgabe oder Generalisten, welche mehrere Arbeiten über das ganze Jahr verteilt umsetzen können. Es ist denkbar, dass durch die Miniaturisierung der Maschinen hydraulische Steuerantriebe an Relevanz verlieren werden, da geringere Leistungen benötigt werden. In einer voll elektrifizierten Maschine ist es sinnvoller, mit elektrischen Linearaktuatoren zu arbeiten, wenn es der Leistungsbereich zulässt. Damit kann der Leistungsverlust durch die Energieumwandlung verringert werden. Zusätzlich lässt sich in Zukunft die Sensorinformation nutzen, um einen Mehrwert aus der Automatisierung einzelner Einstellungen zu gewinnen, z. B. wenn die Stellung des Aktuators zusammen mit der Position geloggt wird, kann diese zur automatischen Steuerung der Maschine übernommen werden. Durch die Automatisierung von Maschinen und Robotern werden deutlich mehr Verstellmöglichkeiten gefordert als im Moment bei herkömmlichen Maschinen, da bisher der Landwirt die Anpassung manuell übernimmt. In Zukunft sollte die Maschine fähig sein, sich selbstständig anzupassen, was jedoch mehr Aktuatoren erfordert. FAZIT Die Elektrifizierung der Landwirtschaft wird in Zukunft gesellschaftlich gefordert und zunächst in der Landwirtschaftsrobotik umgesetzt werden. In einem elektrisch betriebenen System, welches minimalinvasiv arbeiten soll, macht es kaum Sinn, auf hydraulische Antriebe zu setzen, wenn die benötigten Leistungen auch durch elektrische Aktuatoren bereitgestellt werden kann. Durch den Einsatz von höheren Spannungen kann der Leistungsbereich bestehender Linearaktuatoren erweitert werden und bietet somit eine höhere Einsatzbreite. Intelligente, lineare Antriebe werden in Zukunft einen wichtigen Stellenwert in der Umsetzung von automatisierten Systemen besitzen. Sie werden Möglichkeiten zur Aufnahme von Daten schaffen, welche heute noch nicht in Betracht stehen. Dadurch erfolgt die Erweiterung der zukünftigen Land maschine zum „Smart Device“, welches durchgehend Daten über den Prozess erzeugt, mit welchen in Zukunft neue Optimierungen möglich sein werden. Bilder: Linak www.linak.de DIREKTER KONTAKT Michael Kus Key Account Manager michael.kus@linak.de

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