Power, die zieht - Sensor

Bild: Fendt
Energieverteilung | Steuerungstechnik
Der Großtraktor Fendt 1000 Vario mit 380 bis 500 PS und einem Leergewicht von 14 Tonnen:
Das neue Power Board von STW darin versorgt die gesamte Elektrik des Traktors.
Power, die zieht
Energieverteilung im Traktor. Neue Einheiten der Zentralelektrik sorgen für
ein intelligentes Energiemanagement der mobilen Agrarmaschine, das sich in
komfortabler Diagnose und einfacher Wartung niederschlägt.
Hans Wiedemann
n Bereits 2003 wurde die erste Zentralelektrik von Fendt und STW zusammen entwickelt und in Serie gebracht. Seitdem sind
die Anforderungen an diese auch Power
Boards genannten Systeme weiter gestiegen. Während es bei den Vorgängermodellen allein um das Schalten großer Ströme
ging, wird heute zunehmend Intelligenz in
den Zentralelektriken gefordert. Dabei kann
es sich um einen CAN-Anschluss handeln,
über den das Schalten durchgeführt wird
und ein Rücklesen des Schalterzustands
möglich ist. Aber auch Rechen- und Speicherkapazität innerhalb der Zentralelektrik
gewinnen zunehmend an Bedeutung, damit
zusätzlich die Funktionen einer dezentralen
Steuerung übernommen werden können.
Dies hängt auch mit der wachsenden
Komplexität der über die Zentralelektrik
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versorgten Einheiten zusammen. Waren
zunächst nur einfache Verbraucher wie
Fahrlicht oder Arbeitsscheinwerfer an das
Power Board angeschlossen, werden heute
auch mehrstufige Gebläse oder regulierbare
Scheibenheizungen versorgt. Mit der stetig
wachsenden Anzahl an Verbrauchern, steigt
somit auch die Summe der Ströme, die eine
Zentralelektrik bewerkstelligen muss.
Versorgen, sichern, steuern
Die Aufgabenstellung für das neue Power
Board des Fendt 1000 Vario bestand darin,
die gesamte Elektrik im Traktor zu versorgen, abzusichern und anzusteuern. Dabei
soll es für die Aufteilung der Stromkreise
sorgen und alle nötigen Stecksockel für Relais und Sicherungen beinhalten. Für den
Vario wurde aufgrund der beiden Faktoren
Intelligenz und Anzahl der E/As nach dem
Prinzip „teile und herrsche“ verfahren. An
die Stelle einer einzelnen Zentralelektrik
wurde auf einen zweigeteilten Ansatz gesetzt. Während sich eine Einheit um die
Kommunikation mit der Hauptsteuerung
und die Übernahme programmierbarer
Schaltvorgänge kümmert, ist die zweite
Einheit in erster Linie für das Absichern
und Schalten der Ströme verantwortlich.
Wichtiges Argument für die Trennung war
auch eine einfachere Verkabelung. Mit dem
Design musste natürlich auf die Zugänglichkeit der Anschlüsse, die ergonomischen
Notwendigkeiten und die räumlichen Vorgaben Rücksicht genommen werden. Der
Bauraum war wie in den meisten Fällen
eingeschränkt.
Hinsichtlich der intelligenten Einheit,
auch ZE genannt, gab es klare Vorstellungen von Fendt. Herz des Boards sollte
ein LPC1778 von NXP sein, ein ARM-
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Cortex-M3 Prozessor mit 512 kByte Flash,
96 kByte SRAM und 4032 Byte EEPROM
Speicher. Einer seiner beiden CAN-Kanäle,
der über jeweils einen CAN-Transceiver
nach außen geführt wird, ist an den zentralen Steuer-Bus des Vario 1000 angeschlossen und kann mit bis zu 250 kbit/s
kommunizieren. Der Zweite ist als Reserve
vorgesehen.
Drei der fünf UART Schnittstellen werden über entsprechende Transceiver für den
Anschluss an LIN (Local Interconnect Network), einen Ein-Draht-Bus, genutzt. Über
den LIN-Bus können unterschiedliche Verbraucher wie die Wischer der Front- und
Seitenscheiben eingestellt oder konfiguriert
werden. Außerdem bietet der Prozessor
165 beliebig nutzbare E/A-Pins, womit der
Zuordnung ausreichend Freiraum gegeben
werden konnte. Da auf dieser Platine das
Schalten großer Ströme vermieden werden
sollte, werden Ausgangspins genutzt, um
entsprechende Relais auf der zweiten Einheit anzusteuern. Die Kommandos für das
Schalten erhält die ZE entweder über den
zentralen Steuer-Bus oder in einigen Fällen
auch direkt über einen Eingang, an den ein
Schalter angeschlossen ist.
Ein großer Vorteil der Einheit liegt auch
in ihrer Diagnosefähigkeit. Sie erlaubt das
Rücklesen des Zustands wichtiger Verbraucher. Zu ihnen gehören Fahr- und Positionslichter oder Blinker. Ohne ihre einwandfreie
Funktion ist ein Betrieb im Straßenverkehr
nicht erlaubt. Durch die Diagnosefähigkeit
und die Kommunikation über den CANBus kann ein Fehler direkt im Cockpit angezeigt werden. STW war neben dem Design
verantwortlich für die Implementierung der
Testsoftware und eines Flashloaders. Die
Applikationssoftware wurde schließlich
von Fendt geschrieben.
Strom- und
Leistungsverteilung
Auf dem Relaisbord (RB) geht es nur um
die Strom- und Leistungsverteilung über
Sicherungen. Dabei sind generell drei
Möglichkeiten vorgesehen. Der einfachste
Stromverlauf, bei dem das RB nur als Sicherungskasten wirkt, geht über den Stecker auf das Bord, durch die Sicherung und
wieder über den Stecker hin zum Verbraucher. Dabei handelt es sich meist um Sensoren. Bei der zweiten Version erfolgt die
Stromversorgung vom Powerbolzen, einer
M8-Schraube, die direkt mit dem Pluspol
der Batterie verbunden ist. Von hier läuft
der Strom über ein Relais, das über einen
Ausgang der ZE geschaltet wird. Ist das Relais auf „Ein“, geht es wieder weiter über
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Auf dem Relaisbord (RB)
geht es um die Strom- und
Leistungsverteilung über
Sicherungen.
eine Sicherung, einen Stecker und zum Verbraucher. Typisch sind hier Heizungen oder
Arbeitslampen.
Die Verteilung der Ströme vom Powerbolzen zu den Steckern auf der Platine war
eine der großen Anforderungen beim Layout. Zur gleichen Zeit kann auf der Platine
ein Strom von über 250 A fließen. In einer
weiteren Version, die als Reserve vorgesehen ist, wird die Schaltung des Relais nicht
von der ZE, sondern von einer externen
Quelle vorgenommen. Damit können beliebige Spannungs- / Stromkombinationen
realisiert werden. Insgesamt sind auf dem
RB über 100 Sicherungs- und 26 Relaissockel umgesetzt worden. Die eingesetzten
Sicherungen und Relais sind typische Produkte aus dem KFZ-Bereich. Die automotive-tauglichen Stecker bieten Platz für über
40 Eingänge und 125 Ausgänge.
Geprüfte Funktionalität
Aufgrund der langen Einsatzzeiten der
Traktoren wurde spezielles Augenmerk
auf die Qualität der Produkte gelegt. Dafür
wurde bereits in der Entwicklungsphase
auf bewährte Konzepte zurückgegriffen,
die sich dann in den Umweltqualifikationen bestätigen konnten. Hinzu kommt
eine 100-Prozent-Prüfung der Zentralelektriken in der hauseigenen Produktion bei
STW. Für die ZE und RB wurden eigene
Prüfadapter entwickelt. Diese kommen
während des Produktionstests und des
Burn-In im Klimaschrank zum Einsatz.
Über die ebenfalls im Haus entwickelte
Prüfsoftware werden alle Ein- und Ausgänge angesprochen und die Funktionen auf
den Boards getestet.
Die beiden Einheiten sind oberhalb des
Hinterrades auf einer Montageplatte unter einer Abdeckung angebracht. Obwohl
dies ein relativ trockener Platz ist, sind die
Boards mit Polyurethangießharz vergossen,
Bild: STW
Steuerungstechnik | Energieverteilung
um sie gegen Feuchtigkeit zu schützen. Die
Stecker und Sicherungen sind hier leicht
zugänglich, was vorteilhaft beim Anbringen
des Kabelbaumes ist.
Um ein einfaches Wechseln der Relais zu
ermöglichen, musste der ursprünglich geplante Abstand zwischen den Relais noch
auf Daumengröße angepasst werden. Da
es sich um eine Niedrig-Spannungsversorgung handelt – es gibt nur 12V oder 8,5V
Anschlüsse – fallen beide Einheiten unter
die Schutzklasse III für elektrische Geräte.
Sie sind so angeschlossen, dass auch bei Berührung von leitenden Komponenten keine
Gefahr für den Menschen besteht. Damit
ist neben der Diagnosefähigkeit der zweite
wichtige Aspekt, die Wartungsfreundlichkeit, gewährleistet. (sc) n
Agritechnica: Halle 15, Stand 15F53
Autor
Hans Wiedemann ist Marketingleiter
bei Sensor-Technik Wiedemann (STW).
Kontakt
Sensor-Technik Wiedemann GmbH
Am Bärenwald 6
87600 Kaufbeuren
Tel.: +49 8341 9505 - 0
Fax: +49 8341 9505 - 55
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11 | 2015
Energieverteilung | Steuerungstechnik
„Soziales Netzwerk
für Agrarmaschinen“
Farming 4.0 und Perspektiven mobiler Automation
MECHATRONIK: Frau Wiedemann, wie
beeinflussen
Industrie-4.0-Technologien
die aktuelle Agrartechnik?
Wiedemann: Dazu kurz vorab eine Begriffsklärung: Industrie 4.0 wird in der
Agrartechnik als „Farming 4.0“ bezeichnet.
Farming 4.0 verbindet die landwirtschaftlichen Einzelprozesse zum Gesamtprozess
der Nahrungsmittelerzeugung. Eine Voraussetzung ist die datentechnische Verbindung der Anlagen und mobilen Maschinen.
MECHATRONIK: Wie prägt Farming 4.0
das nächste Jahrzehnt?
Wiedemann: Der Automatisierungsgrad
in der Landwirtschaft wird weiter steigen.
Viele Assistenzfunktionen werden automatisch oder auch autonom ablaufen.
in der Agrartechnik bespricht Sonja Wiedemann,
Geschäftsführerin STW, mit MECHATRONIK.
Berechtigten sichtbar und zentral ablegen
kann. Farming 4.0 schafft das soziale Netzwerk für Agrarmaschinen und -anlagen.
MECHATRONIK: Wie verändert Farming 4.0 den Alltag der Nutzer?
Wiedemann: Nutzer werden zu Beginn
eines neuen Arbeitstages zuerst die aktuellen Daten auf ihren IT-Geräten betrachten
und die durch Software unterbreiteten Vorschläge bewerten. Sie werden verstärkt mit
Tablets und Monitoren arbeiten.
MECHATRONIK: Das ist mit neuen Qualifikationen verbunden.
Wiedemann: Ja, die allerdings mit Vorteilen verbunden sind: Software auf Ma-
MECHATRONIK: Inwiefern?
Wiedemann: Der Anteil an smarten
Fahrzeugen, Anlagen, Maschinen und
Geräten, die relevante Größen messen
und an zentrale Datenbanken übermitteln können, wird kontinuierlich steigen. Sehr große Flächen lassen sich so
noch effektiver bewirtschaften.
MECHATRONIK: Was bedeutet das
mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit?
Wiedemann: Durch optimierte, ange- Nicht-gläserner MECHATRONIK-Chefredakteur
passte und individuelle Bewirtschaf- Nico Schröder vor dem „gläsernen Traktor“
tung werden die Erträge gesteigert. Far- am Unternehmenssitz von STW in Kaufbeuren.
ming 4.0 erweitert die Möglichkeiten
des Precision Farming. Das heißt, es
werden ortsbedingte Schwankungen innerschinen und an Anlagen verbessert die
halb eines Feldes bei Aussaat, Düngung,
Arbeitsprozesse und entlastet die Bediener.
Pflanzenschutz, Bodenbearbeitung, BewäsRoutinetätigkeiten wie Wetterbeobachtung,
serung und Ernte berücksichtigt. VergleichÜberwachung von Wartungsintervallen,
bar ist die Veränderung mit dem AufkomOptimierung von Fahrstrecken, Materialmen der sozialen Netzwerke, mit deren Hilfe
bestellung, Terminierungen, Dokumentatider einzelne Mensch seine Daten für alle
on oder Maschinenbelegung werden durch
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Software unterstützt. Und die Bedienung
der mobilen Maschinen und Anbaugeräte
wird zum Teil nur indirekt, automatisiert
erfolgen. Nicht mehr der Landwirt steuert
und lenkt die Maschinen, stellt Düngermenge, Dreschparameter, Saatdichte oder
Schnitthöhe ein – intelligente Programme,
unterstützt von geeigneter Sensorik, erledigen dies dynamisch und präziser.
MECHATRONIK: Was zeigt STW Agritechnica-Besuchern zu Farming 4.0?
Wiedemann: Einen gläsernen Traktor, der
die Realisierung Farming 4.0 auf einer landwirtschaftlichen Maschine veranschaulicht
und unsere Produkte und Lösungen in den
Bereichen Automatisierung, Vernetzung
und Leistungselektrifizierung zeigt.
MECHATRONIK: Welche Details
zeigt das Exponat?
Wiedemann: Wir zeigen eine Systemlösung von der Energieerzeugung
bis zu Elektrifizierten Anbeugeräten.
Die dazu notwendige Leistungselektrifizierung und Hybridisierung wird
anhand des „gläsernen Traktors“ nicht
nur theoretisch dargestellt, sondern
auch demonstriert.
Und wir stellen wieder unsere „freundliche Datenkrake“ aus: Die pneumatischen Arme der Krake zeigen die
Vielfalt der möglichen Datenquellen.
Verschiedene Sensoren liefern Werte
zu Druck, Temperatur, Drehmoment,
Feuchtigkeit, Neigung, Position und Geschwindigkeit. Gleichzeitig sind Bedienelemente wie Displays und Joysticks angeschlossen.
Bild: MECHATRONIK
Bild: STW
Interview
Das Interview führte Nico Schröder,
Chefredakteur MECHATRONIK.
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