7. Vector Congress High-Speed-Vernetzungsansätze in der Landtechnik

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1 7. Vector Congress 2014 High-Speed-Vernetzungsansätze in der Landtechnik AEF: Highspeed-Erweiterung des ISOBUS: Was kommt nach CAN? ANEDO: Höhere Modularität und bessere Skalierbarkeit von Steuergeräten Andreas Möller

2 AEF: Highspeed Erweiterung des ISOBUS Was kommt nach CAN? ANEDO: Höhere Modularität und bessere Skalierbarkeit von Steuergeräten UT (Terminal) Implement- BUS (ISOBUS ISO11783) Slave-ECU Engine Transmission Tractor-BUS TECU (Gateway) Hitch Implement- ECU (Gateway) Slave-ECU Implement- ECU-Netzwerk Slave-ECU

3 ISOBUS ISO Stand der Technik: CAN 250kBit/s Implement-Bus verbindet alle Geräte mit dem Traktor Breakaway-Connector liefert auch die 12V-Versorgung der Geräte System ist front- und heckseitig beliebig erweiterbar Traktor Gerät (Implement) UT (Terminal) Implement- BUS (ISOBUS ISO11783) 250 kbit/s Tractor- ECU (Gateway) Implement- ECU (Gateway)

4 ISOBUS : Standard, warum? Der Standard schafft eine einheitliche Plattform zur Bedienung der Geräte (Implements) verschiedener Hersteller Quelle: ISO-Presentations - ISOBUS Seminar, April 10, 2014, Tokyo, Japan

5 ISOBUS - ISO ISOBUS Weitere Funktionalitäten des heutigen Systems Standardisierte Einbindung von zusätzlichen Bedienelementen (z.b. Joysticks) Auftragsmanagement und georeferenzierte Betriebsdatenerfassung Standardisierter Datenaustausch zu Farmmanagement-n Positionsabhängige Steuerung des Gerätes oder einzelner Sektionen per GPS Steuerung des Traktors (z.b. Fahrgeschwindigkeit) abhängig von Prozessparametern des Gerätes Steuerungen von sequenziellen kooperativen Traktor-Geräte-Abläufen Traktor-Geräte-Kombinationen und ihre Funktionalitäten werden leistungsfähiger und komplexer Elektronikarchitektur wird komplexer, neue Technologien kommen zum Einsatz Höhere Anforderungen an die Vernetzung (höhere Bandbreiten, Determinismus, etc.) Bedarf der Anpassungen des ISOBUS-Standards ISO 11783

6 Gründung einer internationale Projektgruppe zur Vorbereitung der Normung für eine High-Speed- ISOBUS-Lösung High Speed ISOBUS Eine von aktuell insgesamt 11 Projektgruppen im AEF Industrieinitiative mit dem Ziel einer einheitlichen Markteinführung des ISOBUS Vereinheitlichung und Koordination von Entwicklungsthemen rund um Elektronik & Software in der Landtechnik Mehr als 150 internationale Mitgliedsfirmen Vorbereitung der Normungsarbeiten in der ISO Erstellung von Guidelines Zertifizierung der ISOBUS-Kompatibilität Akkreditierung von Testinstituten AEF-Datenbank für Service und Handel

7 High-Speed-ISOBUS Ermittlung konkreter Use-Cases für High-Speed-ISOBUS, Beispiele: Intelligente Sensorsysteme, Bildverarbeitungssysteme, Sensorfusion Modernere Visualisierung, höhere Auflösung, realistischere Darstellung, bessere Reaktionszeiten Geschlossene Regelkreise über mehrere Netzknoten (Peer Control) Komplexe Regelkreise der Traktor-Geräte-Automation Verbesserte Service- und Diagnose-Funktionalitäten (schnelleres Flashen, Logfiles, Sensordaten) Erhöhte Anforderungen an Safety (Implementation Safety-Protokoll, Anforderungen ISO 25119, etc.) Anforderungen an Security (Authentifizierung, Freischaltung von Funktionalitäten) Positionsgenauigkeit (hochfrequente Positions- und Korrektionssignale) Verfügbarkeit von Mobilem Internet im gesamten System (Remote Service, Telematik, etc.) M2M-Kommunikation für kooperierende Vorbereitung für Hochvoltsysteme auf AC- und DC-Basis Einbindung von Videosystemen, Prozessbeobachtung, Rückfahrkamera, Bird-View

8 High-Speed-ISOBUS Verdichtung der Use-Cases unter Betrachtung der Bandbreite: Bandbreite für alle Use-Cases zusammen, außer der Vorbereitung für AC- Hochvoltsysteme und außer der Einbindung von Videosystemen: ca. 4 Mbit/s Bandbreite für AC-Hochvoltsysteme: ca. 7 Mbit/s + deterministisches Verhalten Bandbreite für die Einbindung von Video: ab 56 Mbit/s bei drei Rear-View-Kanälen

9 High-Speed-ISOBUS CAN-FD prinzipiell möglich, wenn AC-Hochvoltsysteme und Video separat geführt und gesteckt werden: Traktor Gerät (Implement) UT (Terminal) Implement- BUS (ISOBUS ISO11783) Tractor- ECU (Gateway) Implement- ECU (Gateway)

10 High-Speed-ISOBUS Betrachtung der Alternativen in Bezug auf den Stecker und die Rückswärtskompatibilität: 12V 60 A 12V 25 A CAN-L / CAN-H TBC PWR / GND CAN FD ersetzt CAN Stecker bleibt erhalten CAN FD + CAN parallel neuer Stecker (ggf. abwärtskompatibel) BroadR-Reach 100 Mbit/s neuer Stecker + Gateway für CAN BroadR-Reach 100 Mbit/s + CAN neuer Stecker (ggf. abwärtskompatibel) BroadR-Reach 100 Mbit/s + CAN Stecker bleibt (Power-over Ethernet / TBC) BroadR-Reach 1 Gbit/s neuer Stecker + Gateway für CAN BroadR-Reach 1 Gbit/s + CAN neuer Stecker (ggf. abwärtskompatibel) BroadR-Reach 1 Gbit/s + CAN Stecker bleibt (Power-over Ethernet / TBC) Wireless Infrastruktur (Access-Point auf Traktor) + CAN Stecker bleibt erhalten

11 High-Speed-ISOBUS Herausforderungen bei der Einführung von HSI: Steckverbinder an der Traktor-Geräte-Schnittstelle (ein weiterer oder derselbe) Höhere Ansprüche an die Netzwerk-Physik (Schirmung, Anzahl der Leitungspaare, BroadR-Reach) Neue Netzwerkprotokolle (Multimaster-Funktionalität, Hot-Plug-Fähigkeit) Komplexere Architektur (Punkt-zu-Punkt statt Bus, Infrastruktur-Elemente z.b. Switches) 100% Abwärtskompatibilität beim Kunden (der ISOBUS ist gerade erst im Markt etabliert) Sicherung der (Entwicklungs-) Investitionen der Branche in die jetzige ISOBUS- Technologie Neue Entwicklungs- und Service-Tools, weltweite Verbreitung von Know-how

12 High-Speed-ISOBUS Weitere Schritte in der AEF-Projektgruppe: Bis zum konkreten Normenvorschlag noch ein etwas längerer Weg Erarbeitung konkreter Requirements und der Architekturkonzepte Erstellung von Prototypsystemen zur Evaluierung

13 Implement-ECU-Netzwerke Stand der Technik für Implement-ECU-Netzwerke : oft auch CAN 250kBit/s Keine Standardisierung, individuelle Lösungen, in sich abgeschlossene Verwendete Protokolle : CANopen, J1939, proprietär Auch hier komplexer werdende Architekturen Höhere Anforderungen an die Vernetzung (Echtzeit, Determinismus, etc.) In4Con Slave-ECU Implement- ECU (Gateway) Slave-ECU 250 kbit/s Implement- ECU-Netzwerk Slave-ECU

14 Implement-ECU-Netzwerke Aufgrund immer spezialisierterer Arbeitsmaschinen Bedarf an skalierbaren, für kundenspezifische Ausstattungsoptionen zugeschnittene Steuerungssysteme Komplexere und leistungsfähigere, individuellere Maschine für weltweit sehr variante Einsatzbedingungen Große Varianten- und Optionsvielfalt im Portfolio der Maschinenhersteller bei kleinen Stückzahlen Herausforderungen an die Skalierbarkeit der Elektronik-Architekturen In4Con Skalierbarkeit oft begrenzt realisierbar Erzeugung vieler komplexer ECU-Varianten kleinere Einheiten für modulare gewünscht

15 Implement-ECU-Netzwerke Bessere Skalierbarkeit durch Auftrennen monolithischer Einheiten In4Con Hohe Anforderungen an Vernetzung der einzelnen Komponenten

16 Implement-ECU-Netzwerke Herausforderungen Durch viele verteilte Regelkreise steigt die Buslast im Netzwerk, für die heute oft verwendeten CAN-Netzwerke zu hoch Sensoren und Aktoren eines Regelkreise werden daher oft auf je ein Steuergerät (ECU) gebündelt um Buslast zu reduzieren Echtzeitfähiges deterministisches Netzwerk mit ausreichend Bandbreite zwischen den Steuergeräten In4Con Ausreichend ist schwierig zu definieren: Die zunehmende Intelligenz der Maschinen sorgt für eine steigende Anzahl komplexer werdender Regelkreise Die modellbasierte Entwicklung der Steuer- und Regelsysteme stellt weitere Anforderungen an die Performanz von Steuergeräten und ihrer Vernetzung Einsatz von Ethernet-basierten Netzwerken Verschiedene echtzeitfähige Ethernet-basierte am Markt Entscheidung bei ANEDO für

17 Beispielnetzwerk: EtherCAT-Master Implement-ECU-Netzwerke ISOBUS Insel mit 3 EtherCAT-Slaves In4Con Einzelner EtherCAT-Slave Insel mit 3 EtherCAT-Slaves

18 ISOBUS Implement-ECU-Netzwerke Fahrhebel und Bremspedal in der Kabine In4Con Non-Safety-Steuerungssystem Safety-Steuerungssystem Drei Achsen mit je Einfache Integration von Safety-Komponenten zwei Verstellmotoren in das Steuerungssystem Zwei Verstellpumpen für den Fahrantrieb Beispielnetzwerk einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine mit Safety-Komponenten und FSoE:

19 Kurze Zusammenfassung Für mobilen Arbeitsmaschinen sind verschiedene High-Speed-Ansätze, die den CAN- Bus in bestimmen Bereichen ersetzen werden, auf dem Vormarsch. Zur Zeit werden Ethernet-basierte favorisiert, da sie in der Industrie- Automation etabliert sind und auch in der Automobil-Industrie stark an Bedeutung zunehmen. Eine interessante Frage ist nach wie vor sicherlich, welche Architekturen und Protokolle sich für mobile Arbeitsmaschinen etablieren werden. Vielen Dank für ihr Interesse! Andreas Möller