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O+P Fluidtechnik 4/2018

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STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN Abschaltpfades. Die Systemarchitektur wandelt sich folglich zu einer Struktur der Kategorie 3. Werden nun alle Subsysteme in die Betrachtung einbezogen erhält man einen AgPL = d und kann somit die gestellten Anforderung erfüllen (AgPL ≥ AgPL r ). Der Diagnosedeckungsgrad wurde dabei mit DC = 60 % angenommen. Dies entspricht einem sehr konservativen Wert. Durch Implementierung entsprechender Fehlererkennungsalgorithmen lässt sich ein höheres Sicherheitsniveau erreichen. Simulations analysen sowie praktische Erprobungen an einem Prüfstand und einer Demonstratormaschine zeigen, dass deutlich höhere DC-Werte zur Berechnung des AgP L angenommen werden dürfen (DC > 90 %). Die umgesetzte Fehlererkennung basiert dabei auf einer Grenzwert- und Trendwertüberwachung sowie einer logischen Konsistenzprüfung der Stellsignale. In Bild 07 ist das Verhalten der Aktivlenkung, bei stehendem Fahrzeug und fehlerhaft geöffnetem Ventil v3, am Beispiel von Maschinenmessungen gezeigt. Die Fehlfunktion tritt zum Zeitpunkt t F auf. Der damit verbundene Druckanstieg in der Zylinderleitung wirkt auf das reaktiv ausgeführte Lenkaggregat zurück und führt zum Öffnen des Tankrücklaufs auf der Gegenseite. Die Einspannung des Lenkzylinders wird somit aufgehoben und eine unkontrollierte Bewegung setzt ein. Wie in Bild 07 anhand des relativen Istradwinkels ohne Gegenmaßnahme zu erkennen ist, führt dies zum Verfahren des Zylinders in den Endanschlag und damit zum vollständigen Verlust der Fahrzeugkontrolle. Bei konventionellen Aktivlenkungen ist hier ein zeitkritisches Deaktivieren des Überlagerungspfades notwendig. Im vorgestellten Lenksystem mit getrennten Steuerkanten ermöglicht der erweiterte Stellgrößeneingriff die Vermeidung sicherheitskritischer Zustände. Durch die Ansteuerung des Ventils v4 wird ein Tankbypass für den fehlerhaft geförderten Volumenstrom geschaffen. Gleichzeitig führt das Öffnen des Ventils v1 zur Abstützung des Lenkzylinders. Dies führt zum Stoppen der fehlerhaft einsetzenden Bewegung, wie am relativen Istradwinkel mit Gegenmaßnahme zu erkennen ist. Der sich einstellende Radversatz ist abhängig von der implementierten Reglerstruktur sowie deren Parametrierung. Dabei ist ein Kompromiss zwischen einem angenehmen Lenkgefühl im Normalbetrieb und einer vertretbaren Regelabweichung im Fehlerfall zu finden. Bild 07 zeigt weiterhin die Funktionsweise der umgesetzten Grenzwertüberwachung, die auf einem einfachen Soll-Istwert- Vergleich beruht. Nach Eintritt des Fehlers vergrößert sich die Differenz beider Werte und überschreitet bei 1,1 s den zulässigen Bereich des Normalbetriebs. Diese Grenzwertüberschreitung wird von der Fehlererkennung detektiert und die boolesche Variable q Fehler auf true gesetzt. Bleibt der Fehler über einen bestimmten Zeitraum ∆t bestehen, erfolgt die Deaktivierung der Überlagerungslenkung. Dafür werden alle Ventilströme gleichzeitig zu Null gesetzt (z. B. i v5 ). Kommt es zu einer verstärkten Fehlerausprägung, so dass der Radversatz den Fehlerbereich überschreitet, bevor ∆t erreicht ist, wird der Überlagerungsteil ebenfalls abgeschaltet. Die Manövrierfähigkeit ist dabei weiterhin über das LAG gewährleistet. Die Maschine befindet sich somit in einem sicheren Zustand. Die durchgeführten Maschinenuntersuchungen mit der umgesetzten Fehlererkennung zeigen, dass alle sicherheitskritischen Fehler erkannt werden. Dies validiert den in der Berechnung des AgPL angenommen DC-Wert. Durch die Wahl der Grenzwerte sowie der Zeitdauer ∆t kann das Ergebnis der Fehlererkennung maßgeblich beeinflusst werden. Weiterführende Fehlererkennungsmethoden sowie Regelungskonzepte versprechen eine zusätzliche Minimierung des Radversatzes im Fehlerfall. 5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Systeme mit getrennten Steuerkanten bieten ein hohes Energieeinsparpotenzial und erlauben ein flexibleres Systemdesign, sowohl in der Konstruktion als auch in der Funktionalität. Aufgrund der hohen Systemkomplexität und des bislang unbekannten Ausfallverhaltens hat sich die Technologie jedoch noch nicht am Markt etabliert. 07 Verhalten der Aktivlenkung im Fehlerfall und Funktionalität der Grenzwertüberwachung FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Lenkradwinkel (ϕ sw ) rel. Sollradwinkel (ϕ w,rel ) rel. Istradwinkel … (ϕ w,rel ) … ohne Gegenmaßnahme … mit Gegenmaßnahme Betriebstoleranz Fehlerbereich LAG v1 v2 v5 v3 v4 Quelle: HNF sw [°] ϕ i v5 /i v5,max q Fehler 40 20 10 0 0 - 40 1 ∆t 0 1 0 0 1 2 3 t F Zeit [s] - 10 - 20 - 30 - 80 - 40 ϕ w,rel [%] 48 O+P Fluidtechnik 4/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN Mit der vorgestellten Methodik wird eine systematische Analyse aller denkbaren Strukturen mit getrennten Steuerkanten in den vier Quadranten des v-F L -Diagramms und den darin möglichen Betriebsmodi realisiert. Durch die Kombination von Quadranten kann jede denkbare Applikation abgedeckt werden. Erstmals ist mit dem entwickelten Analyseprozess eine Einordnung von Systemen mit getrennten Steuerkanten in die Quantifizierungsprozesse nach ISO 13849 oder EN 16590 möglich. Anwender profitieren somit von der Vermutungswirkung der Maschinenrichtlinie. Insbesondere kleinere und mittelständische Unternehmen können auf dieser Grund lage schneller entscheiden, welche Antriebsstruktur am besten zur Applikation ihrer Kunden passt. Dies steigert die Marktakzeptanz des technologisch vielversprechenden Systems mit getrennten Steuerkanten für eine Vielzahl von Anwendungen. Im Fokus der nächsten Teile der Reihe stehen die funktionalen und energetischen Vorteile von Ventilsystemen mit getrennten Steuerkanten am Beispiel stationärer und mobilhydraulischer Applikation. Die vorgestellten Steuerungs- und Regelungskonzepte werden anhand von Simulationen und Prüfstandsversuchen validiert. 6 DANKSAGUNGEN Die präsentierten Forschungsarbeiten erfolgten innerhalb der Projekte „Sicherheitskonzepte für mobilhydraulische Antriebsstrukturen mit getrennten Steuerkanten“ (gefördert durch den VDMA, Förderkennzeichen FKM Nr. 702910) und „Entwicklung und Erprobung einer Lenkventilanordnung mit getrennten Steuerkanten“ (gefördert durch die Europäische Union aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)). Die Autoren danken dem Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA, den Firmen Hydraulik Nord Fluidtechnik und AGCO Fendt sowie der Europäischen Union für die Förderung und die freundliche Unterstützung. Abkürzungen DGUV ECU FTA IFA LAG Q SISTEMA Formelzeichen Deutsche gesetzliche Unfallversicherung electronic control unit Fault Tree Analysis (Fehlerbaumanalyse) Institut für Arbeitsschutz Lenkaggregat Quadrant Sicherheit von Steuerungen an Maschinen (Software) AgPL - Agricultural Performance Level DC % Diagnostic Coverage (Diagnosedeckungsgrad) F N Kraft F - Ausfallwahrscheinlichkeit i v A Ventilansteuerstrom MTTF a Mean Time to Failure MTTF d a Mean Time to Failure dangerous PFH h -1 Probability of Failure per Hour PL - Performance Level t F s Zeit der Fehlereinprägung T M a Mission Time (Lebensdauer der Maschine) v m/s Geschwindigkeit U V Spannungssignal ∆t s Zeitspanne zwischen Fehlererkennung und Fehlerreaktion ϕ sw ° Lenkradwinkel (steering wheel) ϕ w % Radwinkel (wheel) Literaturverzeichnis [1] Europäisches Parlament, Rat der Europäischen Union.: RICHTLINIE 2006/42/ EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG (Neufassung) Bd. 2006/42/EG. 2006 [2] Richter, S.; Helduser, S.: Integrated Safety in Closed-Loop Controlled Electro Hydraulic Drives. 7th International Fluid Power Conference, Aachen, 2010 [3] Beck, B.; Weber, J.: Sicherheitskonzepte für mobilhydraulische Antriebsstrukturen mit getrennten Steuerkanten. Abschlussbericht des Forschungsvorhabens FKM-Nr. 702910, Dresden, 2016 [4] Eriksson, B.: Mobile fluid power systems design: with focus on energy efficiency. Department of Management and Engineering, Linköpings universitet, Linköping, 2010 [5] Shenouda, A.: Quasi-static hydraulic control systems and energy savings potential using independent metering four-valve assembly configuration. Georgia Institute of Technology, Georgia, 2006 [6] Liu, Y.; Xu, B.; Yang, H.; Zeng, D.: Simulation of Separate Meter In and Separate Meter Out Valve Arrangement used for synchronized control of two cylinders. 2009 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, 2009, S. 1665 - 1670. [7] Meyna, A.: Zuverlässigkeitsbewertung zukunftsorientierter Technologien. Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1994 [8] Orth, A.; Raksch, C.: Determination of reliability parameters of hydraulic components for safety applications in industrial and mobile machines. 9th International Fluid Power Conference, Aachen, 2014 [9] Fischer, E.; Sitte, A.; Weber, J.; Bergmann, E.; de la Motte, M.; Performance of an electro-hydraulic active steering system. 10th International Fluid Power Conference, Dresden, 2016 Indizes d dangerous i Komponente / Zählervariable L Last max maximal r required rel relativ Autoren: Dipl.-Ing. Benjamin Beck, Dipl.-Ing. Eric Fischer, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Institut für Fluidtechnik (IFD), Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik, Technische Universität Dresden O+P Fluidtechnik 4/2018 49