Elektronik mit Fingerspitzengefühl: Sensoren für Baumaschinen
Maschinen fühlen nicht wie wir, sie messen den eigenen Status und Umgebungsparameter mittels Sensoren. Was in einer kontrollierten Laborumgebung zuverlässig und wiederholgenau funktioniert, birgt in der rauen Baustellenrealität Tücken. GEMAC Chemnitz hat über 30 Jahre Erfahrung in der Sensorik und produziert Systeme, die den Spagat meistern zwischen der gewünschten Empfindlichkeit gegenüber Messreizen und der erforderlichen Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen. Wir sprachen mit Geschäftsführer Tilo Rothkirch über die entscheidenden Details auf den Gebieten Sensorik und Feldbusdiagnose, den zwei Hauptgeschäftsbereichen des Unternehmens.
„Seit 30 Jahren haben wir Erfahrung auf diesen Gebieten. Entwicklung und Fertigung erfolgen bei GEMAC komplett in Deutschland mit derzeit 71 Mitarbeitern am Standort Chemnitz. Über ein ausgewähltes Händlernetz vertreiben wir unsere Produkte weltweit.“ Tilo Rothkirch, Geschäftsführer GEMAC
Was ist die Spezialität von GEMAC?
Tilo Rothkirch: Auf der Produktseite bedienen wir zwei Hauptgeschäftsbereiche: Zum einen die Sensorik mit Neigungssensoren und inertialer Messtechnik, zum anderen die Feldbusdiagnose mit Produkten für die physikalische Feldbusdiagnostik für CAN-basierte Netzwerke. Einen dritten Geschäftsbereich bilden EMS-Dienstleistungen, also die Leiterplattenbestückung für ausgewählte Kunden. Seit 30 Jahren haben wir Erfahrung auf diesen Gebieten. Entwicklung und Fertigung erfolgen bei GEMAC komplett in Deutschland mit derzeit 71 Mitarbeitern am Standort Chemnitz. Über ein ausgewähltes Händlernetz vertreiben wir unsere Produkte weltweit. Unsere Zielgruppe sind Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen. Gemac Produkte kommen zum Einsatz in Baumaschinen, in der Forst- und Landwirtschaft, in der Kran- und Hebetechnik sowie in Schiffen.
GEMAC war einer der ersten Anbieter von dynamischen Neigungssensoren und hat viel Knowhow auf diesem Gebiet aufgebaut. Wir nutzen unser Wissen über die Anwendung und die Physik des Sensors für die Sensorfusion und verkaufen nicht nur einen ‚dummen‘ Sensor mit Kalman-Filter als rein mathematisches Modell. Stattdessen verwenden wir einen selbst entwickelten Sensor-Fusions-Algorithmus, der klassische Filter wie Komplementär- oder Kalman-Filter hinsichtlich Genauigkeit und Performance übertrifft. Auch im Bereich Feldbusdiagnose setzen wir Leistung und Kundennutzen an erste Stelle. Ziel ist die einfache vergleichbare Bewertung sämtlicher physikalischer Busparameter. Wir verwenden die gleiche Software auf dem Gerät und auf dem PC. Es ist also keine Umgewöhnung erforderlich und das Tool ist mobil sowie stationär einsetzbar. Unser Feldbusdiagnosegerät arbeitet mit einem abgesetzten Messkopf und hat kurze Messleitungen, um das Bussignal nicht zu beeinflussen.
Die konfigurierbare Sensor-Messeinheit GEMAC MOTUS ermöglicht die 6-Achs-Bewegungserfassung an mobilen Power-Maschinen. Drei Produktlinien mit drei verschiedenen
Performance-Klassen bieten für jede Anwendung die passende Lösung.
Welche Produkte entwickelt und fertigt GEMAC für den Baubereich?
Tilo Rothkirch: Unser gesamtes Sensorsortiment GEMAC MOTUS ist im Baubereich einsetzbar. Verschiedene Varianten decken unterschiedliche kundenspezifische Anforderungen ab. GEMAC MOTUS heißt die Premiumvariante, verbaut in einem Zinkdruckgussgehäuse. Der Sensor mit 6-Achs-Bewegungserfassung erzielt eine extrem hohe Genauigkeit von bis zu ±0,1° (statisch) und ±0,25° (dynamisch). Das Besondere dabei ist der von GEMAC entwickelte Sensor-Fusions-Algorithmus mit dem speziell auf Bewegungserfassung optimierten ‚Enhanced Kalman Filter‘, der die hochgenaue Orientierungsberechnung übernimmt. Den GEMAC MOTUS gibt es in drei Grundtypen in verschiedenen technischen Ausprägungen: Einmal den XB/XC als Inertiale Messeinheit (IMU) mit Erfassung von statischer/dynamischer Neigung, Beschleunigung und Drehrate, dann die Version IB als Inertiale Messeinheit (IMU) mit Erfassung von Beschleunigung und Drehrate und drittens die Variante NB/NC als dynamischen Neigungssensor.
Der GEMAC MOTUS Blackline bildet die Basisvariante im Kunststoffgehäuse. Die höchste Genauigkeit beträgt bis ±0,1° (statisch) und bis ±0,5° (dynamisch). Auch die Blackline arbeitet mit dem Gemac-eigenen ‚Enhanced Kalman Filter‘. Wir bieten den Sensor in drei Grundtypen an: XB/XC als Inertiale Messeinheit (IMU) mit Erfassung von statischer/dynamischer Neigung, Beschleunigung und Drehrate, NB/NC als dynamischen Neigungssensor und SB/SC als statischen Neigungssensor.
GEMAC MOTUS Greenline nennen wir die Kosten-Nutzen-orientierte variable Kompaktvariante im Kunststoffgehäuse. Es gibt zwei Standard-Gehäusevarianten für eine 2- oder 4-Punktmontage. Die Genauigkeit beträgt ±0,1° bis ±0,5 (statisch) und bis ±0,8° (dynamisch). Auch die Greenline bieten wir in drei Grundtypen an: XE als Inertiale Messeinheit (IMU) mit Erfassung von statischer/dynamischer Neigung, Beschleunigung und Drehrate, NE als dynamischen Neigungssensor und SE als statischen Neigungssensor.
Neben den Sensoren sind auch unsere Feldbusdiagnosegeräte für den Baubereich einsetzbar, da in vielen Maschinen CAN-Bus eingesetzt wird. Auch viele von uns bestückte Leiterplatten arbeiten in Baumaschinen.
Welche speziellen Anforderungen an Sensoren stellt der Einsatz in Baumaschinen?
Tilo Rothkirch: Es wirken viele äußere Einflüsse wie Bewegung, Unebenheiten, Verschmutzungen, Vibrationen, Schläge, ruckartige Drehungen, Temperaturschwankungen etc. GEMAC MOTUS als Power IMU ist ein robustes und präzises Messinstrument, welches die gestellten Messaufgaben auch unter diesen anspruchsvollen und rauen Bedingungen über viele Jahre hinweg mit höchster Zuverlässigkeit erfüllt. Beim Gemac Motus ermöglicht unser selbst entwickelter Algorithmus die hochgenaue Orientierungsberechnung und korrigiert nicht lineare Störgrößen; unterstützt durch Sensorfusionsfilter, die extern wirkende Beschleunigungen unterdrücken. Die Sensoren liefern so bei sehr dynamischen Anwendungen und dauerhafter Bewegung einer mobilen Maschine noch zuverlässigere Werte. Zudem besitzen unsere Sensoren robuste Gehäuse, je nach Produktlinie aus Zinkdruckguss oder Kunststoff, welche mit Polyurethan vergossen sind.
Welche Vorteile bietet die GEMAC MOTUS-Serie für Baumaschinenhersteller?
Tilo Rothkirch: Die Sensoren verfügen über eine automatische Konfiguration der Anbaulage und eine flexible Nullpunkteinstellung. Alle Produktlinien sind für fünf verschiedene Schnittstellen verfügbar: für die analogen Interfaces Strom und Spannung sowie für die digitalen Schnittstellen CAN, CANopen und SAE J1939. GEMAC MOTUS Blackline und GEMAC MOTUS Greenline sind für kundenspezifische Projekte auch in verschiedenen Farben erhältlich.
Ein wesentlicher Vorteil ist zudem, dass durch die Kombination und Verrechnung aller Messwerte direkt in der Messeinheit nur noch ein Messsystem für unterschiedlichste Anforderungen in der mobilen Applikation integriert werden muss. Die über ein Programmier-Kit sehr komfortabel parametrierbaren Sensor-Messeinheiten ermöglichen es dem Anwender, seine Applikationen optimal mit den Sensoren auf die bestehenden technischen Anforderungen abzustimmen.
GEMAC wirbt mit „Made in Germany“. Welchen Kundennutzen hat die heimische Entwicklung und Fertigung?
Tilo Rothkirch: GEMAC entwickelt alle Produkte im Bereich Sensoren und Feldbusdiagnosegeräte selbst – und das seit über 30 Jahren. Jeder Sensor wird werkseitig kalibriert und ist auf Wunsch mit einem Genauigkeitszertifikat erhältlich. Die Produkte können je nach Anwendung kundenspezifisch vorkonfiguriert werden. Eine ausgiebige Erstberatung, um das passende Produkt für den Kunden zu finden, ist bei uns selbstverständlich. Wir bieten ebenfalls Unterstützung bei der Bemusterung beim Kunden. Die Qualität des Supports ist damit sehr hoch. Zudem leisten wir bei Bedarf Hilfe bei der Implementierung der Sensoren.
Im Bereich Feldbusdiagnose bieten wir ein einzigartiges physikalisch messendes Gerät mit direkter Qualifizierung der Signalqualität. Die intuitive Bedienung erfolgt wie von Tablet und Smartphone gewöhnt. Auch hier ist die Qualität des Supports sehr hoch. Wir leisten Hilfe bei der Anwendung der Feldbusdiagnosegeräte, unterstützen bei der Fehlersuche oder bieten auch eine allgemeine Beratung hinsichtlich der Möglichkeiten in CAN-Anlagen.
Highlight auf der Agritechnica 2023 war der neu vorgestellte CAN-Bus Tester GT3 mit extra robustem 10“-Touch-Display.
"Mit der GEMAC Academy haben wir ein eigenes Online-Schulungsportal aufgebaut. Zusätzlich führen wir Präsenzschulungen entweder bei uns oder direkt beim Kunden durch." Tilo Rothkirch, Geschäftsführer GEMAC
Was plant GEMAC Neues?
Tilo Rothkirch: Vor allem im Bereich der Feldbusdiagnose arbeiten wir derzeit intensiv an weiteren Neuerungen und Verbesserungen. Als Erweiterung des Leistungsumfangs des GT3 ist die Integration einer OBD-II-Analyse für die funktionelle Ebene geplant. Perspektivisch soll eine komplexe Gesamtlösung für die Feldbus-Diagnostik für mobile Power-Maschinen angeboten werden, die die physikalische, die digitale sowie die funktionelle Ebene in einer Diagnoselösung vereint. Ebenfalls in Planung ist die WiFi-Anbindung des Testers sowie Messverfahren zur Feststellung des CAN-Bittimings eines Teilnehmers.
Womit haben Kunden im Bereich Sensorik/Bussysteme zu kämpfen und wie können Sie dabei helfen?
Tilo Rothkirch: Ein typisches Problem ist, dass der Kunde die in seiner Anwendung auftretenden Störeinflüsse selbst nicht kennt. In diesen Fällen kommt ihm die Erfahrung der GEMAC-Ingenieure bei der Algorithmusentwicklung entgegen. Häufig helfen auch Erkenntnisse aus der Datenauswertung bei anderen Kunden. Ebenfalls regelmäßig sind wir damit konfrontiert, dass am CAN-Bus ein Teilnehmer hinzugefügt wird, der dann für einen folgenden Ausfall des Busses verantwortlich gemacht wird. Manchmal ist dieser aber gar nicht die eigentliche Ursache und bringt gewissermaßen nur das Fass zum Überlaufen. GEMAC Chemnitz hilft hier mit seinen Feldbusdiagnosetools, die Situation zu bewerten und die eigentliche Fehlerursache zu finden.
Sie haben den CAN-Bus Tester GT3 neu vorgestellt. Welche Features bietet das Gerät?
Tilo Rothkirch: Der GT3 hat ein robustes Outdoor-Gehäuse mit VESA-Halterung. Er verfügt über ein hochauflösendes 10”-Rugged-Touch-Display als optimale Basis für raue Arbeitsumgebungen. Der große Vorteil des GT3 ist die Kombination von physikalischer Messung und Protokollanalyse, sowohl im CAN-FD als auch im klassischen CAN. Seine Einsatzgebiete sind Entwicklung, Endabnahme, Service und Fehlersuche. Das Gerät arbeitet mit einer abgesetzten Messeinheit für den direkten Anschluss am CAN-Bus ohne signalverfälschende Stichleitungen und ermöglicht Messungen auch an schwer zugänglichen Stellen. Sein hochauflösendes 12-bit-2-Kanal-Oszilloskop bietet eine umfassende Dekodierung und einstellbare Zeit- und Spannungsbereiche. Die Anpassung der Software des GT3 erfolgt je nach verwendetem Protokoll der Anwendung per Lizenzschlüssel. Möglich ist die physikalische Messung in allen CAN- und CAN-FDbasierten Protokollen. Protokollseitig unterstützen wir eine symbolische Dekodierung, CANopen, DeviceNet und SAE J1939 mit den Erweiterungen ISOBUS und NMEA2000.
Das Messsystem wird u. a. eine Erweiterung um eine Datenbanklösung für eine Vielzahl von Maschinenunterlagen wie z. B. Schaltpläne, Wartungsintervalle, Datenblätter etc. bieten. Auf physikalischer Ebene sind noch umfassendere Messungen im CAN-Bus möglich, dazu gehören Bewertungen der Signalqualität in CAN-FD sowie Bittiming-Messungen. Die Kombination aus Zweikanal-Oszilloskop mit Dekodierung und automatischer Ermittlung der Signalqualität macht den GT3 zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Fehlerbehebung, Signalanalyse, Protokollüberwachung und die Entwicklung CAN-basierter Schaltungen und Systeme.
