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Dienstag, August 22, 2017
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Aktuelles über Mobile Arbeitsmaschinen

Technik für Forstmaschinen, Landmaschinen, Kräne, Bagger, Gabelstapler, Elektromobilität

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    nanoscribe0117 Forschungsbericht

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    fraunhofer0416 Electronica Halle 4, Stand 113
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imc20214Sensor + Test Halle 11, Stand 221

Anwenderbericht

Auch in der Landtechnik werden die Entwicklungszyklen immer kürzer und die Anforderungen an die Produktqualität immer höher. Diese Herausforderungen bei Traktoren, selbstfahrenden Erntemaschinen und angehängten Arbeitsgeräten lassen sich nur mit umfangreichen Messreihen in praxisnahen Feldversuchen bewältigen. Das komplexer werdende Zusammenspiel von Steuergerätesoftware, Mechanik, Hydraulik und elektrischen Komponenten muss dabei besonders sorgfältig getestet werden. Gemeinsam mit der Firma Grimme hat IMC Meßsysteme eine Lösung für eine automatisierte, drahtlose Messdatenerfassung an Erntemaschinen im Feldversuch entwickelt.


imc10214Die Messtechnik muss einerseits begleitend zur Entwicklung und andererseits bei Kundenfahrzeugen eingesetzt werden können. Für Langzeituntersuchungen sind besonders robuste Systeme notwendig, die den extremen Umweltbedingungen wie Hitze, Kälte, Spritzwasser und Erschütterung trotzen. Alle Messdaten müssen sich bereits im Gerät online verrechnen und speichern lassen. Zusätzlich zu den analogen und digitalen Messkanälen wie Temperaturen, Drücke, Wege, Kräfte oder Schwingungen müssen synchron Maschinendaten, GPS-Koordinaten und Videosequenzen kontinuierlich und/oder auch ereignisgesteuert aufgezeichnet werden.

Die gewonnenen Daten sind anschließend automatisiert über das Mobilfunknetz zu übertragen und dem Testingenieur über ein Web-Frontend zur Verfügung zu stellen. Bereits während des Feldversuchs kann dieser die ersten Messdaten automatisiert auswerten und die gewonnenen Erkenntnisse gehen in die Versuchsdurchführung ein. Die Anforderungen werden am Beispiel einer Zuckerrübenvollerntemaschine ‚Maxtron 620‘ von der Grimme Landmaschinenfabrik GmbH & Co. KG vorgestellt.

Aller Anfang ist die Vision

Am Anfang stand die Vision, die Maschinen während des Betriebs kontinuierlich zu überwachen. Dazu wurde ein möglichst kleines, robustes und auch in rauen Umgebungen zuverlässig funktionierendes Messgerät gesucht, das analoge und CAN-Signale sowie die Koordinaten über GPS erfassen kann. Zusätzlich sollten im Gerät weitere Analysemöglichkeiten wie eine Online-Klassierung vorhanden sein. Mithilfe der Klassierdaten können dann regional abhängige Lastkollektive der einzelnen Fahr- und Rodeorgane erstellt werden.

Da die Überwachung an beliebigen Orten stattfindet, muss dies drahtlos über das örtliche Mobilfunknetz und ohne menschlichen Eingriff erfolgen. Ganze Messreihen sollen von der Speicherkarte automatisiert abgeholt werden. Um auch während der Versuche Messungen und Analysen beeinflussen zu können, sollte sich das Messgerät aus der Ferne umkonfigurieren lassen.

imc30214Entsprechend geschützte Messgeräte sind insbesondere bei solchen Langzeitmessungen im Freien oder in Versuchsfahrzeugen nötig: Das Messgerät ‚Cronos-SL‘ ist für raue Umgebungen ausgelegt und erfüllt folgende Normen: MIL STD810F, 6ms Halbsinus, 60 g; Rail Cargo Vibration Exposure; U.S. Highway Truck Vibration Exposure und IEC 61373 (30ms Halbsinus, 300m/s² ~ 30g).

imc40214Die Datenerfassung soll den Zustand der Maschine durch das Messen von elektrischen, mechanischen, thermischen oder anderen physikalischen Messgrößen abbilden. Um für jeden Sensor die passende Konditionierung zu bieten, wird das Messsystem mit einem Universalverstärker ausgestattet.

An den Universalverstärker kann eine Vollbrücke, bestehend aus vier Widerständen, eine Halbbrücke oder eine Viertelbrücke angeschlossen werden. Über die Sense-Leitung wird der Spannungsabfall am Zuleitungskabel festgestellt und die Versorgungsspannung entsprechend nachgeregelt. Die Temperaturmessung ist über PT100 oder verschiedenste Thermoelemente möglich. Dabei werden die Temperaturkompensation und Linearisierung des Sensors direkt im System durchgeführt. Die analogen Eingänge können mit einer Abtastrate bis zu 100 kHz und einer Bandbreite von 48 kHz (-3dB) erfasst werden.

Unterschiedliche Signale und intelligentes Datenmanagement

Für das Erfassen von digitalen Signalen unterscheidet man in Signale, die einen Schaltvorgang anzeigen und digitale Sensoren, die Wege, Drehzahlen oder Winkel an rotierenden Maschinen wie Geschwindigkeit, Position, Frequenz oder Ereignisse messen.

imc50214neuHäufig kommt es vor, dass Signale bereits auf digitalen Feldbussen wie dem CAN-Bus vorliegen, da diese zur Steuerung und Regelung der Maschine benötigt werden. Der Feldbus-Datenlogger ‚Busdaq-X‘ kann mit 2 bis 6 CAN-Bus Knoten ausgestattet werden. Dabei werden CAN High Speed (ISO11898) und CAN Low Speed (ISO11519) direkt per Software-Einstellung unterstützt. Andere Feldbusse wie LIN-Bus und Flexray sind ebenfalls verfügbar. Alle diese sehr unterschiedlichen Signale müssen synchron erfasst, bewertet und gespeichert werden.

Permanente Messungen erzeugen ein beträchtliches Datenvolumen, das irgendwann ausgewertet werden muss. Hier bieten die IMC Messsysteme intelligenten Methoden zur Datenreduktion an. Leistungsfähige Trigger und Speicherbetriebsarten sind hier ebenso im Einsatz wie intelligente Verfahren zur Datenreduktion oder die freie mathematische Berechnung von Kanälen. All dies wird ohne Unterbrechung der Messung in Echtzeit durchgeführt.

Freie Berechnung von Kanälen heißt auch abgeleitete Messgrößen zu bilden, die den Status eines Messobjektes als Ergebnis von mathematischen Modellen, Prozessen, Grenzwertüberwachungen oder logischen Verknüpfungen beschreiben. Alle so gewonnenen Daten repräsentieren den momentanen Zustand des Überwachungsobjektes, der vor Ort im Messsystem gespeichert werden kann. So wird eine lückenlose Historie erstellt, die zu statistischen Auswertungen zur Verfügung steht. Diese Daten bilden eine wesentliche Grundlage für die Instandhaltungsplanungen.

Je nach Parametrierung reagieren moderne Mess- und Überwachungssysteme auf diese Meldungen vor Ort mit optischen oder akustischen Signalen. Steuernde und regulierende Eingriffe in den Prozess sind möglich, ebenso der Versand von Warn- und Alarmmeldungen oder umfangreicheren Fehlerprotokollen per SMS, Fax oder E-Mail.

Messen und Fernüberwachen mittels moderner Kommunikation

imc60214Ist das Messsystem mit einem UMTS-/WLAN-Router ausgerüstet, lassen sich nicht nur Warn- und Alarmmeldungen per SMS oder E-Mail versenden, sondern auch komplette Messkampagnen online überwachen. Eine moderne, webbasierte Zustandsüberwachung erlaubt es, die Erntemaschine unter realen Betriebsbedingungen zu überwachen. So erhält der Entwickler während der Erprobung und des realen Betriebes Daten. Diese Messdaten und Messergebnisse dienen der Optimierung von Modellen oder Wartungsplänen und liefern Informationen und Anhaltspunkte für konstruktive Verbesserungen.

Die Internetplattform ‚Webdevices‘ stellt eine einheitliche und einfache Lösung dar, um Messungen einzelner oder verteilter Messgeräte zu betreuen und zu überwachen. Die Steuerung und Konfiguration kann dabei vollständig über die Internetplattform erfolgen. Bei ferngesteuerten Überwachungsaufgaben werden Resultate wie von Grenzwertüberwachungen automatisch vom Messgerät zur Plattform übertragen und von hier als Warnungen und Alarme per SMS oder E-Mail an autorisierte Benutzer verschickt.

Für Deutschland und viele Länder in Europa existieren bei den Mobilfunkanbietern bereits Flat-Rate-Tarife, mit denen die Überwachung von Landmaschinen auch bei großen zu übertragenden Datenmengen kosteneffizient realisierbar ist. Die reine Möglichkeit der Datenübertragung via Internet stellt aber für die stabile und vor allem auch sichere Überwachung von Landmaschinen noch keine befriedigende Lösung dar, da nur dann eine Übertragung möglich ist, wenn sich das zu überwachende System innerhalb des Mobilfunknetzes befindet und nicht etwa in Funklöchern.

Die Firma Grimme löste dieses Problem mit einer zusätzlichen Reset- und Zeitrelaisbox. Diese hält das Messsystem und den Router nach Ausschalten der Maschine für einen einstellbaren Zeitraum online, um alle während des Erntetages gesammelten und noch nicht versandten Daten zeitnah zu übertragen. Neben der Sicherheit der Übertragung und Messsysteme ist auch besonderes Augenmerk auf die Verfügbarkeit und die Kosten der Mobilfunkübertragung im Ausland zu legen.

Herausforderungen bei der mobilen Datenübertragung

Während vor einigen Jahren noch über das GSM-Netz (Handy) häufig manuell auf solchen Maschinen angerufen wurde, bedient man sich heute der schnellen Mobilfunksysteme. Diese unterscheiden sich aber in puncto Datensicherheit grundlegend von einer ‚eins zu eins‘- Datenverbindung wie der GSM-Einwahl.

Um Daten zu übertragen, verbindet sich die Maschine, wenn sie in Betrieb ist, über die Infrastruktur der Mobilfunkanbieter mit dem Internet. Sie ist somit Teil eines öffentlichen Netzwerkes und muss deshalb mit gesonderten Sicherungsmaßnahmen geschützt werden. IMC bietet hierfür ein mit den Mobilfunkanbietern speziell abgestimmtes Mobilfunknetzwerk, das kundenindividuell konfiguriert wird und zu dem kein anderer mobiler Teilnehmer Zugang hat. Das Netz ist weltweit verfügbar und nutzt die Infrastruktur des Mobilfunkanbieters und die der entsprechenden Roaming-Partner.

Der Mobilfunkanbieter sichert die Abgeschlossenheit des privaten Netzwerkes über seine Technologien zu, so dass auf diesem Weg eine sehr schnelle Anbindung der Maschinen realisierbar ist, da auf zusätzliche Verschlüsselungsverfahren verzichtet werden kann. So eingebundene Systeme erhalten weltweit eine vordefinierte IP-Adresse, die immer gleich ist. Maschinen können so leicht erreicht und abgefragt werden.

Häufig ist es nicht möglich zu wissen, ob und wie lange sich ein mobiles System innerhalb eines Mobilfunknetzwerkes befindet. Bei Auslandseinsätzen können zusätzlich Zeitverschiebungen auftreten. In so einer Situation größere Datenmengen zu übertragen, ist ein schwieriges Unterfangen.

Webdevices automatisiert die Abfrage der mobilen Systeme. Es überwacht die mobilen Systeme 24 h am Tag über das Internet und initiiert bei bestehender Verbindung die Datenübertragung von den Maschinen. Der Anwender bekommt die übertragenen Daten über einen Webbrowser zur Verfügung gestellt und ist jederzeit über den Zustand der angeschlossenen Maschinen informiert.

Was die Zukunft bringt

Um die Entwicklungszeiten herabzusetzen, wird es zunehmend wichtiger, virtuelle Testfahrten mittels Hardware-In-The-Loop-Simulationen durchzuführen. Dabei werden einzelne Komponenten wie Steuergeräte, Elektrik, Mechanik oder Hydraulik nicht im realen Fahrzeug sondern in Simulationsumgebungen getestet. Hierbei müssen Teilkomponenten durch virtuelle Komponenten, wie Matlab-Simulink-Modelle ersetzt und mit realen, aus Feldversuchen gewonnenen Messdaten gespeist werden. Nur der reale Test liefert gesicherte Erkenntnisse über das Verhalten des Fahrzeugs mit der Komponente ‚Mensch‘.

Eine robuste Messhardware, kombiniert mit integrierten, leistungsfähigen Rechenalgorithmen liefert die Grundlage für belastbare Daten und Ergebnisse. Dabei ist die kontinuierliche und automatisierte Messdatenerfassung bei Feldversuchen längst keine Vision mehr. Selbst für Betreiber oder Hersteller kleinerer Maschinen und Anlagen ist eine permanente oder temporäre Zustandsüberwachung wirtschaftlich und erhöht dauerhaft die Produktqualität der Serie.

Die Autoren sind Peter Schreiweis, IMC Test + Measurement GmbH und Dr. Johannes Sonne, Grimme Landmaschinenfabrik GmbH & Co. KG.
weiterer Beitrag des Herstellers           Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Aktuelle Messespecials

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