Ein millimetergenaues Niveau über weite Strecken ist nur mit Hilfe moderner Technik effizient umsetzbar. Als besonders präzise und zuverlässig haben sich dabei lasergestützte Systeme erwiesen. Dabei rotiert ein auf einem Stativ angebrachter Laser um die eigene Achse und erzeugt so eine Laser-Ebene. Diese wird parallel zur gewünschten Oberfläche ausgerichtet. Den Laserstrahl erfasst eine am Raupenschild montierte senkrechte optoelektronische Empfangszeile. Eine intelligente Steuerung führt den Laserempfänger und damit das Raupenschild so nach, dass sie immer in exakt gleicher Höhe zur Laser-Projektionsebene stehen. Somit kann sich der Raupenfahrer auf das horizontale Verfahren seiner Raupe konzentrieren, während das Raupenschild vollautomatisch und millimetergenau auf Referenzhöhe gehalten wird.

Um schräge Flächen zu ebnen, wird der Laser parallel zur gewünschten Neigung ausgerichtet. Je nachdem, ob die Planierraupe zum Beispiel längs, quer oder schräg zur Neigung fährt, ist eine unterschiedliche Querneigung des Planierschildes erforderlich. Auch sie ist bei lasergestützten Systemen automatisch steuerbar. Dazu wird auf dem Planierschild seitlich ein zweiter Laserempfänger montiert. Alternativ kommen ein Querneigungssensor und/oder ein Ultraschallsensor auf dem Planierschild hinzu.

Die Firma Gritzke Lasertechnik mit Sitz im ostwestfälischen Lemgo ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Baumaschinen-Steuer- und Positionierungssystemen. Die Systeme lassen sich auf jede Maschine montieren – unabhängig davon, ob diese bereits mit Kabelvorrüstungen ausgestattet ist.

Zur Steuerung der Nivelliersysteme setzte das Unternehmen in der Vergangenheit programmierte Controller verschiedener Hersteller ein. Der Nachteil: Kunden- und maschinenspezifische Anpassungen oder Software-Änderungen konnte Gritzke der Systemintegrator nicht selbst vornehmen. Die Software-Hoheit lag bei den Hardware-Herstellern. So waren individuelle Anpassungen beziehungsweise Änderungen zeit- und kostenintensiv oder wurden abgelehnt.

Rolf Oschatz, Geschäftsführer bei Gritzke, entschied darum, ein eigenes lasergestütztes Nivelliersystem für Baumaschinen zu entwickeln. Ziel war es, den Kunden eine Kombination aus Anwenderfreundlichkeit, präziser Genauigkeit und gutem Preis zu bieten. Für den Kern des Systems – die Steuerung und deren Software – stieß der Baumaschinen-Hersteller mehr oder weniger zufällig auf den heutigen Partner. Rolf  Oschatz: "Die Entwicklung mit früheren Hardware-Anbietern kam nur langsam voran. Die anfangs zugesagte Unterstützung lief nur schleppend und war eher von Planzahlen als von technischer Unterstützung geprägt. Bei einem Informationsgespräch im April 2013 wurde ich dann auf der Baumaschinen-Messe Bauma am Stand von ifm fündig. Hier hat man nicht nach möglichen Stückzahlen gefragt, sondern umfassende Unterstützung des Projektes zugesagt."

Im Zuge der Kooperation zwischen dem für die Hardware zuständigen Automatisierungsanbieter und Gritzke Lasertechnik entstand die erste deutsche CANbus-basierte Nivellierautomatik für Planiermaschinen 'GRi-P1'.

Die Umsetzung

Die Arbeitsoberfläche des Dialogmonitors CR1084 zur Visualisierung und Dateneingabe. Als Einstellmög­lichkeiten gibt es beispielsweise 'Masteinrichtung' mit 'Laser suchen' oder 'Mast parken' sowie die aktuelle Höhenanzeige in 1/10 mm.

© ifm electronic

Die der Bauma folgenden Monate waren von intensiver Zusammenarbeit geprägt. Maßgeblich unterstützt wurde das Projekt von Dennis Blume, bei ifm im Fachvertrieb Steuerungstechnik tätig. Enge Zusammenarbeit war nötig, denn Priorität der Entwicklung war, das Software-Know-how im Haus zu haben.

Als Kern der Anlage dient der mobiltaugliche und CAN-fähige Controller CR0033 und als Bedieneinheit das grafikfähige Display CR1084 von ifm.

Oschatz: "Die Zusammenarbeit war leidenschaftlich und erfolgreich. Oft testeten wir die Software und Hardware bis spät in die Nacht draußen auf den Maschinen. Die Firma Stork Tongruben und Transportunternehmen in Hiddenhausen hat uns eine Raupe (Cat D6T) und eine Tongrube zum ausgiebigen Testen zur Verfügung gestellt. So konnten wir unsere Entwicklung nach 18 Monaten bis zur Marktreife bringen."

Das Nivelliersystem ist das erste ­seiner Art, das in einer Hand entwickelt, programmiert und gebaut wird. Für den Kunden hat dies den Vorteil, dass sich Anpassungen, spezielle  Kundenwünsche oder Verbesserungen schnell umsetzen lassen. Durch sein Baukastenprinzip eignet sich das ­System GRi-P1 für sämtliche Arten lasergestützter Höhenkontrolle und -steuerung bei unterschiedlichen Anwendungen sowie Baumaschinen. So arbeitet es zum Beispiel auch an Baggern zur Tiefenkontrolle, an Höhen- und/oder Schwenkwinkelbegrenzungen, an  Radlader-Planiereinrichtungen, an Ramm- und Bohrgeräten, an landwirtschaftlichen Maschinen oder an Container-Staplern. Da die verschiedenen Einsatzgebiete bereits in der einen Software hinterlegt und anwählbar sind, spart sich der Kunde teure Software-Updates. Die Steuerung ist bei Bedarf also auf unterschiedlichen ­Maschinen einsetzbar. So erübrigt sich der Kauf doppelter Komponenten wie Bedieneinheit, Zentraleinheit oder Sensoren.

Durch die Integration wählbarer Applikationsprogramme in einem modularen Gerät wurde der Entwicklungs- und Hardware-Aufwand minimiert. Dies schlägt sich letztlich im Preis nieder: Das System kostet rund ein Drittel weniger als marktübliche Systeme.

Schnell dank CAN-Bus

Zur Datenübertragung werden die CANbus-Schnittstellen genutzt. So lassen sich die Daten vom Laserempfänger oder vom Querneigungssensor / Ultraschallsensor in die Steuerung bis zu fünfmal schneller übertragen. Diese schnelle Datenübertragung und Verarbeitung im Controller ist nötig, um eine möglichst verzögerungsfreie Signalkette von den Laserempfängern über die Steuerung bis zur Ventilansteuerung des Raupenschildes zu gewährleisten. Nur so lässt sich auch bei hohen Geschwindigkeiten ein millimetergenaues Arbeiten erreichen. Über CAN-Bus werden außerdem die Joysticks, Schalter und Taster der Baumaschine abgefragt und an die Prozessteuerung übergeben.

An der grafischen Bedieneinheit können Anwender den automatischen Nullabgleich bei Bedarf manuell anpassen. Ebenfalls erfolgt hier die Umschaltung zum Beispiel auf den Querneigungssensor oder den Ultraschallsensor (zum Planieren nach einer Boden-Referenz wie etwa einer Bordsteinkante).

Kern der Anlage ist ein mobiltauglicher 32-Bit-Controller von ifm electronic.

© ifm electronic

Das 'Gehirn' der Steuerung, der 32-Bit-Controller von ifm, verfügt über maximal 16 multifunktionale Ein- und Ausgänge sowie vier CAN-Schnittstellen. Er wurde in ein kompaktes Metallgehäuse mit IP67 integriert. Seine Überwachungs- und Schutzfunktionen ermöglichen einen sicheren Betrieb selbst unter extremen Einsatzbedingungen. Die Ein- und Ausgänge lassen sich mittels Applikationssoftware (IEC 61131-3 mit Codesys) den jeweiligen Einsatzfällen anpassen. Je nach Typ sind die Eingänge als Digital-, Frequenz- oder Analogeingang mit Diagnosefunktion oder als Eingang für die Widerstandsmessung konfigurierbar.

Die vier CAN-Schnittstellen nach ISO 11898 unterstützen jeweils das CANopen-, SAE J1939- oder ein freies Protokoll. Zusammen mit einer 100-Mbit-Ethernet-Schnittstelle und dem Linux-Betriebssystem entsteht so eine universelle Plattform für die weitere Vernetzung sowie Kommunikation mit anderen Fahrzeugkomponenten. Die Verbindung erfolgt über M12-Steckanschlüsse. Der Controller wurde speziell für den robusten Einsatz im Fahrzeug und für die mobile Automation entwickelt.

Die grafische Bedieneinheit

Das Dialoggerät lässt sich dank geschlossenem Aluminiumdruckguss-Gehäuse mit Schutzart IP67 sowohl im Außen- als auch im  Kabinenbereich einsetzen, wahlweise per Aufbau- oder Einbau­montage. Das kratzfeste 7 Zoll große TFT-Farbdisplay bietet eine Auf­lösung von 800 × 480 Pixeln und eine Farbtiefe von 18 bit. Zur Be­dienung verfügt es über neun hinterleuchtete Funktions­tasten mit taktiler Rückmeldung. Außerdem steht modellabhängig ein Drehgeber mit Druckfunktion oder eine Kreuzwippe zur Verfügung.

Autor:
Andreas Biniasch ist Redakteur bei ifm electronic in Essen.