Rola magistrali CAN w diagnostyce współczesnych ciągników rolniczych

Transkrypt

1 MAJCHER Jacek 1 Rola magistrali CAN w diagnostyce współczesnych ciągników rolniczych WSTĘP W ostatnich latach obserwowany jest gwałtowny wzrost sprzedaży nowych ciągników rolniczych. Główną przyczyną zainteresowania ze strony rolników jest możliwość dofinansowania zakupu ze środków unijnych. Jak podają firma Martin&Jacob monitorująca rynek rolniczy w 2012 r. rolnicy zakupili ponad 19,3 tyś sztuk ciągników, co daje Polsce czwarte miejsce w Europie [14]. Tak duża liczba maszyn wymaga sprawnego serwisu oraz trafnej diagnostyki. Ciągniki rolnicze ze względu na wszelakość zastosowań pracują w szczególnie uciążliwych warunkach otoczenia (wilgotność, zapylenie, duże różnice temperatur) [7]. Czynniki te znacznie skracają czas bezawaryjnej pracy maszyn. W konsekwencji powoduje to brak możliwości wykonywania zabiegów agrotechnicznych w założonych terminach. Aby zminimalizować skutki awarii niezbędna jest okresowa diagnostyka poszczególnych podzespołów ciągnika. Awaria poszczególnych elementów ma bezpośredni wpływ na sprawność maszyny. Wynika to z faktu tzw. szeregowej struktury niezawodności maszyny. O Sprawności sumarycznej całego pojazdu decyduje sprawność poszczególnych części [7]. Diagnostyka, jako dyscyplina naukowa zajmuje się badaniem stanu technicznego maszyn metodami bezinwazyjnymi lub tylko w niewielkim stopniu dopuszczającymi ingerencję w ich strukturę [8]. Właściwa diagnostyka pozwala określić stan techniczny poszczególnych podzespołów [5]. Taka informacja z kolei pozwala prognozować czas bezawaryjnej eksploatacji maszyny. 1. ZNACZENIE UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH Pierwsze układy elektroniczne pojawiły się w ciągnikach już w latach 60 ubiegłego stulecia. Ale prawdziwy przełom nastąpił w latach osiemdziesiątych [2,4]. Stosowanie podzespołów elektronicznych miało za zadanie podnieść komfort pracy operatora jak również zwiększyć funkcjonalność maszyny. Przez lata powstało szereg urządzeń kontrolujących pracę poszczególnych podzespołów. Zazwyczaj są to układy składające się z elementów elektrycznych, mechanicznych jak i hydraulicznych. Jednym z przykładów może być system EHR (niem. Elektronische Hubwerksregelung) służący do sterownia pracą TUZ-a. W systemie tym rozdzielacz hydrauliczny sterujący pracą ramion TUZ-a sterowany jest za pomocą cewek elektromagnetycznych. Daje to możliwość umieszczania elementów sterujących w różnych miejscach w tym na błotniku maszyny. To z kolei jest znaczącym udogodnieniem przy agregowaniu ciągnika z innymi maszynami. Obecnie duży nacisk kładzie się na ograniczenie poziomu emisji szkodliwych substancji. Spełnienie najsurowszych norm emisji spalin Stage 4 (lub Tier 4 według amerykańskiej federalnej Agencja Ochrony Środowiska) jest trudne do uzyskania w silnikach których cykl spalania realizowany jest w sposób mechaniczny. Konieczne staje się wprowadzenie jednostek sterujących nadzorujących proces spalania. W tym celu umieszcza się szereg czujników (np. położenia wału) jak i elementów wykonawczych sterowanych elektrycznie (np. wtryskiwacze). Do sterownika doprowadzone są sygnały z czujników gdzie są przetwarzane. Następnie sterownik koryguje parametry pracy silnika przez różnego rodzaju elementy wykonawcze (np. czas otwarcia wtryskiwaczy). Podstawowym układem pozwalającym spełnić normy emisji spalin jest układ EGR (ang. Exhaust Gas Recirculation). 1 Politechnika Lubelska, Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej; Lublin; ul. Nadbystrzycka 38 A. Tel: , j.majcher@pollub.pl. Uczestnik projektu "Kwalifikacje dla rynku pracy - Politechnika Lubelska przyjazna dla pracodawcy" współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. 4083

2 Układ ten jest zaworem recyrkulacji spalin. Kieruje część spalin do układu dolotowego gdzie następnie dopalane są szkodliwe związki. Oprócz spełnienia norm emisji spalin, stosowanie układów elektronicznych pozwala zwiększyć sprawność energetyczną pojazdu. Realizowane jest to poprzez elektroniczne sterowanie czasu otwarcia wtryskiwaczy, czy też inne nowatorskie rozwiązania jak elektryczny system napędu zaworów [1]. Stosowanie coraz większej liczby układów elektronicznych powoduje wzrost przewodów jak również połączeń. To w połączeniu z trudnymi warunkami pracy ciągników powodowało znaczący wzrost zawodności tych układów. Na rysunku pierwszym przedstawiono awaryjność poszczególnych komponentów pojazdu. Rys.1. Awaryjność komponentów elektronicznych w pojazdach drogowych [6] 2. MAGISTRALA CAN Rozwiązaniem problemu dużej liczby połączeń, jak również długości przewodów było wprowadzenie do komunikacji miedzy odpowiednimi sterownikami standardu transmisji danych CAN (ang. Controller Area Network), znanego z sieci komputerowych. Dla potrzeb rolnictwa w 1992 roku opracowano jednolity standard transmisji ISO (An Electronic Communications Protocol for Agricultural Equipment) potocznie zwany ISOBUS. Standard ten opiera się o Niemicką normę DIN 9684 oraz Amerykańską SAE J1934 [4]. Składa się on z 14 części. Tab. 1. Dokumenty wchodzące w skład standardu ISO [3] Dokument Opis ISO General Standard ISO Physical Layer ISO Data Link Layer ISO Network Layer ISO Network Management ISO Virtual Terminal ISO Implement Message Layer ISO Power Train Messages ISO Tractor ECU ISO Task Controller ISO Mobile data element dictionary ISO Diagnostics services ISO File Server ISO Sequence Control Jedną z ważniejszych zalet magistrali CAN jest łatwość jej dalszego rozbudowywania. Magistrala ta w zależności od potrzeb może pracować w topologii szeregowej, równoległej czy też drzewiastej [10]. Kolejne sterowniki można dołączyć bezpośrednio do magistrali lub przez zastosowanie mostków tzw. bridge. Poprzez mostki możliwe jest połączenie różnych rodzajów sieci, jak również o różnych prędkościach czy też architekturze. Jednym z przykładów może być architektura typu (master/slave) dzięki czemu możliwe jest tworzeni sieci lokalnych tzw. LIN (ang. Local Interconnect Network) 4084

3 Rys. 2. Sposób podłączenia mikrokontrolera do magstrali CAN [6] Inną ważną cechą magistrali CAN jest odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu sygnału zerojedynkowego do przesyłu informacji. Rys. 3. Budowa ramki danych magistrali CAN 2.0 [9] Magistrala ta jest dwuprzewodowa CAN L (Can Low) oraz CAN H (Can High). Do przesyłu informacji wykorzystywana jest różnica napięć pomiędzy liniami. Napięcia wynoszą odpowiednio dla linii Can L 1,5 V DC natomiast dla CAN H 3,6 V DC [6]. 3. DIAGNOSTYKA CIĄGNIKÓW Diagnostyka współczesnych ciągników rolniczych poprzez stosowanie dużej liczby elementów elektrycznych jest trudna. Wymaga użycia specjalistycznych urządzeń diagnostycznych. Każdy producent ma odpowiedni tester jak również oprogramowanie firmowe. Szczegółowe dane odnośnie używanego oprogramowania dostępne są jedynie dla autoryzowanych serwisów. Najbardziej popularnym urządzeniem służącym do diagnostyki ciągników rolniczych różnych marek jest Navigator TXT firmy TEXA. Do urządzenia dołączony jest zestaw kabli podłączeniowych do poszczególnych marek. Fot. 1. Navigator TXT [12] Urządzenie pośredniczy w procesie wymiany informacji pomiędzy sterownikiem konkretnego systemu ciągnik a oprogramowaniem diagnostycznym zainstalowanym na komputerze PC. Połączenie komputera a Naviatora TXT realizowane jest za pomocą portu USB lub Bluetooth. Możliwe jest również zastąpienie komputera PC przenośnym urządzeniem AXONE 4. Na komputerze zainstalowane jest oprogramowanie diagnostyczne TEXA IDC4 Agri. Navigator TXT z jednej strony połączony jest z komputerem, natomiast z drugiej poprzez złącze diagnostyczne z jednostką sterującą maszyny. Złącze diagnostyczne znajduje się zazwyczaj wewnątrz kabiny operatora. 4085

4 Navigator TXT Rys. 4. schemat połączenia Navigatora TXT do ciągnika Urządzenie to obsługuje następujące protokoły: kody błyskowe (blink codes), CAN ISO i ISO , K, L, ISO9141-2, ISO (Keyword 2000), SAE J1850 PWM 41.6 Kbps i VPW 10.4 Kbps, ISO , SAE J1708 EOBD (wszystkie protokoły): ISO , ISO Jak podaje producent urządzenie to obsługuje m.in. następujące marki: Case IH, Claas, Deutz-Fahr, Fendt, JCB, John Deere, Lamborghini, Landini, Lindner, Massey Ferguson, McCormic, New Holland, Same, Steyer, Ursus, Valtra [12,13]. Na fotografii 2 przedstawiono przykładowy widok aplikacji TEXA IDC4 Agri. Autodiagnostyka Schematy elektryczne Karty Narzędzia i Programy ser... isupport Fot. 2. Przykładowe okno aplikacji TEXA IDC4 Plus [11] Diagnostyka ciągnika polega na wybraniu typu maszyny, marki, modelu ciągnika oraz typu skrzyni biegów. Po wykonaniu tych czynności mamy dostęp do menu w którym możemy odczytać jak i kasować kody błędów. Ponadto jest możliwy podgląd stanu pracy wybranych elementów. W zależności od diagnozowanego modelu możliwa jest kalibracja różnych elementów takich jak: czujnika położenia podnośnika czy też przekładni hydraulicznych. Dostępna jest również funkcja testu która pozwala na testowanie takich elementów jak: turbina, elektrozawory [11]. Możliwe jest również użycie diagnoskopu jako oscyloskopu, multimetru czy też generatora sygnałów. W bazie 4086

5 danych urządzenia znajdują się również schematy elektryczne, dokumentacje techniczne poszczególnych elementów [12]. WNIOSKI We współczesnych ciągnikach rolniczych stosuje się coraz więcej elementów, które mają na celu zwiększenie komfortu pracy jak i wydajności maszyny. Elementy te sterowane są elektrycznie, dzięki czemu wiele procesów odbywa się automatycznie bez ingerencji operatora. Aby w pełni wykorzystać możliwości poszczególnych elementów muszą one wymieniać się wzajemnie informacjami. Odbywa się to przy pomocy magistrali CAN. Zastosowanie magistrali umożliwia przesyłanie informacji w czasie rzeczywistym. Ponadto wszystkie urządzenia połączone magistralą mają dostęp do tych samych danych. Jednostka sterująca informuje operatora o stanie pracy maszyny wyświetlając informacje na desce rozdzielczej czy też specjalnych pulpitach. Na pulpicie przedstawiane są informacje czy to w formie graficznej czy liczbowej odnośnie poszczególnych parametrów. Dodatkowo sygnalizowane są informacje o niesprawności poszczególnych elementów. Połączenie ze sobą przez magistralę elementów odpowiedzialnych za pracę silnika czy też realizujących inne funkcje pozwala na skuteczną diagnostykę tych elementów. Uszkodzenie dowolnego elementu jest natychmiast wykrywane prze jednostkę sterującą. Wszelkie uszkodzenia zapisywane są w pamięci i wyświetlane w postaci kodów błyskowych lub numerów błędów na pulpitach. Aby trafnie zdiagnozować uszkodzony element lub na podstawie jego parametrów określić stopień zużycia, konieczne jest posiadanie specjalistycznych diagnoskopów. Diagnoskop odczytuje z jednostki sterującej zapisane w niej błędy. Po odczycie kodu usterki serwisant jest w stanie precyzyjnie zlokalizować uszkodzony element. Dzięki podłączeniu diagnoskopu do jednostki centralnej jest możliwość podglądu pracy poszczególnych parametrów w czasie rzeczywistym. Ponadto może wymuszać odpowiednie sygnały sterujące. Analizując zadane sygnały jak i otrzymane odpowiedzi możliwe jest określenie aktualnego stanu elementu. Stosowanie diagnoskopów znacząco skraca czas naprawy jak i serwisu danej maszyny. Na podstawie sygnałów pochodzących od poszczególnych elementów możliwe jest określenie stopnia ich zużycia. Streszczenie Coraz szersze zastosowanie elektroniki we współczesnych ciągnikach rolniczych pozwala znacznie zwiększyć komfort pracy operatora. Dodatkowo zastosowanie mikrokontrolerów w sterowaniu różnego rodzaju procesami pozwala zwiększyć efektywność pracy. Występujące sterowniki są wzajemnie ze sobą połączone co pozwala na wymianę danych między nimi w czasie rzeczywistym. Skutkuje to możliwością natychmiastowej korekty nastaw odpowiednich elementów wykonawczych. Wzrastająca liczba elementów elektronicznych niesie za sobą coraz większą liczbę połączeń między nimi. To z kolei jest główną przyczyną zawodności tych urządzeń. Rozwiązaniem tego problemu jest stosowanie magistral po której przesyłane są informacje. W pojazdach rolniczych z godnie z normą ISO wprowadzono standaryzację wymiany informacji. Takie rozwiązanie daje większe możliwości w procesie diagnostycznym. Za pomocą specjalnych urządzeń diagnostycznych możliwa jest diagnostyka w czasie rzeczywistym pojazdu. Na rynku istnieje niewiele diagnoskopów wielomarkowych. W niniejszej pracy omówiono urządzenie diagnostyczne firmy TEXA. Przedstawiono możliwości diagnostyczne jak również opisano obsługiwane protokoły. The role of the CAN bus in diagnostics of modern tractors Abstract Wide use of electronics in modern agricultural tractors can significantly increase operator comfort. The use of microcontrollers can increase work efficiency. Drivers are interconnected so that it is possible to exchange data between them in real time. This allows for immediate correction settings appropriate elements. With the increase of electronic components increases the number of connections between them. This is the 4087

6 main cause of failure of these devices. The solution to this problem is the use of CAN bus. In agricultural vehicles was introduced to standardize the exchange of information ISO This solution offers greater possibilities in the diagnostic process. By using special diagnostic equipment is possible in real-time diagnostics of the agricultural tractors. On the market there are few multi-brand devices. This paper describes the diagnostic device Navigator TXT. The possibilities of diagnostic and describes the supported protocols. BIBLIOGRAFIA 1. Ekielski A., Co pomaga silnikom oszczędzać paliwo. Agro Mechanika 10 (90) Fellmeth P. CAN-based tractor agricultural implement communication ISO 11783, CAN Newsletter, September Ham W, Enkhbaatar T., Luubaatar B., Hyeokjae K., Implementation of ecu for agricultural machines based on isoaglib open source. 12 th Internationa lconferences on Precision Agriculture Kamal Sarkel M., Park D.S., Luubaatar B., Electronic control sensors applications for the next generation tractor based on open source library. Sixth International Conference on Sensing Technology Langman J., Ślipek Z., Diagnostyka techniczna i diagnostyka medyczna - podobieństwa i zapożyczenia. Inżynieria Rolnicza. 6(104) Mamala J., Jantos J., Augustynowicz A., Identyfikacja protokołu transmisji magistrali can w pojazdach rolniczych. Inżynieria Rolnicza 6(94)/ Plizga K., Diagnostyka wyposażenia elektrycznego pojazdów rolniczych. Motrol Rzeźnik Cz., Rybacki P., Staszak A., Durczak K., Parametry wyjściowe procesu diagnozowania ciągnika rolniczego. Technika Rolnicza Ogrodnicza i Leśna 4/ Tumenjargal E., Badarch L., Kwon H., Ham W., Embedded software and hardware implementation system for a human machine interface based on ISOAgLib. Journal of Zhejiang University-SCIENCE C (Computers & Electronics). 14(3) Zimmermann W, Schmidgall R. Magistrale danych w pojazdach: protokoły i standardy. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Texa przyjazne oprogramowanie. Agro Mechanika Serwis. Nr 1/ Materiały firmwe TEXA, dostępne r. 13. Materiały firmowe New Holland, dostępne r. 14. Materiały internetowe: Ciągniki rolnicze: w 2012 roku polscy gospodarze kupili ponad 19,3 tys. maszyn. dostępny r. 4088