Hochschule Niederrhein
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Studiengang Mechatronik

Entwicklung und Gestaltung eines
rechnergesteuerten Dauerteststands von
Hydraulikaggregaten für die
Bahnüberwegsicherungstechnik

Diplomarbeit

von Christian Häsel

Oktober 2002

ZUSAMMENFASSUNG
Diese Diplomarbeit befasst sich mit dem Ziel, einen Dauertest für Schrankenantriebe zu entwickeln, in dem die Aggregate mit einer am Schrankenbaum vorkommenden Belastung geprüft werden. Der Dauertest soll entwickelt werden, um aus Gründen der Sicherheit Frühausfälle noch vor der Auslieferung zu detektieren. Der Schrankenantrieb HSM 10 E ist Teil der BUES 2000, einer voll rechnergesteuerten Anlagentechnik für Bahnübergänge.

Der Prüfstand soll aus einem Steuer-PC bestehen, der via CAN-Bus die zu testenden Aggregate sowie die mechanische Last ansteuert. Für die Aggregate soll eine mechanische Aufhängung konzipiert werden. Zu Diagnosezwecken ist eine Protokollierung der Telegramme auf dem CAN-Bus gefordert. Der Prüfstand soll später in einem Klimaschrank installiert werden, daher ist auf Masse und Bauraum zu achten. Es ist gefordert, die Prüflinge verschiedenen Teiltests zu unterziehen, wie Stresstest, Ruhephase und Lasttest.

Als Prinzip für die mechanische Belastung der Prüflinge ist eine Wippe gewählt, auf deren beider Seiten ein Schrankenantrieb eingespannt ist. Mittels Sonderfunktionen ist es möglich einen Schrankenantrieb als Lastaggregat zu betreiben. Hierbei ist darauf zu achten, dass es durch Fremdverwendung zu keinerlei Schäden am Lastaggregat kommen kann.

Durch Einsetzen des „gläsernen“ Aggregats auf einer Seite der Wippe und mit dem Durchlaufen aller vorgesehenen Belastungsvorgänge lassen sich letzte Zweifel ausräumen, dass durch Ölvergasung oder Kavitation die Prüflinge beschädigt werden könnten. Das Programm {Dauerteststand.vi} steuert daher die Aggregate von bis zu vier Wippen so über den CAN-BUS an, dass jedes Aggregat mal als Last und mal als Prüfling betrieben wird. Zu Diagnosezwecken protokolliert ein weiterer PC sämtlichen Datenverkehr auf dem CAN-Bus, der auch Sondermeldungen des Steuerprogramms enthält, so dass das Diagnoseprotokoll leichter zu lesen ist.

ABSTRACT
During the work described in this diploma thesis an endurance test for railroad gate drives has been developed. In this test the aggregates at the gate are checked with loads occuring in normal operation. The endurance test will be applied for security reasons to detect failures before the delivery of the drive. The barrier drive HSM 10 E is part of the BUES 2000, a fully computer controlled equipment technology for railroad crossovers.

The test bench consists of a control PC, that controls the units under test as well as the mechanical load via CAN bus. A mechanical suspension for the aggregates has to be planned. For diagnostic purposes a logging of the telegrams on the CAN bus is demanded. The test bench is later to be installed in a climatic cabinet, therefore attention must be paid to its mass and dimensions. It is required to subject the units under test under different section tests like the stress test, the phase of rest and the load test.

A rocker is selected as principle for the mechanical load of the units under test, on whose both sides a gate drive is clamped. By means of special functions it is possible to let a railroad gate drive operate as load aggregate. Measures were to take to avoid damage to the load aggregate during the non standard use.

By going through all intended load procedures using the “glassy” railroad gate drive on one side of the rocker it can be verified that the units under test are not damaged by oil gasification or cavitation. The program {Dauerteststand.vi} controls the aggregates from up to four rockers via the CAN bus in such a way that each aggregate is operated alternative as load drive and as unit under test. A further PC logs all data traffic on the CAN bus for diagnostic purposes. The log contains the control messages and also special CAN messages of the control program, so that the diagnostic protocol can be read more easily.

SAMENVATTING
Dit afstudeerwerk had als doel, een duurtest voor spoorboomaandrijvingen te ontwikkelen, zodat de aggregaten met een aan een spoorboomsaandrijving overeenkomende belasting getoetst kunnen worden. Deze duurtest is ontwikkeld om een vroegtijdige uitval nog voor aflevering te detecteren en daarmee extra zekerheid in te bouwen. De spoorboomaandrijving HSM 10 is deel van de BUES 2000, een geheel computerbestuurde installatietechniek voor spoorwegovergangen.

De proefstand bestaat uit een besturings-PC, die via CAN-bus de te testende aggregaten alsook de mechanische last aanstuurt. Voor de aggregaten moest een mechanische ophanging ontwikkeld worden. Ten behoeve van de diagnose was ook een protokollering van de telegrammen op de CAN-bus vereist. De teststand zal later in een klimaatkast geïnstalleerd worden, vandaar dat ook voor een geringe massa en een kleine bouwruimte gezorgd moest worden. De proefaggregaten moesten aan verschillende deeltests te onderworpen worden, zoals een stresstest, een rustfase en een last-test.

Als principe voor de mechanische belasting van de proefaggregaten is een wip gekozen, waarop aan beide kanten een spoorboomaandrijvingen ingespannen is. Middels extrafuncties is het mogelijk, een spoorboomaandrijving als lastaggregaat te bedrijven. Daarbij moet erop te gelet worden, dat door niet standaard gebruik geen beschadigingen aan de lastaggregaat kan optreden.

Door inzetten van een “glazen” aggregaat op één kant van de wip en met het doorlopen van alle geplande belastingsprocessen kunnen de laatste onzekerheden worden weggenomen, dat door olievergasing of cavitation de proefaggregaten kunnen beschadigd worden. Het programma {Dauerteststand.vi} bestuurt vandaar de aggregaten met tot vier wippen via de CAN-bus aan, waarbij iedere aggregaat een keer als lastaggregaat en een keer als proefaggregaat wordt bedreven. Ten behoeve van diagnose protocolleert een verdere PC het hele dataverkeer op de CAN-bus, die ook extramededelingen van het besturingsprogramma bevat, zodat het diagnoseprotocol gemakkelijker te lezen is.

INHALTSANGABE

Zusammenfassung ... III

Abstract ... IV

Samenvatting ... V

Inhaltsangabe ... VI

1 Einleitung ... 1
1.1 Motivation ... 1
1.2 Aufgabenstellung ... 1
1.2.1 Inhalt der Diplomarbeit ... 2
1.2.2 Bedingter Inhalt der Diplomarbeit ... 5

2 Voraussetzungen ... 6
2.1 Das Bahnübergangssystem ... 6
2.2 Prinzipien der mechanischen Belastung ... 8
2.2.1 Zwei Aggregate prüfen sich gegenseitig ... 9
2.2.2 Ein Aggregat wird von einem modifizierten Gut-Aggregat geprüft ... 10
2.2.3 Ein Aggregat wird von einem externen Hydraulikzylinder geprüft ... 11
2.2.4 Mechanische und elektrische Alternativen oder Ergänzungen ... 12
2.3 Favorisiertes Prinzip ... 13
2.3.1 Mögliche Ausschlusskriterien ... 13
2.3.2 Strategie zur Klärung ... 13

3. Entwicklungsumgebung und Versuchsaufbau ... 15
3.1 Überblick ... 15
3.2 Der Schrankenantrieb HSM 10 E ... 16
3.2.1 Der Zylinder ... 16
3.2.2 Die Hydraulikpumpe mit Asynchronmotor ... 18
3.2.3 Das Steuerventil mit Schrittmotor ... 19
3.2.4 Die HSE BG ... 23
3.3 Die Wippe ... 27
3.4 Steuerung ... 28
3.4.1 CAN-Bus ... 29
3.4.2 Rechner ... 33
3.4.3 Programmiersystem LabVIEW ... 36

4 Softwareentwicklung ... 38
4.1 Programm zur Aufnahme der Kennlinien ... 39
4.1.1 Anforderungen ... 39
4.1.2 Programmstruktur ... 39
4.1.3 Spezielle VIs ... 42
4.2 Programm zur Simulation der Schrankenlast ... 43
4.2.1 Anforderungen ... 43
4.2.2 Programmstruktur ... 43
4.3 Bedien- und Steuerprogramm ... 45
4.3.1 Anforderungen ... 45
4.3.2 Programmstruktur ... 46
4.3.3 Spezielle VIs ... 51
4.4 Gemeinsame Sub-VIs ... 61
4.4.1 VIs für Bewegungsabläufe ... 61
4.4.2 VIs zur CAN-Steuerung ... 65
4.4.3 VIs für die Texterzeugung ... 70
4.4.4 Sonstige VIs ... 72

5 Experimentelle Untersuchung ... 74
5.1 Aufnahme der Kennlinien ... 74
5.1.1 Kennlinien zweier Aggregate an der Wippe ... 74
5.1.2 Kennlinien des Aggregates an einer Schranke ... 76
5.1.3 Analyse und Vergleich beider Kennlinien ... 77
5.2 Rekonstruktion der Kennlinien ... 78
5.2.1 Simulation des Öffnungsvorgangs ... 78
5.2.2 Simulation des Schließungsvorgangs ... 80
5.2.3 Simulation des Ersatzschließungsvorgangs ... 81
5.3 Verträglichkeitsprüfung der Prozessparameter des Lastaggregats ... 82
5.3.1 Das „gläserne“ Aggregat ... 82
5.3.2 Suche nach verträglichen Prozessparametern ... 83

6 Schlusswort ... 85

Quellenverzeichnis ... 87
Verzeichnis der Abbildungen ... 88
Erklärung zu Zeichen und Abkürzungen ... 90

Anhang ... 91
A Liste aller verwendeten CAN-Telegramme ... 91
B Liste der Anschlüsse der Zentralen Variable ... 95

1 EINLEITUNG
Seit 125 Jahren beschäftigt sich die Firma Scheidt & Bachmann GmbH mit Eisenbahnsignalanlagen. Die ursprünglich rein mechanisch arbeitenden Anlagen wurden nach der Jahrhundertwende Schritt für Schritt mit elektromechanischen Komponenten versehen. 1990 folgte die Entwicklung einer voll rechnergesteuerten Anlagentechnik, der BUES 200. Inhalt dieser Diplomarbeit ist es, einen Dauertest für den HSM 10 E (Hydraulischer Schrankenantrieb mit modularer Bauweise für Baumlängen bis 10 Meter; elektronisch gesteuert) zu konzipieren.

1.1 MOTIVATION
Bei Bahnübergängen steht die Sicherheit an vorderster Stelle, daher werden alle Schrankenantriebe einer sorgfältigen Sicherheitsüberprüfung auf einem sogenannten „Leistungsprüfstand“ unterzogen. Danach sollen alle Aggregate dem Dauertest unterzogen werden, um Frühausfälle zu erkennen, noch bevor die Antriebe verkauft und ausgeliefert werden. Der Dauertest soll den Betrieb der Schrankenaggregate simulieren, wie er in der Praxis an einem Bahnübergang vorkommt, wie beispielsweise bei Temperaturschwankungen und Windeinflüssen. Durch den Dauerbetrieb der Hydraulikaggregate soll zusätzlich ein Einarbeiten des hydraulischmechanischen Systems stattfinden, bei dem sich z.B. die Dichtungen setzen sollen.

1.2 AUFGABENSTELLUNG
Die im Dauerteststand zu prüfenden Hydraulikaggregate sind zuvor mit einem Leistungstest auf Defekte überprüft worden. Im Dauertest sollen Frühausfälle erkannt werden, die durch die Steuerung der Aggregate (die HSE BG) detektiert und per CAN-Telegramm gemeldet werden.

Der Dauerteststand für der HSM 10 E soll im Prinzip aus folgenden Bestandteilen bestehen: Einer mechanischen Aufhängung mit elektrischen Anschlüssen für die zu prüfenden Aggregate und die mechanische Last sowie deren Ansteuerung, dazu die Ansteuerung des Prüflings über einen CAN-Bus und für Diagnosezwecke eine Protokollierung der CAN-Telegramme, die von der Steuerung sowie von den Prüf- Aggregaten gesendet werden. Später soll der Prüfstand in einer Klimakammer installiert werden, um die Einflüsse durch Temperaturänderung zu simulieren.

!! Im PDF-Dokument befindet sich an dieser Stelle eine Abbildung !!

Abb. 1.1: Inhalt der Diplomarbeit

1.2.1 INHALT DER DIPLOMARBEIT
In diesem Kapitel werden die Bestandteile der Aufgabenstellung beschrieben, die zum Inhalt dieser Diplomarbeit gehören.

ANSTEUERUNG DER PRÜFLINGE
Grundsätzlich soll die Dauerprüfung der Hydraulikaggregate 72 Stunden dauern. Möglich ist eine Einteilung in Zyklen z.B. à acht Stunden (eine Arbeitsschicht) oder dessen Vielfachem. In diesen Zyklen soll die Temperatur einmal komplett hoch, dann herunter und wieder zurück zur Umgebungstemperatur fahren. So entsteht am Anfang, etwa in der Mitte und am Ende eines jeden Zyklus ein Bereich mit Raumtemperatur, in dem, mit geringem Einfluss auf den Klimaprozess, eingegriffen werden kann, um z.B. Aggregate auszutauschen.

Die Ansteuerung der Prüflinge soll mit einem Steuer PC und dem Programmiertool LabVIEW über den CAN-Bus realisiert werden. Sie soll manuell mit allen Einzelschritten zu bedienen sein und den kompletten Ablauf des Testzyklus automatisch abarbeiten können. Die Ansteuerung soll nach folgenden Prinzipien und Phasen arbeiten:

Aufspannen

• Korrekte Einspannung feststellen und überwachen
• Schwinge muss von Hand bewegt werden können, wenn Partnerzylinder bereits eingebaut ist. Evtl. langsame Fahrt des Partnerzylinders (kleine Schritte fahren)
• Bolzen zum Befestigen der Aggregate müssen gesichert sein
• Verbinden der elektrischen Anschlüsse
• Initialisierung der HSE BG (manuell: Reset, Laufprogramm [7s oder 10s] einstellen)
• Referenzierungslauf durchführen 

Stresstest

• Minimal zwei Stunden pro Zyklus ständig hinauf und herunter fahren (Prüfling öffnet und schließt, Last bedämpft passiv oder aktiv)
• Daten protokollieren durch Diagnose PC (evtl. Fehler extrahieren) 

Ruhephase

• Etwa zwei Stunden bei steigender oder fallender Temperatur Zylinder verriegeln
• Erfassung der Temperaturkurve über die Zeit
• Protokollierung des Nachregelvorganges bei Temperaturerhöhung der HSE BG

Lasttest

- Ersatzschließen unter Last

• Die mechanische Last soll die Schrankenlast simulieren

- Öffnen des Schrankenbaumes unter erhöhter Last (z.B. Baum wird festgehalten)

• Öffnungsvorgang wie beim Stresstest nur mit größerer Last

- Schließen des Schrankenbaumes unter Last (z.B. gegen den Wind)

• Schließvorgang wie beim Stresstest mit größerer Last

- Nachregeln unter Last (gegen den Wind)

• Prüfaggregat in der unteren Endlage verriegeln
• Lastaggregat zieht mit Maximallast für ca. 3-4 min

[...]