Hawe CAN-Bus Mobilhydraulik-System

Die intelligente, schnelle und sichere Datenübertragung ist ein elementarer Bestandteil bei der Automatisierung und der Elektrifizierung von mobilen Arbeitsmaschinen und in den Off-Highway Fahrzeugen. – Bild: Hawe Hydraulik

| von Marcus Hofmann, Product Manager Electronic controls

In den mobilen Arbeitsmaschinen und Fahrzeugen geht der Trend zu komfortablen, vernetzbaren und intelligenten Maschinen. Eine intuitive und komfortable Bedienung der Maschine weiß der Bediener zu schätzen – es vereinfacht die Einarbeitung des Bedieners und reduziert Fehler während des Betriebs. Gleichzeitig erwarten die Maschinenbetreiber, dass die Arbeitsfunktionen zuverlässig, aber auch mit einem effizienten Umgang der Ressourcen Energie und Öl ausgeführt werden. Durch den zunehmenden Einsatz von elektronischen Steuerungen können die Anforderungen beider Anspruchsgruppen umgesetzt und darüber hinaus auch die Sicherheit von weiteren Personen im Maschinenumfeld erhöht werden. Das gilt auf der Baustelle, genauso wie im Wald oder auf dem Feld. Durch die elektronischen Steuerungen, applikationsbezogene Software und die mittels Bussystemen realisierte Vernetzung können für viele Anwendungen individuell angepasste, aber gleichzeitig herstellerübergreifende Lösungen geschaffen werden. Hierfür hat sich der seit 1992 etablierte und kontinuierlich weiterentwickelte CAN-Bus als ideal geeignet erwiesen.

Der CAN-Bus als weitverbreitetes Bussystem bietet zudem noch eine hohe Störsicherheit, Echtzeitfähigkeit und viele Diagnosemöglichkeiten.

Whitepaper

Im Whitepaper von Hawe "Der CAN-Bus onboard als idealer Einstieg in die Automatisierung von mobilen Arbeitsmaschinen" finden Sie weitere Informationen rund um das Thema.

Typische Komponenten eines Mobilhydrauliksystems können CAN

Alle Komponenten im Hydrauliksystem, die mit dem Bussystem vernetzt werden sollen, müssen CAN-Bus fähig sein. Dazu wurden in den letzten Jahren viele Komponenten mit diesem Kommunikationsprotokoll auf den Markt gebracht. Betrachten wir ein Mobilhydrauliksystem einmal detaillierter:


Die Hydraulikpumpe erzeugt aus dem Abtriebsmoment des Motors den erforderlichen Betriebsdruck und Volumenstrom für die Bewegungssteuerung. Durch einen elektro-proportionalen Pumpenregler kann zum Beispiel eine Axialkolbenverstellpumpe in das CAN-Bus Netz eingebunden werden. Bei Konstantpumpen, die bevorzugt mit dem Antrieb eines Elektromotors im System eingebaut werden, werden über die Ansteuerung des Motors die Leistung geregelt. Auch dafür muss dieser Pumpentyp in das CAN-Bus Netz integriert werden.

Ventile übernehmen die Ansteuerung der Arbeitsfunktionen und deren Geschwindigkeitsregelung. Diese werden meist im Fahrzeug verteilt und nahe am Verbraucher montiert. Um mit der Hauptsteuerung zu kommunizieren, müssen sie mit dieser verbunden werden. Das erfolgt über dedizierte Kabel direkt an die Hauptsteuerung oder an ein IO-Modul, das dann wiederum mit der Hauptsteuerung über CAN-Bus verbunden wird. Damit unterscheidet man dann in den dezentralen oder zentralen Aufbau der Steuerung.

Eine sehr flexible und kompakte Ergänzung zu bestehenden elektrisch betätigten Ventilen ist ein elektronischer Steckerverstärker mit CAN-Bus. Mit zwei analogen Eingängen und zwei präzise stromgeregelten PWM-Ausgängen können alle gängigen Proportionalventile zuverlässig und platzsparend angesteuert werden. Der Verstärker ist als Stecker konstruiert und kann einfach auf einen Magneten mit DIN Anschluss aufgesteckt werden. Bei der Version mit integrierter Bluetooth-Schnittstelle könnte dieser auch an schwer zugänglichen Stellen zum Beispiel mit dem Smartphone, kabellos und ortsunabhängig angesprochen und Daten ausgelesen werden. So sind Inbetriebnahme, Abfrage von Live-Werten und weitere Aufgaben mühelos und sekundenschnell möglich. Die passende App Hawe eControl ist im App Store und im Google Play Store kostenlos verfügbar.

Hawe CAN-Bus mit integrierter Bluetooth-Schnittstelle
Ein elektronischer Steckerverstärker mit CAN-Bus und integrierter Bluetooth-Schnittstelle von Hawe Hydraulik. – Bild: Hawe Hydraulik

Mobilsteuerungen verbinden die Einzelbausteine

Als Hauptsteuerung sind auf dem Markt Mobilsteuerungen von verschiedenen Herstellern verfügbar. Je nach Komplexität und Anzahl von Ein- und Ausgängen wird das passende Modell ausgewählt. Ein IO-Modul wird als dezentraler CAN-Knoten eingesetzt. Mit seinen 14 Ein- und Ausgängen kann es für die Ansteuerung zum Beispiel der Abstützung oder Einzelfunktionen eingesetzt werden. Da sich alle Ausgänge auch als Eingänge nutzen lassen, ist ebenso ein Einsatz als reiner Input-Knoten möglich - beispielsweise für die Überwachung der Abstützung von Baumaschinen zusammen mit einem Proportional-Wegeschieberventil. Der Typ CAN-IO 14 ist auch allein als vollwertige Steuerung von Ventilen und für das Verarbeiten der Daten von Joysticks und Sensoren einsetzbar. Der Anwender kann dafür seine individuellen Anforderungen frei programmieren.

Die Anzahl der Ein- und Ausgänge definiert, wie viele Sensoren und Aktoren angeschlossen werden können. Für höhere Anforderungen und eine höhere Anzahl an Ein- und Ausgängen kommen die Mobilsteuerungen zum Einsatz. Die einzelnen Steuerungstypen unterscheiden sich zusätzlich durch ihre Rechenleistung. Alle Mobilsteuerungen sind frei programmierbar in verschiedenen Entwicklungsumgebungen (zum Beispiel Codesys, logi.CAD3) beziehungsweise mit unterschiedlichen Programmiersprachen wie "C" oder Structured Text (ST). Der Hydraulikspezialist Hawe unterstützt die Maschinenhersteller durch fertige Software-Funktionsblöcke und ein erfahrenes Applikationsteam. Die Kompaktsteuerungen sind für relativ kleine Maschinen als Zentralsteuerung oder bei größeren Maschinen als eine von mehreren dezentralen Steuerungen einsetzbar. Mobilsteuerungen mit SIL2 sind für die Realisierung von verschiedenen Anforderungen an Funktionale Sicherheit vorbereitet.

Wegeventile mit CAN-BUS Betätigung Onboard

Durch die Integration von CAN-Busknoten direkt am Wegeventil (Onboard-Elektronik) kann der Verkabelungsaufwand bei der Montage reduziert werden. Das senkt nicht nur die Kosten sondern verringert gleichzeitig die Fehleranfälligkeit des Systems. Betrachtet man die pro Ventilsegment in der Vergangenheit notwenige Einzelverkabelung, ergeben sich bei einer Ventilbatterie mit zum Beispiel acht zu steuernden Funktionen schon bis zu 24 Kabel, die einzeln an die Ventilsteuerung des Fahrzeugs angeschlossen werden müssen. Sind diese Einzelventilsektionen nun bereits in der Ventilbatterie über ein Kabel miteinander verbunden, muss die gesamte Ventilbatterie nur noch mit einem Anschlussstecker in das CAN-Netzwerk verbunden werden.

Gerade Steckverbindungen zählen zu den häufigsten Fehlerquellen in elektrischen / elektronischen Systemen. Entsprechend kann die Anzahl der PWM Ausgänge an der zugehörigen elektronischen Steuerung prinzipiell auf null gesetzt werden. Über die Zwei-Draht Leitung lassen sich theoretisch beliebig viele Teilnehmer anschließen. Es sind bis zu 40 Ventile gleichzeitig steuerbar. Dadurch kann für jeden Kunden eine maßgeschneiderte Lösung geformt werden.

Hawe proportional Wegeschieber Typ PSL-CAN
Proportional-Wegeschieber Typ PSL-CAN mit Onboard Elektronik und nur einem Stecker zum Anschluss. – Bild: Hawe Hydraulik

Was kann durch CAN-Bus Kommunikation noch erzielt werden?

Durch die Ansteuerung der einzelnen Systemkomponenten durch die Hauptsteuerung oder durch dezentral angeordnete Busknoten können sowohl Justierungen im Betrieb vorgenommen aber auch Betriebsparameter erfasst und ausgewertet werden. So kann eine elektronische Mengenbeschränkung an der einzelnen Ventilsektion oder an der gesamten Ventilbatterie umgesetzt werden. Ein eingebauter Wegsensor meldet permanent die Position des Schieberkolbens an den Steuerkopf und gleicht ihn mit den Soll-Werten ab. Liegt eine Abweichung vor, wird dementsprechend nachgeregelt.

Ausblick

Die Elektrifizierung wird die Anzahl der Steuerungssysteme beziehungsweise deren benötigte Rechenleistung im Fahrzeug und in der Steuerungszentrale weiter erhöhen. Autonomes Fahren und Arbeiten ist nur durch die Nutzung zusätzlicher Sensorik (Radar, Lidar, Ultraschall, 2D-Kameras, 3D-Kameras) und die Bereitstellung von weiterer Rechenleistung möglich. Gleichzeitig erhöht sich die Datenmenge. Damit verbunden ist eine Forderung nach mehr Bandbreite an die Bussysteme. Der CAN-Bus kommt hier dann an seine Grenzen. Schnellere Bussysteme wie Ethernet oder die Variante BroadR-Reach, die auch über ein einfaches zweiadriges Kabel funktioniert, sind hier mögliche Lösungen für die Zukunft.


Für einen Einstieg in die Automatisierung mobiler Arbeitsmaschinen und Off Highway Fahrzeuge ist der CAN-Bus jedoch sehr gut aufgestellt. Durch seinen einfachen Steuerungsaufbau und effiziente Kommunikationsmethode sowie die vielen am Markt verfügbaren Komponenten bietet der CAN-Bus einen vergleichsweisen kostengünstigen Start.

Hawe eDesign Cloud
IO Modul Typ CAN-IO – Auch für Einsteiger ideal geeignet dank der grafischen Programmieroberfläche Hawe eDesign. – Bild: Hawe Hydraulik

In Zusammenarbeit mit: Hawe Hydraulik SE

Hawe Hydraulik SE bietet komplette Systemlösungen für die Mobilhydraulik in einem modularen Baukasten an. Darin finden Sie Axialkolbenpumpen, Wegeventille, Lasthalteventile bis hin zu Elektroniksteuerungen und Softwareprogrammierung alles aus einer Hand.

Grundlage des Wegeventile-Baukastens für Proportional-Wegeventile ist der Typ PSL, ein mechanisch betätigtes Mobilventil mit einer einfachen, analogen elektrischen Ansteuerung (Puls Weiten Modulation - PMW). Darauf aufbauend entstanden zwei Modellvarianten, die mit einem CAN-Kopf versehen wurden. Seit 2010 bietet Hawe das High-Performance Produkt an, den PSL- CAN, welcher selbst für Anwendungen mit Anforderungen an höchste Präzision, Hysterese und Dynamik geeignet ist. Zusätzlich wurde 2019 ein kostengünstigerer CAN-Kopf, der PSL-CAN Lite, als Einstiegsmodell entwickelt. Er ist bereits für sehr viele Anwendungen funktional ausreichend und damit ein idealer Einstieg in die CAN-Bus-Technologie. Mit dem PSL-CAN Lite profitiert der Kunde bereits vollständig von den genannten Vorteilen: geringer Verkabelungsaufwand, voreingestellte Parameter und Fehlervermeidung in der Inbetriebnahme.

Checklisten für die Zusammenstellung eines Mobilhydrauliksystems

Was sollte bei der Auswahl eines Systemanbieters beachtet werden?

  • Bietet der Hersteller eine anwendungsbezogene Beratung an?
  • Wird bei der Beratung auf eine möglichst energieeffiziente Auslegung der Steuerung der Arbeitsfunktionen geachtet?
  • Welche Antriebsart ist für meinen Fahrzeugtyp die passende?
  • Muss mein Fahrzeug Anforderungen gemäß der Funktionalen Sicherheit erfüllen?
  • Bietet der Lieferant einen weltweiten Service an?

Welche Daten können heute in einem Mobilhydrauliksystem überwacht werden (Stichwort Condition Monitoring)?

  • Wegeschieberfunktion - Schieberstellung
  • Maschinenlaufzeit
  • Öltemperatur
  • Arbeitsdruck
  • Ölreinheit und Wassergehalt

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