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01 Die „Royal Princess“ mit dieselelektrischem Antrieb wird vom Bachmann-M1-Automatisierungssystem gesteuert

Redundante Steuerungen für dieselelektrische Schiffs-Fahranlagen

02 Einer der beiden Propellermotoren im Kreuzfahrtschiff „Royal Princess“

03 Redundante Systeme maximieren die Verfügbarkeit und sichern die Produktivität

Besondere Sicherheitskonzepte gewährleisten die Zuverlässigkeit und Sicherheit eines Schiffsantriebs. Dazu werden in dessen Steuerung immer neue Funktionen integriert. Welche Ergebnisse eine solche Zusammenarbeit hervorbringen kann, wird am Beispiel von SAM Electronics und Bachmann Electronic deutlich. Gemeinsam haben sie ein innovatives Konzept für den Einsatz mit dieselelektrischen Antrieben entwickelt.

Die SAM Electronics GmbH ist einer der weltweit führenden Anbieter für die Automatisierung von Schiffen (Bild 1). Dabei gehören auch Systeme für die Navigation und Kommunikation auf hoher See zur Angebotspalette. Mehr als 100 Jahre Erfahrung bilden die Basis ihrer umfangreichen Kompetenz im Bereich des Schiffbaus und -betriebs.

Konzept: Redundanter Antrieb
Ein dieselelektrischer Antrieb besteht aus den Hauptkomponenten Dieselgenerator(en), Frequenzumrichter, Fahrmotor, Propeller und Steuerung. Im Gegensatz zu konventionellen Anlagen mit zwei Motoren, die jeweils direkt auf einen Propeller gekuppelt sind, treiben bei dieselelektrischen Fahranlagen die Dieselmotoren Generatoren an (Bild 2). Diese speisen alle dieselbe Sammelschiene, von der aus sowohl die Antriebe als auch alle anderen Verbraucher versorgt werden. Die Verfügbarkeit eines Antriebes ist damit unabhängig von der Verfügbarkeit eines einzelnen Dieselmotors, denn bei einem Ausfall steht immer noch eine reduzierte Antriebsleistung zur Verfügung. Insbesondere bei der Auslegung von dieselelektrischen Fahranlagen für Kreuzfahrtschiffe wird auf eine hohe Redundanz Wert gelegt. Dabei wird immer von einem Ein-Fehler-Ereignis ausgegangen. Gleichzeitige Mehrfachfehler werden hierbei nicht betrachtet. Die Propellermotoren selbst verfügen über zwei Statorwicklungssysteme, jedes gespeist durch ein separates 6/3-phasiges, 12/6-pulsiges Leistungsteil eines Frequenzumrichters. Jeder Teilstromrichter wird dabei von einem unabhängigen Transformator mit eigenem Leistungsschalter versorgt.

Verteilte Steuerung bringt Vorteile
Die SAM-Fahranlagensteuerung integriert die Frequenzumrichter in das System Schiff. Hierzu sind an die Steuerung über Feldbusse diverse Remote-IO-Systeme angeschlossen, die über das gesamte Schiff verteilt sind. Die Frequenzumrichter werden in Active-Stand-by betrieben. Das heißt, die jeweils aktive Steuerung sammelt die Signale und stellt diese über Ethernet auch der Stand-by-Steuerung zur Verfügung. Bei einem Steuerungsausfall kann so das ruhende System alle Regelungsaufgaben nahtlos übernehmen. Außerdem lassen sich auf diese Art und Weise Leitungen einsparen und die Schnittstellen besser überwachen. Sollte ein einzelnes IO-System ausfallen, so ist durch die dezentrale Anordnung der IO auch gewährleistet, dass die Anlage nicht alle Informationen verliert. Abhängig davon, welches IO-System nicht mehr verfügbar ist, werden entsprechende Prozesse ausgelöst. Fällt beispielsweise der Feldbus zur Brücke aus, speichert der Antrieb den letzten Fahrhebelwert und gibt Alarm: Der Ausfall des Fahrstandes wird angezeigt und es kann auf einen anderen Fahrstand, zum Beispiel im Maschinenkontrollraum, umgeschaltet werden. Zur Realisierung dieser komplexen Konzepte und Regelungsaufgaben ist eine leistungsfähige Steuerung erforderlich.

SAM Electronics hat sich hierzu für das M1-Automatisierungssystem von Bachmann Electronic entschieden. „Das skalierbare M1-System (Bild 3) bringt die benötigten Zertifikate zum Einsatz auf Schiffen mit und bietet für jede Leistungsstufe die passende Steuerung, wobei eine Abwärtskompatibilität immer sichergestellt ist“, begründet Hermann Knirsch, Drives and Special Systems Manager of Technology and Design bei SAM Electronics, den Entscheid. „So bietet es die nötige Flexibilität und durch die garantierte Langzeitverfügbarkeit auch die notwendige Sicherheit bei aktuellen und zukünftigen Projekten.“ Ein weiterer Vorteil ist, dass die M1-Steuerung alle erforderlichen Schnittstellen abdeckt: Modbus RTU/TCP, Profinet, CANopen und SAE J1939 sind standardmäßig verfügbar. „Das Protokoll Modbus UDP wurde von Bachmann kurzfristig speziell für uns implementiert“, freut sich Hermann Knirsch über die gute Zusammenarbeit. Die Steuerungen können zudem mit seriellen-, CAN-, Devicenet- und Profibus-Kommunikationsmodulen beliebig erweitert werden.

Integrierte Steuerungsbibliothek und SPS-Editor
„Bachmann Electronic ist ein kooperativer Partner mit einer guten technischen Unterstützung vor Ort“, hält Verena Franzen, Drives and Special Systems Technology and Applikation Design bei SAM Electronics, fest. „So konnte gemeinsam eine SAM-Steuerungsbibliothek erfolgreich auf dem Bachmann-System integriert werden. Alle bewährten Funktionen stehen somit weiter zur Verfügung. Weiterhin bieten sich für SAM die Möglichkeiten, andere bisher nicht genutzte Feldbus-Protokolle einzusetzen, zum Beispiel Profibus, Profinet, Modbus/TCP usw. So können Komponenten, wie die Frequenzumrichter, noch besser eingebunden werden.“ Die Adaption des von SAM Electronics speziell für komplexe Anwendungen entwickelten eigenen SPS-Editors vereinfachte die Arbeitsabläufe bei der Projektierung und Inbetriebnahme des ersten Projekts erheblich. Mit dem grafischen Editor lassen sich komplette Funktionen erstellen und visualisieren. Der Status von Signalen wird in unterschiedlichen Farben übersichtlich dargestellt. So können Störungen schnell lokalisiert und behoben werden. Dieser grafische Editor wird für die Softwarepflege des alten und des neuen Systems verwendet. Teilapplikationen von bestehenden Anlagen, die noch auf den vorherigen Systemen implementiert sind, können so für Neuanlagen einfach weiter verwendet werden.

Neue Funktionalitäten: Fernwartung und Hot-Stand-by
„Ein weiterer Vorteil des M1-Systems von Bachmann ist die größere Rechenleistung und Schnittstellenvielfalt gegenüber den bislang von uns eingesetzten Steuerungen“, führt V. Franzen weiter aus. Dies erlaubt es uns, ganz neue Funktionen in das System zu integrieren. „So ist es zum Beispiel zukünftig möglich, via Satellit von Land aus direkt auf die Anlage zuzugreifen. Ohne aufwendige Entsendung eines Technikers an Bord können so Diagnosen erstellt und der Crew kompetente Hilfestellung bei Störfällen gegeben werden“, beschreibt sie die sich ergebenden Vorteile. „Auch Software-Updates oder Steuerungsanpassungen bei Umbauten können so später problemlos von Land aus erfolgen. Dies spart Zeit und Kosten.“ Eine weitere neue Funktionalität ist „Hot Stand-by“. Durch die schnelle Kommunikation der beiden Steuerungen eines Antriebs via Ethernet ist es möglich, dass im Fehlerfall schnell auf die Stand-by-Steuerung umgeschaltet werden kann. Diese übernimmt, sobald die aktive Steuerung, zum Beispiel durch eine Störung der Spannungsversorgung, ausfällt: Der Antrieb wird sofort zugeschaltet und der alte Drehzahlwert wieder angefahren. Dies bietet eine zusätzliche Sicherheit und die Verfügbarkeit des Antriebs ist in einem Störfall immer gewährleistet.

Gelungene Zusammenarbeit – mit Zukunft
Steuerungen für dieselelektrische Fahranlagen müssen sich einfach in vorhandene Netzwerkstrukturen des Schiffs einfügen und die wachsenden Anforderungen an Funktionalität, Sicherheit und Verfügbarkeit meistern. „Mit dem Bachmann-M1-Automatisierungssystem ist dies SAM Electronics perfekt gelungen“, zeigt sich H. Knirsch überzeugt. „Die aus der gemeinsamen Arbeit dieses Projekts entstandene Kooperation wollen wir deshalb für alle zukünftigen Fahranlagenprojekte fortführen.“ (ih)

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Autor:
Frank Spelter ist Leiter Corporate Communication bei Bachmann Electronic. f.spelter@bachmann.info