Hybridipyöräkuormaajan ohjausarkkitehtuurin suunnittelu ja toteutus

Abstract

Päästöjen vähentäminen tulee olemaan yksi työkoneteollisuutta ohjaavista tekijöistä tulevaisuudessa. Sähköistäminen, hybridisaatio sekä vaihtoehtoiset polttoaineet nähdään helposti toteutettavina ratkaisuina päästöjen vähentämiseksi. Tampereen yliopistossa on valmisteilla sähkö–diesel-sarjahybridi hybridityökoneiden tutkimuksen edistämiseksi. Tässä työssä osallistutaan tämän demonstraatiotyökoneen kehittämiseen suunnittelemalla ja toteuttamalla koneen ohjausjärjestelmän arkkitehtuuri. Työn tavoitteita ovat fyysisen arkkitehtuurin muodostaminen ja ohjelmistomoduulien määrittäminen työssä valittaville ohjelmoitaville logiikoille sekä niiden kommunikaatiorajapintojen määrittäminen. Lisäksi työssä on tarkoitus dokumentoida menetelmä ohjausalgoritmien mallipohjaiselle kehittämiselle kohdejärjestelmällä. Työssä ei keskitytä ohjausalgoritmien kehittämiseen tai testaamiseen. Työ jakaantuu kahteen osaan. Kirjallisuustutkimusosa käsittelee systeemi- ja ohjausjärjestelmäsuunnittelun kehitysprosesseja, ohjausjärjestelmän arkkitehtuuriin valintaan vaikuttavia tekijöitä sekä CAN-väylää ja sen kahta ylemmän tason standardia: J1939 ja CANopen. Tämän jälkeen toteutusosassa toteutetaan työn tavoitteet ja esitetään lopuksi jatkokehitystarpeet.

Systeemisuunnittelun näkökulmasta työssä esitellään mekatronisten järjestelmien kehitysprosessina VDI 2206 -viitemalli. Arkkitehtuurin suunnittelussa pyritään noudattamaan viitemallin käytäntöjä esimerkiksi tekemällä vaatimusten määrittelyprosessi mahdollisimman perusteellisesti. Suurimmaksi haasteeksi muodostui vaatimusten yksityiskohtainen määrittäminen, johon viitemallin mukainen päätöksenteko nojaa. Arkkitehtuuriin liittyen varsinkin ohjelmoitavien logiikkojen laskentatehoille vaatimusten asettaminen oli haastavaa, koska järjestelmällä halutaan testata erilaisia ohjausalgoritmeja. Ohjausjärjestelmäsuunnittelun näkökulmasta työssä esitetään mallipohjaisen työkierron prosessi. Prosessimallin SIL-, HIL- ja IIL- testausmenetelmistä koettiin olevan merkittävä hyöty kommunikaatiorajapintojen ohjelmoinnissa.

Ohjausjärjestelmän arkkitehtuurin valintaa eniten ohjaaviksi tekijöiksi löydettiin laskentatehovaatimus ja ohjausjärjestelmään kytkettävien laitteiden määrä, jotka riippuvat puolestaan järjestelmältä halutuista toiminnallisuuksista. Myös modulaarisuus, pilviliitännäisyys sekä toiminnalliseen turvallisuuteen liittyvä lainsäädäntö tunnistettiin valintaan vaikuttaviksi tekijöiksi. Perustavanlaatuiseksi valinnaksi arkkitehtuurisuunnittelussa todettiin hajautusasteen määrittäminen. Verrattuna ajoneuvoteollisuuden käyttämiin Ethernet-pohjaisiin tiedonsiirtoratkaisuihin, työkoneiden ohjausjärjestelmän arkkitehtuurivaihtoehtoja rajaa lisäksi CAN-väylän rajallinen baudinopeus. CAN-väylää käytettäessä hajauttamista kannattaakin lähestyä hajauttamalla sellaisia toimintokokonaisuuksia, joiden välillä ei tarvita merkittävästi tiedonsiirtoa.

Demonstraatiotyökoneeseen valittu ohjausarkkitehtuuri ei edusta hajautusasteen kumpaakaan ääripäätä. Tutkimuksen kannalta oleelliset toiminnallisuudet päätettiin keskittää ja loput hajauttaa. Päätöstä ohjasi ajatus siitä, että tutkimuksenaikainen ohjelmistokehitys voidaan toteuttaa yhdelle logiikalle, eikä kommunikointirajapintoja tai muita logiikoita tarvitse muuttaa. Tällöin muutosten tekeminen on nopeaa, eivätkä muutokset myöskään riko yhtä helposti muita toiminnallisuuksia. Koska laskentateholle ei voitu asettaa vaatimusta, pyrittiin arkkitehtuurista lisäksi tekemään mahdollisimman modulaarinen. Arkkitehtuurissa CAN-väyläliitännäiset komponentit yhdistettiin ohjausjärjestelmään käyttäen kuutta eri CAN-väylää. Väylien määrään vaikutti erityisesti hybriditopologian inventterien vaatima kaista, mutta myös joidenkin komponenttien baudinopeudet, joita käyttäjä ei voinut valita. Mikäli baudinopeudet olisi voitu asettaa kaikille laitteille samaksi, ei laitteiden ylempi CAN-standardi olisi rajoittanut komponenttien sijoittelua samaan väylään työssä esitettyjä muutamia huomioita lukuun ottamatta. Demonstraatiotyökoneen valmistuttua arkkitehtuurin validointi tulee viedä loppuun muun muassa tarkistamalla väylien kuormitustasot.