Referenzaufzug

Modellaufzuganlage mit CANopen-Komponenten

Die Hochschule Heilbronn ist seit vielen Jahren durch Kongresse und Tagungen im Bereich von Aufzügen bekannt. Seit nunmehr zwei Jahren läuft dort ein Forschungsprojekt, das verschiedene Aspekte der Automatisierung von Aufzügen mit CANopen zum Gegenstand hat, z. B. Konformitätstests „in the loop“ und die Möglichkeiten der Telemetrie und Ferndiagnose. Anregungen und Beratungen zu dem Projekt kommen derzeit von Herrn Hellmich, damals Böhnke + Partner, Bergisch Gladbach, jetzt ELFIN GmbH .

Auch Sie könnten Teil dieses Projekts sein!

Um eine möglichst realistische Testumgebung zu erhalten, bearbeitete zunächst eine Gruppe aus vier Studenten der Masterstudiengänge Maschinenbau und Mechatronik der Hochschule Heilbronn unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Ansgar Meroth ein Projekt, in dem eine Modellaufzugsanlage im Maßstab 1:10 gebaut und via originaler CANopen-Komponenten vernetzt werden soll. Alle Komponenten sollen durch ein entsprechendes Funktionsmodell in der Software Vector CANoe und MathWorks Matlab/Simulink simuliert werden, so dass nicht vorhandene Komponenten in Echtzeit funktional ersetzt werden können.

Die entstehende Modellanlage soll der Demonstration des CANopen-Standards dienen sowie eine Möglichkeit bieten, neue Bauteile auf Konformität zu überprüfen. Sie unterscheidet sich grundsätzlich vom bisherigen, in der MG Lift, erstellten Demonstrator durch eine höhere mechanische Detailtreue. Dank der offenen Architektur können die Demonstratoren auch kombiniert werden.

Siehe auch: Presseartikel im Liftjournal und auf den Heilbronner Aufzugstagen.

Modell

Das Modell realisiert einen Aufzug mit zwei Schächten und vier Etagen im Maßstab 1:10. Da ein Einsatz dieses Modells auf Messen möglich und erwünscht ist, sind viele Bauteile transparent oder mit Fenstern versehen , um einen besseren Einblick zu ermöglichen. Um den Einsatz auf Messen zu ermöglichen, ist das Modell transportabel und kann mit Abmaßen von ca. 1200 mm x 600 mm x 400 mm (HxBxT) mit einem PKW transportiert werden. Ein Video von dem Referenzaufzug finden Sie unten in diesem Artikel.

Vernetzung

Die in der Modellaufzuganlage verwendeten technischen Einrichtungen sollen nach Möglichkeit den originalen Bauelementen aus realen Aufzügen entsprechen. Dabei werden Steuergeräte mit dem CANopen-Protokoll verwendet.

Ziel ist es, zusätzlich zur Vernetzung des Modells mit CANopen-Bauelementen das gesamte Aufzugsmodell mit allen elektronischen Bauteilen in der Software Vector CANoe und MathWorks Matlab/Simulink nachzubilden. Durch das Mithören des CAN-Signals der Modellaufzuganlage kann in beiden Programmen der aktuelle Zustand der Aufzüge dargestellt werden. Desweiteren sollen CAN-Signale aus beiden Programmen an das Modell geschickt werden können, sodass eine Fernsteuerung durch einen Computer möglich wird (z. B. Betätigung einer Ruftaste). Auf diese Weise können auch nicht vorhandene reale Komponenten oder bestimmte Szenarien reproduzierbar simuliert werden. Zusätzlich wäre ein virtueller dritter Aufzugsschacht denkbar. Eine Implementierung der Diagnosefunktionen in beide Programme ist im weiteren Verlauf oder im Anschluss an dieses Projekt geplant.

Weiterführend wird das Ziel verfolgt, das gesammte Aufzugsmodell in CANoe zu simulieren, sodass angeschlossene Steuerungskomponenten auch ohne das Aufzugsmodell getestet werden können. Dies bietet den Vorteil, Integrationstest durchführen zu können, ohne auf das tatsächliche Aufzugsmodell zurückgreifen zu müssen.

Aktueller Stand

Die in diesem Kapitel aufgezeigten Ergebnisse sind durch vier Studenten innerhalb eines Zeitraumes von zwei bzw. ein Semester erarbeitet und durch drei weitere Studenten erweitert worden. Derzeit laufen neue studentische Projekte, z.B. für eine eigene Kabinenelektronik (Hardware ist bereits realisiert), eine Simulation in Matlab/Simulink, die Fangeinrichtung und eine Gewichtsmessung, sowie eine Fernsteuerung per Smartphone. Eine Umstellung auf Drehstromantriebe von der derzeitigen DC-Polwendeschaltung ist ebenfalls angestrebt.

Mechanik

Das Modell wurde bereits auf den Heilbronner Lifttagen 2012 und 2013 gezeigt. Inzwischen ist es in Betrieb genommen und funktionsfähig. Allerdings müssen einige Features noch realisiert werden.

Konstruiert wurde das System mit Hilfe der Software CATIA V5 R19 von Dassault Systèmes.

Hier zu sehen: Kabine

Hier zu sehen: Türantrieb

Hier zu sehen: Kabine in Schacht

Hier zu sehen: Gesamtmodell von vorne

Hier zu sehen: Gesamtmodell mit Tableaus

Elektrik

Software

Bei der Umsetzung der Steuerungen in den jeweiligen Simulationsumgebungen gab es bereits deutliche Fortschritte. Einige virtuelle Geräte und Komponenten konnten bereits erfolgreich simuliert werden. Den aktuellen Stand in der jeweiligen Simulationsumgebung finden Sie nachfolgend. Diese Simulationsmodelle werden nun durch eine nachfolgende Projektgruppe übernommen und selbstverständlich noch weiter ausgebaut, d. h. die fehlenden virtuellen Geräte und Komponenten werden im weiteren Verlauf ebenfalls simuliert werden können.

Matlab/Simulink:

In Matlab/Simulink konnten sowohl die Input und Output Panels als auch Teile der Call Controller bereits funktionsfähig realisiert werden. Lediglich bei der Umsetzung einer grafischen Oberfläche zur Darstellung der aktuellen Situation kam es zu Schwierigkeiten mit Matlab/Simulink, sodass eine realitätsnahe Darstellung bisher nicht möglich war, in naher Zukunft aber noch folgen wird. Auf nachfolgenden Abbildungen ist das Simulationsmodell in Simulink zu sehen.

Auf diesem Bild ist links ein Teil des Simulationsmodells zu sehen, in diesem Fall die Auswertelogik der Input Panels. Auf der rechten Seite ist die Darstellung der Rufe zu sehen.

CANoe:

Bei der Simulation mit CANoe wurden bereits einige virtuelle Geräte programmiert. Mittlerweile ist es z. B. möglich, Rufe zu tätigen sowie Rufe zu signalisieren. Dazu wurden die Input und Output Panels vollständig ausprogrammiert, sowie Teile der Call Controller Logik implementiert. Mithilfe eines teilweis simulierten Aufzugsmodells ist es zudem möglich, die Ankunft einer Kabine in einem bestimmten Stockwerk zu simulieren, sodass die Rufanzeige in diesem Fall selbständig erlischt. Dies funktioniert sowohl in der reinen Simulation, als auch in Kombination mit Matlab/Simulink oder der tatsächlichen Hardware (mehr dazu siehe unten).

Hier zu sehen ist das Modell der Netzknotenperipherie. Hiermit können sowohl Rufe getätigt werden, als auch erkannte Rufe signalisiert werden. Zusätzlich gibt es eine RESET Panel, um die Harware ein- bzw. ausschalten zu können. Das Panel Aufzugsmodell dient dazu, das Hardwaremodell zu visualisieren, bzw. später das Modell zu simulieren, sodass ein Simulationsbetrieb ohne das Hardwaremodell möglich ist.

Hier zu sehen ist das Netzknotenmodell. Hier werden alle virtuellen Geräte miteinander verbunden. Sobald ein virtuelles Gerät als reale Hardware angeschlossen wird, wird es in der Simulation deaktiviert. Das Aufzugsmodell dient hierbei auch für eine spätere Simulation der Modelaufzugsanlage.

Hardware

Hier zu sehen sind vier CAP-01 Platinen. Mit Hilfe der angeschlossenen Zusatzhardware sind hiermit die Input und Output Panels der vier Stockwerke hardwaretechnisch nachgebildet.

Hier zu sehen ist der gesammt Aufbau mit Hardware, Matlab/Simulink (links) und CANoe (rechts).

Inzwischen ist eine komplette HiL Simulation des Aufzugs hinzugekommen, die auf der ETFA veröffentlicht wurde: N. Sußmann and A. Meroth, "Model based development and verification of CANopen components," 2017 22nd IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), Limassol, 2017, pp. 1-5. doi: 10.1109/ETFA.2017.8247745, zu finden hier

Diese besteht aus einem physikalischen Aufzugsmodell und einem in JAVA geschriebenen CANopen Stack:

Matlab/Simulink-Modell des gesamten Aufzugs]

Einbindung des HiL

HiL Aufbau des gesamten Aufzugs

Weitere Informationen befinden sich in dem Paper.

Sponsoren

Da einige Bauteile des Aufzugmodells sehr kostenintensiv sind, allen voran die elektronischen Bauteile, soll hier mit Sponsoren zusammen gearbeitet werden. Diese bekommen am Modell selbstverständlich die Möglichkeit, entsprechend Firmenlogos und dergleichen anzubringen.

Zu den bisherigen Sponsoren gehören die Firmen:

• Böhnke + Partner GmbH Steuerungssysteme
• SafeLine-Deutschland GmbH
• SCHAEFER GmbH
• SICK AG
• Henning GmbH & Co. KG
• Murrplastik Systemtechnik GmbH
• Breuell & Hilgenfeldt GmbH - ebmpapst Service Center
• Weidmüller Interface GmbH&Co KG
• Vector Informatik GmbH
• …wird mit Ihrer Hilfe fortgesetzt….

Falls Interesse an einem Sponsoring besteht, melden Sie sich bitte bei Herrn Ansgar Meroth.

Video

In diesem Video sehen Sie den Referenzaufzug in Aktion.

Weitere Informationen

• Presseartikel 'Komponentenintegration_im_Modellmaßstab'
• Beitrag zu den Heilbronner Aufzugstagen 2013 (verkürzt)