Intelligente Erntemaschine für Grassoden steigert Produktivität und reduziert Kosten

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"Durch Integration neuester Technik und der Leistungsfähigkeit der LabVIEW RIO Architecture entwickelte FireFly die intelligente Erntemaschine ProSlab 155, mit der die Erntegeschwindigkeit von Grassoden um bis zu 20 Prozent gesteigert und der Dieselverbrauch um 50 Prozent reduziert werden."

- Steve Aposhian, FireFly Equipment

The Challenge:
Erstellen einer leistungsstarken, automatisierten Erntemaschine, die die Grassoden zuverlässig und effizient unter unterschiedlichen natürlichen Bedingungen auf Paletten stapelt; Steigerung der Produktivität und Senken der Betriebskosten für Maschinen sowie Bereitstellen eines sicheren Internet-Gateways für die Fernüberwachung und -steuerung der Erntemaschine

The Solution:
Grassoden bis zu 20 Prozent schneller ernten mit nur der Hälfte des Dieselverbrauchs im Gegensatz zu anderen Erntemaschinen dank der intelligenten Erntemaschine ProSlab 155 sowie der Software LabVIEW und der Hardware CompactRIO

Author(s):
Steve Aposhian - FireFly Equipment

FireFly Equipment, ein Hersteller von intelligenten, automatisierten Maschinen für die Grassodenernte, entwickelte eine revolutionäre neue Erntemaschine, die ProSlab 155. Sie verbindet modernste mechanische, elektrische und softwarebasierte Systeme, die auf der LabVIEW RIO Architecture basieren. Mithilfe der NI-Plattform konnten unsere Mechatronikexperten den gesamten Entwurfsprozess schnell und nahtlos in die Maschinenautomatisierung integrieren, um rasch den Prototyp einer völlig neuen intelligenten Maschine zu erstellen und die Zeit bis zur Markteinführung deutlich zu verkürzen.

Traditioneller Ansatz

Die Grassodenernte per Hand ist noch immer weit verbreitet in der Branche. Landmaschinenhersteller arbeiten seit Jahren daran, Maschinen zu bauen, mit denen Grassoden geschnitten und gestapelt werden, um die Produktivität zu verbessern. Doch aufgrund ihres traditionellen Ansatzes arbeiten die Maschinen entweder unbeständig oder sind nur unwesentlich produktiver als manuelle Vorgehensweisen. Sie verfügen über gängige Komponenten von elektrisch betriebenen Ventilen für hydraulische Zylinder bis hin zu Motoren für die Motorsteuerung. Obwohl diese Komponenten in einfacheren Systemen zuverlässig funktionieren, sind sie weniger effektiv darin, mehrere parallele Aufgaben mit anderen Prozessen nahtlos zu synchronisieren und die komplexen mathematischen Funktionen zu errechnen, die für eine leistungsstarke Signalverarbeitung und die Hochgeschwindigkeits-Trajektorienerzeugung in der Motorsteuerung erforderlich sind. Hinzu kommt, dass eine begrenzte Datenverarbeitungsleistung und geschlossene Systemarchitekturen die Integration komplexerer Funktionalität sowie die dezentrale Überwachung und Diagnose beschränken.

Der Ansatz von FireFly

Wir waren uns dieser Nachteile bewusst und wollten eine intelligentere Maschine bauen, die in der Lage ist, mehrere parallele Prozesse zu verwalten und zu synchronisieren, um das Schneiden und Stapeln von Grassoden zu automatisieren. Dazu nimmt ein Sodenschneider die Grassode vom Boden ab und schneidet sie in Platten, die dann von einem Förderband zum hinteren Bereich der Maschine transportiert werden. Eine Greifvorrichtung, die an einem Portalkran befestigt ist, hebt die geschnittenen Platten anschließend vom Förderband auf eine Palette. Nach jeder Reihe Grasplatten, die auf der Palette gestapelt wurde, wird die Palette mithilfe einer Staplergabel gesenkt. Sobald die Palette vollständig beladen ist, wird sie auf dem Boden abgestellt und eine neue, leere Palette wird aus einem Magazin in die Halterung geschoben, sodass der gesamte Vorgang ohne Unterbrechung fortgesetzt werden kann. Ein selbstfahrender Traktor transportiert das automatisierte System über das Feld. Der Ablauf muss kontinuierlich und synchronisiert erfolgen, damit die Maschine die Grassode zuverlässig und effizient ernten und stapeln kann. Insgesamt zählt die Maschine fast 80 Analog- und Digitalsensoren sowie 100 Digitalausgänge.

Wir integrierten servoelektrische Systeme mit koordinierten Trajektoriengeneratoren für mehrere Achsen, um die effiziente, genaue und ruhige Motorsteuerung für hohe Geschwindigkeiten gewährleisten zu können, die für den komplexen Stapelprozess erforderlich ist. Die Erntemaschine kann im Jahr mehrere Millionen Stapelzyklen ausführen, wodurch Erntegeschwindigkeit und -zuverlässigkeit deutlich verbessert werden. Wir wählten traditionelle hydraulische Systeme für die weniger komplexen Aufgaben der Erntemaschine, z. B. den Sodenschneider, die Staplergabel, das Magazin und die Antriebssysteme. Um die zukünftige Entwicklung zu erleichtern, benötigten wir eine offene, flexible und leistungsstarke Plattform für den Entwurf, die Prototypenerstellung und letztlich den Einsatz der Maschine weltweit.

LabVIEW RIO Architecture

Mithilfe von LabVIEW und der CompactRIO-Plattform waren wir in der Lage, traditionelle hydraulische und servoelektrische Systeme auf einer Maschine zu vereinen, um viele komplexe parallele Aufgaben durchzuführen. Die modulare I/O von CompactRIO ermöglicht es Anwendern, eine große Bandbreite von Sensortypen und Industrieprotokollen flexibel zu integrieren. Der Echtzeit-Controller und das rekonfigurierbare FPGA-Chassis von CompactRIO stellen zusammen eine benutzerdefinierbare Plattform für komplexe, stark synchronisierte Steuer- und Regelsysteme dar. Die inhärente Fähigkeit der Software LabVIEW, viele parallele Schleifen auf dem FPGA und dem Echtzeit-Controller auszuführen, ihre große Auswahl an komplexen mathematischen Funktionen und ihre Integration mit dem LabVIEW SoftMotion Module sowie den AKD-Antrieben und -Motoren von Kollmorgen machen aus ihr eine leistungsfähige Software, mit der sich alle Aspekte einer intelligenten Maschine steuern lassen. Hinzu kommt, dass die offene und flexible Natur von LabVIEW die Implementierung zuverlässiger Kommunikationsarchitekturen für lokale Bedienoberflächen sowie die zentralisierte Ressourcenverwaltung, Diagnose und dezentrale Updates unterstützt. Diese Funktionen gewinnen an Bedeutung, sobald die Erntemaschinen weltweit zum Einsatz kommen und gewartet werden müssen.

Abb. 1: Dank der Flexibilität von LabVIEW konnten vier Maschinenbauer die intelligente FireFly-Maschine in nur sechs Monaten entwickeln.

Abb. 2: In dieser Maschine wird alles von CompactRIO gesteuert, darunter 40 hydraulische Ventile, fünf Hochleistungsmotorachsen, über 150 analoge und digitale I/O-Kanäle, die Bedienoberfläche und mehr als 30 parallele Regelschleifen, sodass sich separate Subsysteme erübrigen.

Vorteile der Lösung

Durch Integration neuester Technik und der Leistungsfähigkeit der LabVIEW RIO Architecture entwickelten wir die intelligente Erntemaschine ProSlab 155, mit der die Erntegeschwindigkeit von Grassoden um bis zu 20 Prozent gesteigert und der Dieselverbrauch um 50 Prozent reduziert werden. Diese Vorteile machen sich in einem höheren Umsatz und wesentlichen Kosteneinsparungen bei kommerziell arbeitenden landwirtschaftlichen Betrieben bemerkbar. Seit die Erntemaschine ProSlab 155 2014 vorgestellt wurde, haben wir einen enormen Zuspruch am Markt erfahren und erweitern nun die Produktionsanlagen, um die steigende Marktnachfrage decken zu können. Dabei investieren wir weiterhin in die Bereiche Forschung und Entwicklung, um das industrielle Internet der Dinge voranzutreiben. Somit ist FireFly gut aufgestellt, um die LabVIEW RIO Architecture zu nutzen und seinen Kunden einen Mehrwert zu bieten.

Abb. 3: Mit FireFly wurde das Stapeln von Grassoden erfolgreich automatisiert. So konnten Produktivität und Zuverlässigkeit verbessert werden.

Abb. 4: Bei dieser Maschine wurde u. a. das Verwalten und Synchronisieren mehrerer paralleler Abläufe automatisiert, z. B. das Schneiden der Grassoden und das saubere Stapeln auf Paletten, die anschließend abgesenkt werden.

Author Information:
Steve Aposhian
FireFly Equipment

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