Komplettiert wird die Grundversion durch vier CAN-Schnittstellen, eine serielle Schnittstelle (RS 232, 115 kBit) und drei programmierbare Festspannungsausgänge. (Bild: STW)
Wir haben uns an Elektronik gewöhnt, vertrauen ihr. Das gilt auch für mobile Maschinen, egal ob für den Schlepper in der sibirischen Taiga oder den Bagger im Regenwald. Um das Vertrauen in die Technik nicht zu erschüttern, treiben Hersteller von Steuerungstechnik einen hohen Aufwand, wie die ke-NEXT-Redaktion herausfinden konnte.
Kaum ein Fahrzeugtypus ist so vielseitig wie die mobilen Arbeitsmaschinen. Kalt, heiß, nass, staubig, Schock und Vibration – die Umgebungsbedingungen sind so rau wie vielfältig. Auch die Einsatzszenarien sind mehr als heterogen. Während ein Vollernter im Forst weniger fährt, dafür aber seine Arbeitsfunktionen ständig auf Volllast hält, ist ein Schlepper beim Pflügen zwar viel in Bewegung, muss den Pflug aber immer nur am Ende des Feldes wenden. Die Hebebühne mag es eher statisch, der Radlader lieber dynamisch. Betonpumpen, Bagger, Krananlagen, Off-shore-Bohranlagen, Muldenkipper, Feuerwehrleitern… Und dass die Anforderungen unter Tage andere sind als beim Aufstellen einer Windenergieanlage, ist selbst Laien klar. Wir halten fest: Flexibilität ist eine Kernforderung, wenn es um die Entwicklung von Komponenten für mobile Arbeitsmaschinen geht.
Mit 32-Bit Microcontroller (Tricore TC 1796, 150 MHz), 6 MB Flash, 4 MB Ram und 32 kB Eeprom-Speicher ist das ESX-3XL sehr leistungsfähig. Bild: STW
Gesteuert werden muss an so einer Maschine heute auch so Einiges. Vorbei die Zeiten, als einfache Kipphebel-Hydraulik ausgereicht hat. Es ist schon Rechenleistung gefordert, wenn die Arbeitshydraulik eines Kartoffelernters geregelt werden muss oder hydrostatische Fahrantriebe mitsamt ABS und Antriebsschlupfregelung. Elektrohydraulische Lenksysteme, Getriebesteuerung, Niveauregulierung – was in mancher Mittelklasselimousine noch fehlt, zählt bei vielen Traktoren und Baggern zum guten Ton. Hinzu kommt immer häufiger die Ansteuerung elektromotorischer Elemente, da Hybridisierung und Elektrifizierung auch vor Land- und Baumaschinen keinen Halt machen.
Standard und sicher unter einer Haube
Dass die Steuerungstechnik nicht nur effektiv und zuverlässig sein muss, sondern auch funktional sicher, wird bei Hebebühnen oder mobilen Kranen klar. Während auf ersteren Menschen herumturnen, können letztere kippen. Da auch mobile Maschinen unter die Maschinenrichtlinie fallen, ist hier schnell eine Auslegung auf SIL2 / PLd notwendig – auch etwas, was eine Steuerung erst mal können muss. Effizienterweise werden sicherheitsgerichtete (gelbe) und nicht sicherheitsgerichtete (graue) Programme in einer Steuerung gemeinsam abgearbeitet – eine Anforderung, die nicht jede Hardware erfüllen kann. Denn insbesondere dürfen aus Gründen der Wartung oder der Weiterentwicklung vorgenommene Modifikationen an grauen Programmteilen die Sicherheitszulassung nicht beeinträchtigen.
Hier kommt das frei programmierbare elektronische Steuergerät ESX-3XL von Sensor-Technik Wiedemann (STW) ins Spiel. Es ist insbesondere für den Einsatz in solchen mobilen Arbeitsmaschinen konzipiert, die auch sicherheitsgerichtete Anwendungen nach SIL2 beinhalten. Wie gingen die Entwickler von STW vor? Die IEC 61508-3 fordert den Nachweis einer adäquaten Unabhängigkeit zwischen grauen und gelben Software-Komponenten, die dann vorliegt, wenn eine räumliche und zeitliche Unabhängigkeit zwischen diesen Funktionen gegeben ist. Bei der ESX-3XL Safety wurde genau das umgesetzt: Obwohl auf dem Steuergerät gelbe und graue Applikationsfunktionen gemeinsam ausgeführt werden, muss lediglich die gelbe Software anhand der sicherheitsgerichteten Anforderungen entwickelt werden.
Die neue Steuerungsplattform basiert auf dem Tricore-Controller (TC 1796, 32 Bit, 150MHz). Die Applikationssoftware kann effizient entweder aufbauend auf das mitgelieferte BIOS in C oder auch gemäß IEC 61131-3 (Codesys) erstellt werden. Verschiedene Zusatzbibliotheken beispielsweise für CANopen oder Error-Handling vereinfachen die Systemintegration.
Beide Software-Komponenten, sicher wie Standard, greifen auf die internen CPU-Ressourcen des Tricore zu und müssen entsprechend ihrer Sicherheitseinstellung separiert werden. Die geforderte zeitliche Autonomie wird durch einen Watchdog-Controller sowie durch ein Task-System erreicht, das die Priorisierung der zur Verfügung stehenden Tasks erlaubt.
Einer der Vorteile der Steuerung ist die flexible Skalierbarkeit auf die jeweilige Applikation, zum Einen durch bequeme Software-Konfiguration und zum Anderen durch bis zu sechs frei kombinierbare Erweiterungsboards. Bild: STW
Die räumliche Unabhängigkeit wird durch einen von STW entworfenen und implementierten Speicherschutzmechanismus im Software-Basissystem sichergestellt. Der kontrollierte Datenfluss zwischen den Funktionen kommt durch die in der SL-API (Safety Layer) zugewiesene Berechtigungsstufe (Level) und durch deren spezifische Zugriffsrechte zustande. Im Standard-Level ausgeführte graue Funktionen dürfen alle Speicherbereiche auslesen, haben aber lediglich Schreibrecht auf Standarddatenbereiche.
Mit Hilfe dieser Mechanismen werden die Anforderungen der Norm erfüllt, gelbe und graue Software-Funktionen können gemeinsam auf der ESX-3XL Safety ausgeführt werden. Das reduziert den Entwicklungs- und Wartungsaufwand, da graue Programmteile relativ ungeniert gemäß den firmeninternen Anforderungen entwickelt werden können, ohne die Sicherheit zu gefährden.
Modular und robust
Ein weiteres Merkmal der ESX-3XL ist die modulare Skalierbarkeit auf die jeweilige Applikation, nicht nur durch die beschriebene, sicherheitsunabhängige Freiheit in der Applikationsprogrammierung. Die Steuerung erlaubt bis zu sechs frei kombinierbare Erweiterungsboards nach dem Baukasten-Prinzip. Die Ein- und Ausgänge sind schon in der Grundausstattung per Software konfigurierbar. Die 28 Multifunktionseingänge können per Funktionsaufruf als Strom-, Spannungs-, Digital- oder Drehzahleingang verwendet werden. Die 24 Highside-Ausgänge sind mit präziser Stromrücklesung und verlustarmem Freilaufzweig ausgestattet. Jeweils acht dieser Ausgänge sind zu einer Gruppe zusammengefasst. Diese drei Gruppen können unabhängig voneinander über einen zweiten Abschaltweg deaktiviert werden.
Komplettiert wird die Basis-Steuerung durch vier CAN-Schnittstellen, eine serielle Schnittstelle (RS232, 115kBit), drei programmierbare Festspannungsausgänge, vier zweifarbige LEDs und einen Signalgeber. Alle Ein-/Ausgänge sind kurzschluss- und überlastfest, auch für die Versorgungspins ist eine Kabelbruch- und Überlasterkennung integriert. Sämtliche Analogsignale stehen als 12-Bit-Werte mit 2 kHz Abtastrate zur Verfügung. Für kundenspezifische Anpassungen sind darüber hinaus die genannten sechs Steckplätze für Erweiterungsboards vorhanden, wobei auf jedem Steckplatz 14 Steckerpins des Gerätesteckers frei mit Funktionalität belegt werden können. Aktuell sind bereits rückwirkungsfreie Erweiterungsboards erhältlich, etwa für RS232/RS485, RTC, Datenspeicher, Inkrementaleingänge, PVG-, Digital-, PWM-Ausgänge, USB und Ethernet. Die Entwicklung neuer Erweiterungsboards, kundenspezifisch und mit fast beliebiger Funktionalität, ist schnell und einfach möglich.
Tadano Faun, Hersteller von Mobilkranen und Zugmaschinen, setzt auf Steuerungen von STW. Bild: Tadano Faun
Damit das Ganze am Ende im rauen Einsatz auf der Bau- oder Landmaschine dann auch zuverlässig funktioniert, hat STW die neue ESX-3XL in ein stabiles Alu-Druckgussgehäuse gesteckt. Natürlich finden Qualitätskontrollen am Ende eines jeden Arbeitsschrittes in der Elektronikfertigung und Montage statt, alle Baugruppen werden zu 100 Prozent optisch und elektrisch inspiziert. Darüber hinaus werden alle Steuerungen einem Burn-in-Test in der Klimakammer unterzogen – von -40 bis 100 °C. Unser Vertrauen in die Elektronik soll eben auch in der rauen Wirklichkeit der Baustellen nicht erschüttert werden.
Wolfgang Kräußlich
Interview mit Dr. Michael Schmitt, Klaus Gnahm und Kai-Daniel Niestroj, STW
„Den Kunden nicht abhängig machen“
Durch die seit 2009 verbindliche Maschinenrichtlinie gelten strengere Regeln auch für mobile Maschinen. Die ke-NEXT-Redaktion war in Kaufbeuren, um bei STW nach der Situation in der Branche zu fragen.
Die Gesprächspartner der ke-NEXT-Redaktion von links nach rechts: Kai-Daniel Niestroj, Projektmanager Steuerungstechnik, Klaus Gnahm, Leiter Vertrieb und Dr. Michael P. Schmitt, Geschäftsführer bei Sensor-Technik Wiedemann (STW).
Früher gab es eine gewisse Ablehnung von Elektronik in mobilen Maschinen. Wie sieht das heute aus?
Klaus Gnahm: Das war vielleicht vor 20 Jahren so, dass da Vorbehalte waren. Mittlerweile können Sie im Grunde keinen einzigen Traktor oder Bagger mehr kaufen, in dem nicht irgendeine Steuerung verbaut ist. Weil der Endnutzer, der Fahrer, der möchte ja mehr als einfach nur einen Hebel bewegen. Der möchte Funktionen feinfühlig mit dem Joystick steuern, er möchte Informationen über die Beladung oder den Ernteertrag, er erwartet automatische Fahrfunktionen und Komfort.
Dr. Michael Schmitt: Das hat sich etabliert. An der Zuverlässigkeit von Fahrzeugelektronik wird kaum noch gezweifelt. Aber der Mehrwert, den die moderne Steuerungstechnik bietet, der wird heute erwartet – sogar in weniger anspruchsvollen Märkten wie den Schwellenländern. Wichtig für diese Akzeptanz ist allerdings neben der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit vor allem die Nutzbarkeit, die Bedienerfreundlichkeit. Denn so eine Land- oder Baumaschine wird in der Regel nicht von einer qualifizierten Elektrofachkraft bedient. Usability ist daher für uns ein Schlüsselthema.
Nun ist ja eines der Kernmerkmale der neuen Steuerung die integrierbare Safety-Funktionalität. Besteht denn für dieses Thema überhaupt ein Bewusstsein in der Zielbranche?
Kai-Daniel Niestroj: Man kann sagen, dass sich viele Kunden genau darüber bewusst sind, welche Anforderungen durch die Maschinenrichtlinie mittlerweile herrschen, es aber auch einige gibt, die sich erst jetzt Gedanken machen. Das liegt zum Teil daran, dass Maschinen, die früher entwickelt wurden und bereits eine Zulassung haben, nicht nachqualifiziert werden müssen. Erst mit der neuen Maschinengeneration kommen die neuen Anforderungen.
Klaus Gnahm: Das Bewusstsein ist stark gestiegen. Wir kriegen kaum noch eine Anfrage, die nicht Anforderungen diesbezüglich beinhaltet. Von daher hat sich die Firma STW das Thema Safety ja auch auf die Fahne geschrieben. Das betrifft nicht nur unsere Steuerungen. Das betrifft auch alle anderen Produkte, die wir im Portfolio haben – beispielsweise unsere Sensoren. Da für viele Kunden das Thema ein neues Gebiet ist, haben wir uns auch dienstleistungstechnisch diesbezüglich aufgestellt. Also wir stehen bereit Kunden zu helfen, diese Anforderungen zu meistern – bis hin zur Safety-Betrachtung der Gesamtanlage.
Wie kann eine solche Hilfe aussehen?
Kai-Daniel Niestroj: Wir haben qualifiziertes Personal, das sowohl in der Systemauslegung als auch im Thema Safety beratend zur Seite steht. Wir schauen mit dem Kunden zusammen erst mal, was denn der Bedarf ist. Was er denn elektrifizieren oder steuern möchte. Es ist ja in der Regel so, dass ein Kunde nicht bei Null anfängt, sondern er hat Entwicklungen, die schon mal in Vorleistung erbracht wurden, die er auch wiederverwenden möchte. Wir bieten die Offenheit, unsere Steuerung auf verschiedenste Weise zu programmieren.
Dr. Michael Schmitt: Es gibt Kunden, die haben die Ressourcen im Haus und möchten kein Know-how rausgeben. Die programmieren alles selber. Es gibt Kunden, die lassen die gesamte Programmierung samt Sicherheitsauslegung von uns machen, und das bleibt auch bei uns. Die werden das nie selber übernehmen, weil sie die Ressourcen dafür nicht haben. Und es gibt andere Kunden, die lassen die erste Applikation von uns machen. Wir erstellen mit ihnen ein Pflichtenheft, wir programmieren das System, nehmen es in Betrieb. Die Kunden pflegen es hinterher selbst weiter. Es ist nicht unsere Philosophie, etwas zu entwickeln, wobei dann der Kunde gar keine Ahnung hat, wie er das pflegen kann. Wir wollen den Kunden helfen, sie aber nicht von uns abhängig machen. wk