WO1995034026A1 - Steuerung für mobile arbeitsmaschinen - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Steuerung für mobile Arbeitsmachinen, insbesondere für Baumaschinen wie Bagger, Radlader, Grader oder dgl., mit mindestens zwei dezentral angeordneten, funktional voneinander unabhängigen Steuereinheiten zur Betätigung unterschiedlicher Sensoren und/oder Aktoren, wobei die Steuereinheiten über mindestens eine Datenbusleitung im Rahmen einer gegenseitigen Überwachung Statusmeldungen des jeweiligen Betriebszustandes der einzelnen Steuereinheiten in vorgegebenen Zeitintervallen untereinander austauschen.

Description

Steuerung für mobile Arbeitsmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere für Bauma¬ schinen, wie Bagger, Radlader, Grader oder dgl.

Moderne mobile Arbeitsmaschinen sind heutzutage multifunktional ausgelegt und unterstützen Arbeitsfunktionen, wie z.B. das Heben, Senken, Transportieren, Lockern, Verdichten und Boh¬ ren von Materialien und Erdreich. Sie werden in hoher Stückzahl gebaut und in der Bauma¬ schinen-, Landmaschinen- und Flurfördertechnik eingesetzt.

Die Arbeits- und Fahrfunktionen werden über sogenannte Maschinenfunktionen erzeugt, die auf den Systemkomponenten Mechanik, Hydraulik, Elektrik und Elektronik basieren. Die Schnitt¬ stelle zum Maschinenfahrer bildet das Bediensystem mit den einzelnen Elementen, Handhe¬ beln und Fußpedalen, Lenkrad und Fahrtrichtungsschalter sowie dem Armaturenbrett.

Vielfach wird zur Unterstützung der angesprochenen Funktionen bei den mobilen Arbeitsma¬ schinen von einer sogenannten zentralen Steuereinheit ausgegangen, mittels welcher sowohl die Steuerglieder, die Handhebel, die Fußpedale und das Armaturenbrett sowie Aktoren, wie Relais, Stellmotoren, Schalt- und Proportionalventile als auch Sensoren zur Ermittlung von Temperatur, Druck, Spannung, Motor- und Getriebedrehzahl angesteuert werden. Durch ent¬ sprechende Verbindungen können Fehler im Bereich der Aktoren und Sensoren sowie der Steuerglieder mittels entsprechender Wamelemente, beispielsweise am Armaturenbrett der mobilen Arbeitsmaschine angezeigt werden, so daß Fehler in diesen Bereichen schnell erkannt und behoben werden können. Stellen sich jedoch Fehler im Bereich der zentralen Steuereinheit ein, so können hier ernsthafte Probleme im Bereich der nachgeschalteten Aktoren und Senso¬ ren auftreten, wobei die Fehlerursache nicht eindeutig zuzuordnen ist, so daß ein zum Teil nicht unerheblicher Aufwand betrieben werden muß.

Durch die DE-A 39 02 849 ist eine Schaltungsanordnung zum Austausch von Daten zwischen zwei Mikrocomputern bekannt, wobei die Mikrocomputer aus Sicherheitsgründen parallel be¬ trieben werden. Beide Mikrocomputer, die vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz gelangen sollen, führen gleichzeitig Berechnungen für sicherheitskritische Signale durch und vergleichen die Ergebnisse zyklisch. Zu diesem Vergleich wird ein Datenaustausch zwischen beiden Mikrocomputern benötigt, der über entsprechende Schnittstellen realisiert wird. Hier liegt ein sogenanntes redundant ausgelegtes System vor, bei welchem beide Mikrocomputer die gleichen Funktionen abarbeiten und zu Kontrollzwecken der jeweiligen Ergebnisse den Datenaustausch herbeiführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung für mobile Arbeitsmaschinen, insbe¬ sondere für Baumaschinen, wie Bagger, Radlader, Grader oder dgl., dahingehend zu verbes¬ sern, daß die Erkennung und Zuordnung von Funktionsstörungen im Bereich der Steuerung optimiert werden kann, so daß auftretende Fehler, insbesondere im Bereich der Steuerung einfacher behoben werden können. Außerdem soll eine sofortige Störungserkennung dazu dienen, evtl. Gefahren/Schäden von Mensch und/oder Maschine frühzeitig entgegenzuwirken.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Steuerung für mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere für Baumaschinen, wie Bagger, Radlader, Grader oder dgl., mit mindestens zwei dezentral angeordneten, funktional voneinander unabhängigen Steuereinheiten zur Betätigung unterschiedlicher Sensoren und/oder Aktoren, wobei die Steuereinheiten über mindestens eine Datenbusleitung im Rahmen einer gegenseitigen Überwachung Statusmeldungen des jeweili¬ gen Betriebszustandes der einzelnen Steuereinheiten in vorgegebenen Zeitintervallen unter¬ einander austauschen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuerung sind den gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Aufgabe wird desweiteren gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Steuerung für mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere für Baumaschinen, wie Bagger, Radlader, Grader oder dgl., indem unterschiedliche Aktoren und/oder Sensoren durch mindestens zwei dezentral an¬ geordnete, funktional voneinander unabhängige Steuereinheiten betätigt werden, die sich be¬ züglich ihrer jeweiligen Betriebszustände gegenseitig überwachen und die Statusmeldungen ihrer jeweiligen Betriebszustände über mindestens eine Datenbusleitung untereinander austau¬ schen, wobei Funktionsstörungen im Bereich mindestens einer Steuereinheit in Form von Stö¬ rungsmeldungen durch mindestens eine intakte Steuereinheit an entsprechenden Warnelemen¬ ten angezeigt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind den zugehörigen Unteransprüchen zu ent¬ nehmen. Das Prinzip beruht somit auf einer gegenseitigen Überwachung der dezentral angeordneten Steuereinheiten untereinander, wobei die Anzahl der Steuereinheiten hierbei unerheblich ist. Abweichend vom St.d.T. sind hier keine redundanten Steuereinheiten gegeben, die gleichartige Funktionsabläufe bearbeiten. Jede der Steuereinheiten ist als Einheit für sich anzusehen, so daß jede Einheit unterschiedliche Sensoren und/oder Aktoren ansteuert. Eine Redundanz ist nicht gegeben und auch nicht erwünscht. Infolge dieser gegenseitigen Überwachung in Form des Datenaustausches auf Basis von Statusmeldungen besteht jederzeit die Möglichkeit, den Totalausfall einer oder mehrerer Steuereinheiten bzw. gelegentlich auftretende Funktionsstö¬ rungen an der zugehörigen Warneinrichtung, insbesondere einer Lampe oder einer LCD- Anzeige darzustellen, wobei auch akustische Warnungen problemlos möglich sind. Durch den Einsatz einer normalen Zweidrahttechnik und den Verzicht auf aufwendige SpezialStecker wird der Aufwand im Bereich der Gesamtsteuerung montage- und kostenmäßig niedrig gehalten. Der bisher bei mobilen Arbeitsmaschinen zum Einsatz gelangende einzelne Rechner als zen¬ trale Steuereinheit wird nach den jeweiligen Primärfunktionen aufgeteilt und in separate Steu¬ ergeräteeinheiten zerlegt. Diese haben dann, wie bereits dargelegt, keine identischen sondern unterschiedliche Aufgaben, wie z.B. die Steuerung/Regelung der Antriebsleistung, die Steue¬ rung der Arbeitsbewegung, die Ausführung der Schaltlogik für das Fahrwerk, die Abfrage von Handhebeln und Fußpedalen sowie die Ein- und Ausgabe von Informationen auf Anzeigeele¬ mente am Armaturenbrett. Die Zusammenführung der Einzelsysteme zu einem Gesamtsystem erfolgt anschließend wieder über den bereits angesprochenen Datenbus.

Der Einsatz einer dezentralen Steuerungstechnik unterstützt die Varianten und die Funktions¬ vielfalt der heutzutage angebotenen mobilen Arbeitsmaschinen. Sie bringt weitere Vorteile bei der Entwicklung und Einführung neuer Steuereinheiten und schützt gegen Totalausfall bei Fehlern einzelner Baugruppen und Bauteile.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 - Funktionsbeispiel für eine Radladersteuerung

Figur 2 - Prinzipskizze einer sich selbst überwachenden Baumaschinensteuerung

Figur 3 - Zeitdiagramm der ausgetauschten Statusinformationen.

ORI I Figur 1 zeigt anhand einer Prinzipskizze eine Radladersteuerung, wobei hier auch jede andere Arbeits- oder Baumaschine angesprochen sein kann. Das dargestellte Steuerungssystem be¬ steht aus vier separaten, funktional voneinander unabhängig arbeitenden mikrocontroller- gestützten Einheiten, nämlich die elektrische Vorsteuerung, die Fahrwerkssteuerung, die An¬ triebssteuerung sowie das Bord-Control-System. Durch Symbole sind nachgeschaltete Senso¬ ren und/oder Aktoren angedeutet. Im einzelnen sind dies Handhebel und Fußpedale, Motoren und Pumpen, der Antrieb mit Achsen und Rädern sowie Ein- und Ausgabeeinheiten.

Die Antriebssteuerung, Fahrwerkssteuerung und Vorsteuerung ermitteln für ihre Aufgaben Da¬ ten und geben sie auf eine Datenbusleitung.

Figur 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Figur 1 , bei welcher lediglich zwei der funktional unabhängigen Steuereinheiten, beispielsweise die Antriebssteuerung A und die Fahrwerks¬ steuerung F dargestellt sind. Die Steuereinheiten A und F sind über eine Datenbusleitung D miteinander verbunden. Von der Steuereinheit A führt eine elektrische Leitung 1 zu einem nicht weiter dargestellten Display, während die elektrische Leitung 2 von einer ebenfalls nicht weiter dargestellten Tastatur zur Steuereinheit A führt. Die weiter durch Pfeile dargestellten elektri¬ schen Leitungen 3,4,5,6 an den Steuereinheiten A und F sind Zu- und Abführieitungen zu ebenfalls nicht weiter dargestellten Aktoren/Sensoren. Analog zu einer zentralen Steuereinheit kann es auch bei dezentral angeordneten Steuereinheiten A.F vorkommen, daß nicht nur Akto¬ ren/Sensoren ausfallen, sondern darüber hinaus teilweise oder ganz auch die jeweilige Steuer¬ einheit A/F. Um hier eine größtmögliche Sicherheit bei der Überwachung herbeizuführen, wer¬ den über die Datenbusleitung D zyklisch Meldungen von A nach F und umgekehrt geschickt. Bei auftretenden Funktionsstörungen, beispielsweise im Bereich der Steuereinheit A erhält die Steuereinheit F über einen vorgegebenen Zeitraum keine entsprechenden Statusmeldungen mehr und gibt über die elektrische Leitung 7 eine Störmeldung, beispielsweise an eine Lampe 8 im Bereich des nur angedeuteten Armaturenbrettes 9 aus. Der Maschinenführer erkennt den Ausfall der Steuereinheit A und kann entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten. Gleiches gilt in umgekehrter Reihenfolge, wenn die Steuereinheit F ausfällt. In diesem Fall wird von der intakten Steuereinheit A über die elektrische Leitung 10 eine Störmeldung auf die Lampe 11 gelegt. Sowohl die Steuereinheit A als auch die Steuereinheit F besitzen einen Eigencheck für mögliche Ausfälle der über die Leitungen 3 bis 6 nachgeschalteten Aktoren/Sensoren. Über die Leitungen 12,13 werden entsprechende Warneinrichtungen 14,15 betätigt, so daß der Maschi¬ nenführer ständig über auftretende Funktionsstörungen informiert ist. Ein Austausch der Daten

LAGEN über jeweilige Rechanabläufe innerhalb der Steuereinheiten A,F ist hierbei nicht vorgesehen und auch nicht erwünscht.

Figur 3 zeigt anhand eines Zeitdiagrammes den Normalbetrieb sowie den Störungsfall in der Steuereinheit A. Dargestellt sind drei Bereiche a,b,c, wobei a und c den Normalbetrieb durch wechselnde Statusmeldungen von A nach F widerspiegeln, während b einen Störfall in der Steuereinheit A dokumentiert (Pfeil in Richtung A - keine Reaktion in Richtung F). Wie bereits dargelegt, wird im Normalbetrieb ein zyklischer Datenaustausch zwischen den Steuereinheiten A und F in Form von Datentelegrammen (Statusmeldungen) stattfinden, wobei als Information ausschließlich herübergebracht wird, daß die jeweilige Steuereinheit A bzw. F noch "lebt". Im Bereich einer jeden Steuereinheit A,F sind nicht weiter dargestellte Fehlerzähler integriert, die bei einer entsprechenden positiven Meldung der anderen Steuereinheit ständig auf null gesetzt werden. Da nicht auszuschließen ist, daß es hin und wieder Probleme beim Datentransfer gibt, wird beim Ausbleiben einer Meldung der jeweils andere Fehlerzähler automatisch in Gang ge¬ setzt, sobald jedoch eine neuerliche positive Meldung der anderen Steuereinheit eintritt, wird dieser Fehlerzähler wiederum auf null gesetzt. Hier werden entsprechende Zykluszeiten in Mil¬ lisekunden vorgegeben.

Tritt nun ein Störungsfall, beispielsweise in der Steuereinheit A, auf, wird der Fehlerzähler im Bereich der Steuereinheit F aktiviert, wie es im Bereich b in Figur 3 dargestellt ist. Angenom¬ men ist in diesem Beispiel ein Grenzwert von 100, der in einem bestimmten Zeitintervall er¬ reichbar ist. Ist dieser Grenzwert erreicht, wird, wie in Figur 2 dargestellt, eine entsprechende Störmeldung auf die Lampe 8 gegeben.

Hat es jedoch lediglich Datentransportprobleme zwischen den Steuereinheiten A und F gege¬ ben, so wird unterhalb des zu erreichenden Grenzwertes von 100 der Normalbetrieb gemäß c wieder hergestellt, sobald eine entsprechende positive Meldung der Steuereinheit A abgegeben wird. Der Fehlerzähler wird anschließend auf null gesetzt.

Claims

Patentansprüche

1. Steuerung für mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere für Baumaschinen, wie Bagger, Radlader, Grader oder dgl., mit mindestens zwei dezentral angeordneten, funktional voneinander unabhängigen Steuereinheiten (A,F) zur Betätigung unterschiedlicher Sen¬ soren und/oder Aktoren (3-6), wobei die Steuereinheiten (A.F) über mindestens eine Datenbusleitung (D) im Rahmen einer gegenseitigen Überwachung Statusmeldungen des jeweiligen Betriebszustandes der einzelnen Steuereinheiten (A,F) in vorgegebenen Zeitintervallen untereinander austauschen.

2. Steuerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Statusmeldungen zy¬ klisch austauschbar sind.

3. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Funktionsstö¬ rungen im Bereich einer oder mehrerer Steuereinheit(en) (A bzw. F) im Bereich der Fah¬ rerkabine der mobilen Arbeitsmaschine anzeigbar sind.

4. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsstö¬ rung im Bereich des Armaturenbrettes durch optische Mittel (8-11) anzeigbar ist.

5. Verfahren zum Betrieb einer Steuerung für mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere für Baumaschinen, wie Bagger, Radlader, Grader oder dgl., indem unterschiedliche Sonso- ren und/oder Aktoren (3-6) durch mindestens zwei dezentral angeordnete, funktional voneinander unabhängige Steuereinheiten (A,F) betätigt werden, die sich bezüglich ihrer jeweiligen Betriebszustände gegenseitig überwachen und die Statusmeldungen ihrer je¬ weiligen Betriebszustände über mindestens eine Datenbusleitung (D) untereinander austauschen, wobei Funktionsstörungen im Bereich mindestens einer Steuereinheit (A bzw. F) in Form von Störungsmeldungen durch mindestens eine intakte Steuereinheit (F bzw. A) an entsprechenden Wamelementen (8-11) angezeigt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungsmeldungen der einzelnen Steuereinheiten (A,F) untereinander zyklisch, d.h. in vorgegebenen Zeitinter¬ vallen, erfolgen. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei auftretenden Funktionsstörungen im Bereich mindestens einer der Steuereinheiten (A bzw. F) minde¬ stens ein Fehlerzähler (b) im Bereich mindestens einer der intakten Steuereinheiten (F bzw. A) bis zu einem vorgegebenen Wert hochgezählt und bei Erreichen dieses Wertes die Funktionsstörung im Bereich des oder der defekten Steuereinheit(en) (A bzw. F) durch mindestens eine intakte Steuereinheit (F bzw. A) angezeigt wird.

Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Normalbetrieb der Steuereinheiten (A,F) die jeweiligen Fehlerzähler (b) im Rahmen der zyklischen Überwachung ständig auf den Wert null gesetzt werden.

Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Funktionsstörung an einer Lampe (8 bzw. 11), insbesondere an einem LC-Display am Armaturenbrett (9) der mobilen Arbeitsmaschine angezeigt wird.