Moderna arbetsmaskiner är fortfarande beroende av hydraulik, mekanik och en kraftkälla för att utföra själva arbetet. Det som har förändrats är hur dessa system styrs och hur information skickas mellan maskinens olika delar. Funktioner som tidigare reglerades direkt med mekaniska eller hydrauliska reglage hanteras i allt större utsträckning genom elektroniska styrsystem.
För föraren märks utvecklingen genom programmerbara joysticks, digitala displayer, sparade maskininställningar och mer exakt reglering av hydrauliska funktioner. Under ytan arbetar styrdon, sensorer, kommunikationssystem och programvara tillsammans för att omsätta förarens kommandon till mekaniska rörelser.
Tekniken förekommer bland annat i anläggningsmaskiner, skogsmaskiner, lantbruksmaskiner, materialhanteringsmaskiner och specialmaskiner för exempelvis järnvägsarbete.
Från direkt manövrering till elektroniska signaler
I äldre arbetsmaskiner kunde ett reglage vara mekaniskt eller hydrauliskt kopplat direkt till den funktion som skulle styras. När föraren flyttade en spak påverkades exempelvis en hydraulventil som styrde en cylinder.
I ett modernt elektrohydrauliskt system kan kedjan se annorlunda ut. Joysticken fungerar då som en elektrisk inmatningsenhet. När föraren rör joysticken registreras rörelsen av givare. Signalen skickas till ett elektroniskt styrdon som tolkar kommandot och styr en elektriskt manövrerad hydraulventil.
Den här konstruktionen gör det möjligt att anpassa sambandet mellan förarens rörelse och maskinens respons. En liten joystickrörelse kan exempelvis programmeras för att ge ett lågt hydraulflöde vid precisionsarbete. I ett annat arbetsläge kan styrningen ge snabbare respons.
Föraren är alltså inte längre begränsad till ett fast mekaniskt samband mellan reglage och hydraulventil.
Tillverkare av komponenter för mobil hydraulik arbetar med just denna typ av elektrohydraulisk joystickstyrning, där elektroniska reglage kombineras med programmerbara styrsystem och hydrauliska funktioner.
Joysticken har blivit en programmerbar styrenhet
En modern joystick kan styra betydligt fler funktioner än själva rörelsen hos en bom, skopa eller grävarm. Knappar, rullar och proportionella reglage kan användas för redskapsfunktioner, hydraulflöde, transmission och andra funktioner som konstruktören valt att samla i förarens reglage.
När signalerna behandlas elektroniskt går det också att förändra hur reglagen reagerar genom programvaran.
Det kan exempelvis finnas olika responskurvor. En långsammare respons kan användas när föraren behöver göra små och kontrollerade rörelser, medan snabbare respons kan passa vid återkommande lastningsarbete där större rörelser används.
På moderna grävlastare kombineras grävaggregat, frontlastare och möjlighet att använda flera typer av redskap i samma maskin. När samma maskin används för arbetsmoment med olika hydrauliska krav blir anpassningsbar elektronisk styrning särskilt relevant.
Pekskärmen är förarens gränssnitt mot styrsystemet
Displayen i en arbetsmaskin används inte längre enbart för att visa bränslenivå, temperatur och varningslampor.
I många maskiner fungerar den som ett HMI, Human Machine Interface. Det är det gränssnitt där föraren läser information från styrsystemet och gör de inställningar som tillverkaren har gjort tillgängliga.
Via displayen kan föraren beroende på maskintyp hantera exempelvis:
- hydrauliska inställningar för redskap
- förarprofiler och individuella inställningar
- arbetslägen
- information från sensorer
- serviceinformation och felkoder
- kameror och andra förarstöd.
Displayens uppgift är därför både att visa maskinens status och ge åtkomst till olika styrparametrar.
Utformningen av menyer och reglage påverkar samtidigt hur snabbt informationen går att använda. Funktioner som behöver justeras under ett arbetsmoment bör kunna nås utan långa menyvägar, medan mer sällan använda service- och systeminställningar kan ligga längre ned i strukturen.
Sparade inställningar minskar manuell omställning
Arbetsmaskiner används ofta med flera hydrauliska redskap. Dessa kan ställa olika krav på hydraulflöde, styrning och respons.
Ett redskap med hydraulmotor kan exempelvis behöva ett relativt jämnt oljeflöde. Ett annat redskap kan kräva proportionell styrning där operatören ska kunna ändra hastigheten kontinuerligt med joysticken.
Om parametrarna behöver ställas in från början vid varje redskapsbyte ökar antalet manuella moment och risken för att maskinen används med fel inställningar.
Elektroniska styrsystem gör det möjligt att lagra återkommande konfigurationer. När samma redskap används igen kan parametrarna hämtas fram utan att varje inställning behöver matas in på nytt.
Hos Lännen kan exempelvis inställningar för arbetsmoment, redskap och förare sparas i displayen. M-serien använder också en 10-tums pekskärm för åtkomst till maskinens inställningar.
Det här är ett konkret exempel på hur digital styrning används i en arbetsmaskin. Programvaran ersätter inte hydrauliken, utan används för att lagra och styra de parametrar som bestämmer hur hydrauliken ska reagera.
Elektronik och hydraulik arbetar i samma reglerkedja
Att fler funktioner styrs elektroniskt innebär inte att hydrauliken får en mindre roll. Elektroniken bestämmer hur systemet ska reagera och hydrauliken utför själva arbetet.
En förenklad reglerkedja kan se ut så här:
Föraren rör joysticken. En givare registrerar rörelsen och skickar en elektrisk signal. Styrdonet behandlar signalen och skickar ett kommando till en elektriskt styrd ventil. Ventilen reglerar oljeflödet till en cylinder eller hydraulmotor. Sensorer kan samtidigt skicka information tillbaka till styrsystemet.
Återkopplingen ger styrsystemet information om maskinens aktuella tillstånd.
Beroende på konstruktionen kan sensorer bland annat mäta hydraultryck, temperatur, position, varvtal och andra driftsparametrar. Styrsystemet kan sedan använda informationen för reglering, övervakning eller diagnostik.
CAN-buss låter flera styrenheter kommunicera
När antalet elektroniska komponenter ökar behöver styrdon, sensorer, motorstyrning, display och andra elektroniska enheter kunna utbyta information.
CAN, Controller Area Network, används för kommunikation mellan elektroniska styrenheter i många fordon och mobila maskiner. Ovanpå själva CAN-tekniken finns olika högre kommunikationsprotokoll. Ett exempel är SAE J1939, som utvecklats för kommunikation i bland annat tunga vägfordon. CAN-baserade protokoll används även inom lantbruks-, skogs- och industrimaskiner. Mer teknisk information om dessa protokoll finns hos organisationen CAN in Automation.
Principen innebär att flera enheter kan dela information över ett gemensamt nätverk istället för att varje informationssignal behöver en helt separat förbindelse mellan två komponenter.
Ett motorstyrdon kan exempelvis skicka information om motorvarvtal och belastning. Ett annat styrdon kan använda uppgifterna i sin reglering och displayen kan samtidigt visa relevant information för föraren.
Det är också möjligt att använda nätverket vid diagnos. Kommunikation mellan flera styrenheter innebär samtidigt att ett kommunikationsfel kan påverka mer än en enskild funktion.
Sensorerna ger styrsystemet information om maskinen
Elektronisk reglering bygger på att styrsystemet får information om vad som händer i maskinen. Därför används givare på många olika platser.
Trycksensorer kan övervaka hydrauliska system. Temperatursensorer kan mäta exempelvis kylvätska och hydraulolja. Positionsgivare kan registrera en komponents läge och varvtalsgivare används för roterande delar.
Informationen kan användas direkt i regleringen eller skickas vidare till displayen.
Om ett mätvärde hamnar utanför de gränser som styrsystemet är programmerat för kan systemet registrera en felkod eller ge föraren en varning.
Sensorinformationen kan också ge serviceteknikern bättre underlag vid felsökning. Det går då att jämföra kommandon, givarsignaler och faktiska driftsvärden istället för att enbart bedöma maskinens beteende mekaniskt.
Förarprofiler ger en återkommande maskinkonfiguration
Entreprenadmaskiner och andra arbetsmaskiner används ofta av flera förare. De kan föredra olika inställningar för exempelvis hydraulikens respons eller andra programmerbara funktioner.
En förarprofil gör att utvalda parametrar kan lagras och återställas när nästa förare tar över maskinen.
Exakt vilka parametrar som går att ändra beror på maskintillverkarens system. Alla inställningar bör inte vara fritt justerbara. Funktioner som är kopplade till maskinens säkerhet, belastningsgränser eller andra tekniska begränsningar hanteras separat från vanliga förarinställningar.
Skillnaden mellan en förarprofil och en vanlig komfortinställning är därför inte bara hur informationen presenteras. Förarprofilen kan fungera som en samlad konfiguration för flera styrparametrar som återkommer när samma person använder maskinen igen.
Digital styrning är inte samma sak som autonom drift
Begrepp som intelligenta maskiner kan ge intryck av att maskinen utför arbetet själv. I många arbetsmaskiner handlar tekniken istället om elektronisk reglering och stöd till föraren.
Föraren bestämmer fortfarande arbetsmomentet och manövrerar maskinen.
Styrsystemets uppgift är bland annat att tolka kommandon, anpassa hydrauliska funktioner, övervaka komponenter och presentera information.
I mer avancerade system kan även funktioner för positionering, maskinkontroll, automatisk styrning eller återkommande rörelsesekvenser förekomma. Hur långt automatiseringen går beror på maskintyp, säkerhetskrav och arbetsuppgift.
Det är därför bra att skilja mellan digitaliserad styrning och autonomi. En programmerbar joystick och sparade redskapsinställningar gör inte en arbetsmaskin självkörande. De förändrar hur förarens kommandon behandlas och hur maskinens olika system samordnas.
Arbetsmaskinen har blivit ett integrerat styrsystem
Utvecklingen från mekaniska spakar till programmerbara joysticks och pekskärmar handlar till stor del om att fler delar av maskinen kan utbyta information.
Motor, transmission, hydraulik, redskap, sensorer, reglage och display behöver inte längre fungera som separata tekniska system. Elektroniska styrenheter kan samla in information från flera delar av maskinen och använda den när ett kommando behandlas.
För operatören innebär detta fler möjligheter att anpassa maskinens beteende efter redskap och arbetsmoment. För serviceteknikern innebär samma utveckling att mekanisk och hydraulisk felsökning behöver kombineras med kontroll av givarsignaler, kommunikation och programvaruparametrar.
Joysticken har alltså kvar sin funktion som förarens huvudsakliga reglage, men mellan handrörelsen och den hydrauliska cylindern finns numera ofta en kedja av sensorer, styrdon, programvara och kommunikation.
