Titel der Präsentation

Bild: Bosch Rexroth

Als Spezialist für Kettenreaktionen der elektronischen Art präsentierte sich Dr.-Ing. Andreas Grob-Leopold von der Bosch Rexroth AG in Elchingen auf dem Freitagskolloquium des Institutes für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) an der RWTH Aachen. Der Produktmanager für Mobilelektronik ist verantwortlich für die Tool-Kette, die Bosch Rexroth und Kunden zum Entwickeln von Steuerungsfunktionen nutzen.

Das Unternehmen beschäftigt sich mit Steuerungen für mobile Arbeitsmaschinen, weil sich auch in diesem Bereich ein Trend zur Elektronifizierung abzeichnet. Das Auto hat diese Entwicklung eingeläutet: So verfügt ein tpyischer Pkw heute im Schnitt über 60 elektronische Steuerungen, von Experten Electronic Control Unit oder kurz ECU genannt. Ein neuer Traktor ist mittlerweile mit fünf ECU und ein aktueller Bagger mit einem ECU bestückt.

Grob-Leopold: „Grundsätzlich geht es bei Arbeitsmaschinen darum, die Automatisierung weiter voran zu treiben.“ Da gehe es beispielsweise um selbstfahrende Traktoren oder neue Bedienkonzepte für Bagger (Koordinatensteuerung des Baggerarms). Die Elektronik und ihre Programme bieten sich für Fahrzeughersteller an, die so Produkte mit Funktionen ausstatten können, die sich mit Mechanik nicht oder nur sehr schwer realisieren ließen. Doch mit der Zunahme an Elektronik im Fahrzeug steigt auch die Komplexität beim Entwickeln der Hard- und Software.

Um das Engineering zu vereinfachen, setzt das Unternehmen auf sein ‚Bosch Rexroth Design and Application System (BODAS)‘. Dieser modulare Baukasten besitzt eine Vielzahl an stardardisierten, aufeinander abgestimmten Bausteinen, die zum Steuern mobiler Arbeitsmaschinen erforderlich sind.

Im Mittelpunkt stehen die auf Mikroprozessortechnik basierenden Steuergeräte (Konfiguration: 16 und 32 bit) für einen breiten Anwendungsbereich. Hinzu kommt ein großes Produktprogramm an Sensorik (unter anderem für Temperatur-, Druck- und Drehzahl-Erfassung). Zum Bedienen verfügt BODAS über eine Vielzahl an Geräten wie Joysticks und Displays. „Als Mittel zum Zweck gibt es Software in unterschiedlichen Varianten als Standardlösungen aber auch als Ausgangspunkt für Eigenentwicklungen“, erklärte der Produktmanager.

Hinzu kommen entsprechende Tools zum Entwickeln und Testen der Programme und Funktionen. Als Pluspunkt sieht der Experte, dass Rexroth einen Teil des BODAS-Spektrums aus dem Verbund mit der Mutter Bosch ableiten kann. So entstehen die Steuergeräte zwar in eigener Regie, Rexroth bediene sich aber beim Entwickeln aus dem Bosch-Elektronikbaukasten für Automobile. Grob-Leopold: „Das Ganze besitzt den Charme eines Konzeptes mit einem hohen Anteil an Gleichteilen, die auch Bosch-Werke in hohen Stückzahlen fertigen. So wird ein Drehzahlsensor original aus dem Bosch-Portfolio übernommen.“

Angaben in einer zentralen Datenbank

Steuerungen (ECU)

Ein neuer Traktor ist mittlerweile mit fünf elektronische Steuerungen (ECU) und ein aktueller Bagger mit einem ECU bestückt.

Doch wie nutzt Rexroth die Standardisierung nun intern beim Entwickeln? Die Mitarbeiter nutzen eine Software-Plattform, um mit Hilfe von standardisierten Programmen mit möglichst geringem Änderungsaufwand individuelle Lösungen zu entwickeln. So umfasst eine Software für das BODAS-Steuergerät unter anderem den Fahrantrieb für mobile Arbeitsmaschinen und das Management für verschiedene Getriebevarianten.

Diese Steuerungssoftware genügt dank der entsprechenden Sicherheitsfunktionen auch den Anforderungen für funktionale Sicherheit gemäß ISO 13849, so dass sie den Standardumfang bereits abdeckt. Die Software ist modular aufgebaut. „Das ist im Prinzip ein Puzzle“, sagte der Produktmanager. „Wir können damit beispielsweise eine Software-Plattform für den Fahrantrieb kreieren. Kleinere Module lassen sich dabei leicht austauschen, denn sie folgen einer bestimmten Architektur.“

Die EDV-Architektur gibt quasi die Form und die Schnittstellen der Software-Puzzleteilchen vor. Damit alle Programmierer weltweit immer auf den gleichen, aktuellen Entwicklungsstand zurückgreifen, befinden sich die dazu nötigen Angaben in einer zentralen Datenbank. Aufgrund der guten Erfahrungen mit dieser einheitlichen Struktur empfahl der Experte den Zuhörern, sich beim Entwickeln einer neuen Produktlinie das Konzept am Anfang sehr gut anzusehen, weil „man später aus dem Korsett einer EDV-Architektur schwierig ausbrechen kann“.

Bosch Rexroth Design and Application System (BODAS)

Das ‚Bosch Rexroth Design and Application System (BODAS)‘ besitzt eine Vielzahl an stardardisierten, aufeinander abgestimmten Bausteinen, die zum Steuern mobiler Arbeitsmaschinen erforderlich sind.

m Mittelpunkt steht ein sogenanntes Programmier-Interface etwa mit der Software für den Anschluss an den CAN-Feldbus und für den Zugang zum Betriebssystem, auf die sich die interne EDV-Architektur abstützt. Über sogenannte generische Schnittstellen lassen sich Anwenderprogramme anschließen, die dann beispielsweise Daten aus der Sensorik, Aktorik oder dem Steuergerät für Diagnosezwecke nutzen. Die Diagnose-Software leitet die Ergebnisse dann an andere Komponenten weiter.

In dem Modulbaukasten stößt der Entwickler bei seiner Suche nach Standards beispielsweise auf Begriffe wie DrvPedl. Das Kürzel steht für Drivepedal und beschreibt das Fahrpedal. „Hinter allen diesen Abkürzungen steckt eine einheitliche Konvention“, betonte Dr.-Ing. Andreas Grob-Leopold. „Wir orientieren uns an der sogenannten AUTOSAR-Schnittstelle. Dabei handelt es sich um das Paradebeispiel für sogenannte service-orientierte Architekturen (SOA), die verknüpfte, wiederverwendbare Anwendungen unterstützen. Die Rede ist von AUTOSAR. Das Kürzel steht für AUTomotive Open System ARchitecture.“

Dieser weltweiten Entwicklungspartnerschaft von Autoherstellern mit der Elektronik- und IT-Industrie gelang es, den Austausch von Software auf verschiedenen Steuergeräten im Pkw erheblich zu erleichtern. AUTOSAR entwickelte Methoden, die sicherstellen, dass sich Softwarekomponenten wieder verwenden, austauschen, skalieren und integrieren lassen. „Wer sich mit AUTOSAR auskennt, findet sich in unserem System ebenfalls sehr schnell zurecht“, sagte der Produktmanager.

Dr.-Ing. Andreas Grob-Leopold

„Das Modell deckt die Realität sehr gut ab. Unsere Entwickler können daher die Software ohne Zugriff auf das Fahrzeug optimieren.“
Dr.-Ing. Andreas Grob-Leopold, Bosch Rexroth

Mit dem Baukasten lasse sich beispielsweise die Wirkkette eines hydrostatischen Fahrantriebs schnell und einfach darstellen. Am Anfang der Kette stellt ein Potentiometer das angeschlossene Fahrpedal dar. Grob-Leopold: „Über die Konfiguration der Hardware wird die Information der Funktion Drivepedal eingelesen. In diesem Moment wandelt sich der Stellwert des Potentiometers als interpretierbare Größe in eine prozentuelle Angabe.“ Diese Information wertet dann ein Software-Modul namens Drive-Demand (Fahrerwunsch) aus und leitet sie über den Baustein Powertrain (Antriebstrang) an das Antriebs- und Motormanagement weiter. Am Schluss folgt die Ansteuerung der hydrostatischen Pumpe und eventuell auch die Ansteuerung des Getriebes.

Funktionelles Modell geht einen Schritt weiter

„Das Ganze ist dann das zusammengesetzte Puzzle“, erklärte der Produktmanager. Wenn das Fahrsignal dagegen über einen CAN-Feldbus eingelesen werden soll, dann müssen die Entwickler nur ein einziges Detail ändern – der Rest bleibt gleich. Das Ganze funktioniere aber nur, wenn die EDV-Architektur (Beispiel AUTOSAR) bei allen beteiligten Komponenten immer nach dem gleichen Schema ausfällt. Grob-Leopold: „Wir verfügen im Haus über einen Mitarbeiter, der sich nur mit der Pflege der Architektur beschäftigt. Wenn eine neue Komponente hinzu kommt, sucht der Mitarbeiter einen geeigneten Platz und definiert den Namen plus Schnittstelle.“ Nur so lasse sich sicherstellen, dass das Puzzle auch künftig zusammenpasst.

Matlab/Simulink-Version

Jedes Modul aus dem statischen Modell liegt als virtuelle Matlab/Simulink-Version vor. Es lässt sich eine sogenannte Software-in-the-Loop-Simulation durchführen, bei der ein Programm (Software) im Zusammenspiel mit nur virtuell existierenden Modellen (in-the-loop) getestet wird.

Noch einen Schritt weiter als das statische Modell geht die funktionelle Version. Es bildet zusätzlich auch noch die Fahrumgebung virtuell ab. Die Konstrukteure nutzen es für die modellbasierte Entwicklung. Dazu liege jedes Modul aus dem statischen Modell als virtuelle Matlab/Simulink-Version vor. Das heißt: Es lässt sich eine sogenannte Software-in-the-Loop-Simulation durchführen, bei der ein Programm (Software) im Zusammenspiel mit nur virtuell existierenden Modellen (in-the-loop) getestet wird. Dr.-Ing. Andreas Grob-Leopold: „Jeder unserer Entwickler weltweit, der dieses Funktionsmodul bearbeitet, kann über eine virtuelle Stimulierung das Verhalten des Softwaremoduls Fahrpedal testen, prüfen, und modifizieren.“

Die Methode hat Rexroth beispielsweise bei der neuen Hydraulikpumpe A4VG ET mit elektronischer Direktansteuerung genutzt, die auf der virtuellen Versuchsstrecke im Zusammenspiel mit allen Komponenten (von der Schlauchung, dem Verstellgetriebe bis zum Steuergerät) in einem Teleskoplader getestet wurde. Das Ergebnis der Simulation sind Schwenkwinkel und Förderstrom. Grob-Leopold: „Das Modell deckt die Realität sehr gut ab. Unsere Entwickler können daher die Software ohne Zugriff auf das Fahrzeug optimieren.“

Matlab/Simulink nutzt Rexroth aber auch zur Integration seiner Modelle in ein komplettes Fahrzeugsystem, so dass der Entwickler auch die Reaktion des gesamten Fahrzeugs auf sein Modul simulieren kann. Der positive Nebeneffekt: Die Steuercodes für die Steuergeräte müssen nicht mehr mühsam von Hand erstellt werden.

Der Codegenerator wandelt nämlich die Steuerbefehle der Matlab/Simulink-Modellen automatisch in SPS- oder C-Codes um. Grob-Leopold: „Wir generieren zwar die Codes der einzelnen Module, aber noch nicht die Codes für das gesamte Puzzle. Es gibt aber noch manuellen Aufwand für die Integration in eine Produktumgebung. Eine niederländische Hochschule in Arnheim hat eine Lösung entwickelt, um aus Matlab/Simulink heraus einen sogenannten ‚embedded code‘ für unsere Steuergeräte zu erzeugen.“

Autor: Nikolaus Fecht, freier Journalist