LKW mit Sonnenuntergang

Trend

Die Bedeutung von Ethernet bei der Trendentwicklung

Bei Industrie- und Nutzfahrzeugen sowie Baumaschinen müssen die Entwickler die Integration von Ethernet-Systemen in ihren Konstruktionen berücksichtigen, um den Kundenanforderungen der Zukunft voll gerecht zu werden.

Autoren

Von Joachim Barth, R&D/Product Development Engineering Manager, und Christian Manko, Product Manager Data Connectivity, TE Connectivity

Ursprünglich erschienen in der Fachzeitschrift „Elektronik“ in der „Sonderausgabe Elektromechanik“ 

Landwirtschaftliche, Bau- und andere Schwerlastfahrzeuge werden in der Regel – je nach Art des Fahrzeugs – für einen mehr- oder langjährigen Betrieb gebaut. Die Hersteller müssen also in der Lage sein, das Design für zukünftige Trends auszulegen, um den Kunden einen langfristigen Wert zu bieten. Der schnelle Technologiewandel macht dies zu einer schwierigen Aufgabe. Ein Vorteil des industriellen und gewerblichen Verkehrswesens liegt jedoch darin, dass sie das Wissen und die Technologien aus zukunftsorientierten Anwendungen nutzen kann, die sich bereits in der Automobil-

industrie bewährt haben. Da die Anforderungen bezüglich automatisierter Funktionen und Datenvernetzung im industriellen und gewerblichen Verkehrswesen weiter steigen, stößt das CAN-Bus-Protokoll schnell an seine Grenzen. Um bei Megatrends die Nase vorn zu haben, die Anforderungen wie Umweltfreundlichkeit, Sicherheit, Vernetzung und Produktivität vorantreiben, müssen Entwickler nun Ethernet-Systeme in ihre Designs miteinbeziehen, um den Kundenanforderungen in naher Zukunft und darüber hinaus gerecht zu werden.

Landwirtschafts-, Bau- und LKW-Industrie

Entwickler von Industrie-und Nutzfahrzeugen arbeiten daran, die nächste Generation von LKWs, Bussen und Off-Road-Fahrzeugen sicherer, umweltfreundlicher, vernetzter und produktiver zu machen.  Hierfür werden fortschrittliche automatisierte Funktionen eingeführt, die zuvor nur für Personenkraftwagen entwickelt wurden, um die Produktivität zu steigern und die Gesamtbetriebskosten zu senken.
Fahrerassistenz- und Automatisierungssysteme, Infotainment-Optionen, 360-Grad-Kamerasysteme, V2V- und V2I-Hochgeschwindigkeitskommunikation sowie ein breites Spektrum an wichtigen Sicherheitsfunktionen sind heute auch Standardanforderungen für schwere Nutzfahrzeuge. Derzeit befindet sich die Branche auf Stufe 2 (Teilautomatisierung). Wir gehen davon aus, dass der Markt in vier bis fünf Jahren Stufe 4 erreicht, d. h., dass ein hohes Maß an automatisierten Funktionen in den meisten Neufahrzeugen vorhanden sein wird. Funktionale Sicherheit muss daher nicht nur in das Design, sondern auch als Teil des Entwicklungs-und Qualitätsmanagementprozesses integriert werden, um ISO 26262 sowie zukünftigen Standards zu entsprechen.
Die Nutzfahrzeuge der Zukunft werden mehr über ihre Umgebung und die vorausliegende Strecke „wissen“ und Feedback an eine Homebase senden, das analysiert und ausgewertet werden kann, um die Leistung und Produktivität zu verbessern. Diese und die unten genannten Technologien sorgen für eine höhere Fahrerzufriedenheit, höhere Produktivität und niedrigere Gesamtbetriebskosten für die Fahrzeughalter und ein deutlich höheres Leistungsfeedback für die Hersteller.

Trends

Nachstehend sind nur einige Beispiele für neue Trends aufgeführt, die wir auf dem gesamten Markt beobachten:

Lastkraftwagen und Busse auf Schnellstraßen

Sicherheit, Produktivität und Nachhaltigkeit im Fahrzeugbetrieb sind drei Trends in LKWs und Bussen, die in den neuen Fahrzeugdesigns berücksichtigt werden müssen. Tote Winkel für die Fahrer dieser Fahrzeuge können zu Unfällen mit anderen Fahrzeugen, Radfahrern und Fußgängern führen. So sind beispielsweise Fahrer von schweren Nutzfahrzeugen in Deutschland und anderen Ländern der Welt beim Rechtsabbiegen aufgrund toter Winkel mit Fußgängern oder Radfahrern kollidiert. Bald können in Deutschland und anderen Ländern zwingende Vorschriften möglicherweise erfordern, dass schwere Nutzfahrzeuge mit Sensoren und Kameras ausgestattet sein müssen, um eine bessere Überwachung des toten Winkels und entsprechende Warnungen zu ermöglichen, um diese Art von Unfällen zu vermeiden. Telemetrie kann die Online-Frachtdisposition und Routenplanung erleichtern sowie das Fahrverhalten optimieren, um die Sicherheit und Produktivität zu erhöhen. Ein vorausschauender Tempomat bestimmt je nach Zustand der Straße die ideale Geschwindigkeit für die Fahrzeuge. Dies spart Kraftstoff und verschafft den Fahrern eine produktivere, unterbrechungsfreie Zeit auf der Straße. Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation ermöglicht Fahrzeug-Platooning für mehrere Fahrer, um die Sicherheit zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Die Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation ist für Fahrerassistenzsysteme (FAS) und schließlich für das komplett autonome Fahren unerlässlich. Diese Eigenschaften basieren alle auf einem Netzwerk von Sensoren und Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungen mit niedriger Latenz.

Bau- und Berbaumaschinen

Bau- und Bergbaumaschinen

Aufgrund ihrer Größe und Konfiguration ist die Gefahr eines Unfalls oder Umkippens von Off-Road-Fahrzeugen beim Rückwärtsfahren oder beim Fahren über Gräben, Löcher oder unebenes Gelände am größten. Daher sind die heutigen 360-Grad-Kamerasysteme von entscheidender Bedeutung, um den Fahrer beim Manövrieren über unterschiedliches Gelände zu unterstützen und einen sichereren Arbeitsplatz zu schaffen. Aus Produktivitätssicht möchten die Hersteller den Kunden mehr Technologien bieten, die einen zuverlässigen und effizienten Betrieb der Maschinen ermöglichen. Die Herausforderung besteht darin, Verbindungen zu integrieren, die es ermöglichen, wichtige Informationen aus der Umgebung zu erfassen, um in Echtzeit reagieren zu können, und die gleichzeitig Schmutz, Chemikalien, Wasser, hohen Vibrationen und thermischem Schock standhalten. Im Zuge der technologischen Fortschritte wird auch die Bau-und Bergbauausrüstung dank dieser Datenverbindungen intelligenter und automatisierter, was letztlich dazu führt, dass einige Bediener remote in völliger Sicherheit arbeiten können. Die präventive Diagnostik ist ein weiteres nützliches Werkzeug, das für mehr Zuverlässigkeit und Produktivität und geringere Kosten sorgt. Erweiterte Funktionen können vorhersagen, wann ein Teil ausfällt oder ersetzt werden muss, bevor ein Fahrzeug oder eine Maschine kaputtgeht. Dies ist besonders nützlich bei Off-Road-Fahrzeugen und Landmaschinen, bei denen eine plötzliche und längere Betriebsunterbrechung teuer werden kann.

Landwirtschaftliche Fahrzeuge und Maschinen

Landwirtschaftliche Fahrzeuge und Maschinen

Produktivität und Nachhaltigkeit sind zwei sehr wichtige Trends in der Agrarindustrie, insbesondere angesichts des Drucks auf die Landwirte, die Auswirkungen auf die lokalen Ressourcen (z. B. Wasserversorgung und Luftqualität) zu minimieren. Fortschritte in der Vernetzung und Automatisierung von Landmaschinen können die Präzisionslandwirtschaft und die intelligente Landwirtschaft ermöglichen und verbessern, um diese zentralen Herausforderungen zu bewältigen. So kann die Unkrautbehandlung und Anwendung von Pestiziden präziser erfolgen, damit die Landwirte einen höchstmöglichen Ernteertrag erzielen können und benachbarte Flächen, Betriebe oder Trinkwasservorräte nicht beeinträchtigt werden. In der Zukunft können Landmaschinen Sensoren, Daten und Konnektivität nutzen, um das Wetterverhalten zu verstehen und die Aussaat, Bewässerung, Pestizide und Ernte entsprechend anzupassen und zu berechnen – auf die Sekunde genau und auch für die allerletzte Pflanze auf einem Feld. Die Hersteller von Landmaschinen müssen Fahrzeuge produzieren, die jede Pflanze im Feld erkennen und identifizieren können sowie Behandlungsentscheidungen für sie treffen können – und letztlich damit die Kosten senken und die Nachhaltigkeit verbessern können.

All diese Trends und Technologien erfordern eine ausgeklügelte Netzwerkinfrastruktur, die die höheren Datenanforderungen verarbeiten kann, um die gesamte Kommunikation zu ermöglichen: innerhalb eines Fahrzeugs, zwischen zwei Fahrzeugen oder zwischen einem Fahrzeug und einer anderen Stelle, z. B. dem Betriebshof oder der Steuerzentrale oder sogar dem Hersteller. Dieses Netzwerk muss Hochgeschwindigkeitsdaten mit geringer Latenz in rauen Umgebungen übertragen. Bisher konnten CAN-Bus-Architekturen als Datenübertragungsleitung für das Fahrzeugnetzwerk genutzt werden. Da Entwickler mehr automatisierte Funktionen für Sicherheit und Produktivität integrieren möchten, ist die für eine erweiterte Fahrzeugfunktionalität erforderliche Datenbandbreite zu groß, um allein von CAN bedient zu werden. Der Wechsel zu Ethernet hat begonnen, zunächst in Bereichen, in denen eine höhere Bandbreite und Leistung erforderlich ist, aber es wird CAN letztendlich ersetzen, da sich die Automatisierung immer weiter verbreitet und mehr Leistung und Bandbreite im gesamten System integriert werden müssen.

 

Derzeit sind die meisten Sensor-und Verbindungssysteme in Fahrzeugen für FAS zweckbestimmte Systeme. Eine Funktion oder Anwendung, z. B. ein Abstandsregeltempomat, verfügt über Radar-/Lidarsensoren und Steckverbinder, die ihre Ausgabe an ein Steuergerät leiten. Da automatisierte Funktionen in diesen Fahrzeugen zunehmen, wird die Sensorfusion, bei der Daten von mehreren Sensoren verknüpft und analysiert werden können, immer wichtiger, um genauere Positionierungs- und Umgebungsinformationen zu sammeln. Während beispielsweise in Personenwagen Sensoren benötigt werden, um Hindernisse auf festen Straßen zu erkennen, müssen Sensoren in den Bereichen Bauindustrie, Bergbau und Landwirtschaft auch die Materialeigenschaften erkennen. Wenn ein Mähdrescher bei der Ernte über ein Feld fährt und ein Hindernis, das wie ein Stock aussieht, auf seinem Weg erkennt, muss er wissen, ob es sich bei diesem Objekt um einen leichten Stock handelt, der der Maschine keine Probleme bereitet, oder ob es sich um ein herumliegendes Stahlrohr handelt, das den Mähdrescher eventuell beschädigen und wegen Reparatur außer Betrieb setzten könnte; und der Mähdrescher muss dann die entsprechenden Maßnahmen ergreifen können. Um dies präzise und schnell zu erreichen, ist zusätzliche Rechenleistung erforderlich.

 

In diesem Fusionsmodell werden Sensoren über mehrere oder alle Anwendungen im Fahrzeug miteinander verbunden, wobei alle Sensoren ihre Daten an ein Steuergerät leiten. Je höher die verarbeitete Datenmenge, umso mehr Bandbreite ist erforderlich. Und diese höhere Bandbreite erfordert Steckverbinder und Kabel, die für mehr Geschwindigkeit und ein Ethernet-Netzwerk ausgelegt sind, das eine zuverlässige Datenübertragung von bis zu 1 Gbit pro Sekunde ermöglicht.


Der Wechsel zu dieser Art von Technologien und automatisierten Funktionen stellt die Entwickler vor ganz neue Herausforderungen, da sie Fahrzeuge entwickeln müssen, die eine hohe Lebensdauer auch bei Einsatz in rauesten Umgebungen aufweisen.

MCON Ethernet-Steckverbinder
MCON Ethernet-Steckverbinder
HDSCS Ethernet-Steckverbinder
HDSCS Ethernet-Steckverbinder

Da Entwickler von Industrie- und Nutzfahrzeugen die Verbindungssysteme und -netzwerke in ihren Fahrzeugen modernisieren möchten, können sie für das Design vieler Hochgeschwindigkeits-Datenanwendungen die in den letzten Jahren für den Einsatz in der Automobilindustrie entwickelten Steckverbindertechnologien nutzen. Die Umgebungen und Herausforderungen bei Nutzfahrzeugen sind jedoch im Vergleich zu denen von Autos und leichten Nutzfahrzeugen oftmals deutlich härter. Für Anwendungen, bei denen Staub, Schmutz, Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und hohe Vibrationen häufig auftreten, können neue Steckverbinder wie z. B. die abgedichteten MCON und HDSCS Ethernet-Steckverbinder von TE Connectivity (TE) eingesetzt werden. MCON Steckverbinder können für Anwendungen verwendet werden, die eine Datenverbindung von bis zu 100 MB pro Sekunde erfordern, während die HDSCS Steckverbinder für die Übertragung von bis zu 1 Gigabit pro Sekunde verwendet werden können.

 

Die neue abgedichtete Ethernet-Steckverbindertechnologie der MCON Steckverbinder ermöglicht die Vor-Ort-Wartung von Nutzfahrzeugen in rauen Umgebungen. Sie bieten robuste Vollduplex-, Kabel-an-Kabel-Verbindungen für Multifunktions-Displays, Telematik, Telemetrieeinheiten, Infotainment-Module, Media Access Controller, externe Kameras und Sensormodule.

Zu den Vorteilen der MCON Steckverbinder gehören:

  • Das optimale hochwertige Design reduziert die Fertigungs- und Wartungskosten.
  • Die MCP-Technologie (Multi-Contact Point) sorgt für höhere Zuverlässigkeit.
  • Die eingebaute Sekundärverriegelung ist so konzipiert, dass der Kontakt fest sitzt.
  • Modulare Anwendung ist mit zwei Codierungen und verschiedenen Plattenstärken möglich.
  • OEMs können die bestehende Kabelsatz-Automat-Lieferkette nutzen.

Der HDSCS Ethernet-Steckverbinder ist ein robuster Thermoplast-Hochleistungs-Steckverbinder, der mit dem MATEnet Verbindungssystem von TE kombiniert wird.  Dieses Kabel-an-Kabel- und Kabel-an-Gerät-Steckverbindersystem ist auf die Zuverlässigkeits- und Qualitätsanforderungen von Nutzfahrzeugen ausgelegt und bietet Flexibilität zur Integration von mehreren Hybrid-Schnittstellen und Skalierbarkeit durch Verwendung von ungeschirmten oder abgeschirmten verdrillten Paarkabeln.

Zu den Vorteilen der HDSCS Steckverbinder gehören:

  • Optimiert für Langzeitnutzung und Zuverlässigkeit, was die Fertigungs-und Wartungskosten senkt. 
  • Die Verbindung wird mit der eingebauten Sekundärverriegelung für den Kontaktfestsitz gesichert. 
  • Einfache Handhabung, geringe Steckkraft mit zuverlässigem Schiebeverriegelungsmechanismus (bei Auslieferung in vorverriegelter Stellung).
  • Ausgelegt für die modulare Anwendung für Kabel-an-Kabel und Kabel-an-Leiterplatte mit mehreren Befestigungsoptionen: Reihen-, abgedichtete Flansch- und Leiterplattenmontage.

Anwendungen für unsere neuen Steckverbinder

Beide Lösungen passen sich praktisch jeder Anwendung in rauen Umgebungen an, z. B.: Radar/Lidar, Kameras, Telematik-Geräte, On-Board-Diagnosen, Head-up-Displays, Kombiinstrumente, Infotainment-Anwendungen und Ethernet-Architektur.

INFOTAINMENT

SICHERHEIT

NETZWERKE

Um auf dem Markt konkurrenzfähig zu bleiben und Automatisierungstrends und -funktionen voraus zu sein, die Sicherheit, Produktivität und Nachhaltigkeit ermöglichen, müssen Entwickler und Hersteller Ethernet in alle neuen Designs integrieren, um den erhöhten Datenverbindungs-anforderungen gerecht zu werden. Hierfür ist es am besten, sich frühzeitig von technischen Experten beraten zu lassen, z. B. von den Experten bei TE, die Sie bezüglich der Topologien und Technologien beraten können, die für die Entwicklung und Herstellung innovativer Komponenten erforderlich sind, die eine erhöhte Sensor-und Rechenleistung ermöglichen und gleichzeitig die Signalintegrität in rauen Umgebungen aufrechterhalten.