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Embedded Computer on Board

Bild 1. Die Einsatzgebiete von Panel-PC auf Schiffen sind vielfältig

Bild 2. Auf der Brücke müssen verschiedene Komponenten zuverlässig auf unterschiedlichen Kommunikationswegen miteinander vernetzt arbeiten

Bild 3. Evolution der Lösungsarchitektur: von analog/seriell zu digital, IP-basiert, verteilt

Bild 4. Der marinetaugliche Panel-PC MPC-220W-C23 kombiniert ein 22-Zoll-TFT-Display mit einem austauschbaren Computer auf der Rückseite

In Zukunft werden die Leistungsanforderungen auch im Schiffsbau weiter wachsen, sodass moderne Automatisierungstechnik gefragt ist. Dabei wollen Hersteller und Integratoren gleichzeitig mehr als bisher auf industrietaugliche Standardprodukte setzen, um die Gesamtkosten im Griff zu behalten, Abhängigkeit von Zulieferern zu minimieren sowie die langfristige Wartungsfähigkeit, Erweiterbarkeit und Systemverfügbarkeit zu erhöhen. Netzwerkbasierte, digitale und verteilte Computerlösungen auf Basis von „Hardware von der Stange“ werden so eine immer stärkere Rolle spielen.

Moderne Schiffe und Förderplattformen verfügen heute über eine Vielzahl von Embedded Computern, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Bedienbarkeit der Systeme für die Besatzung verbessern. So unterschiedlich die konkreten Anwendungsfälle auf Frachtern, Passagierschiffen, Förderplattformen, Jachten oder militärischen Schiffen sein mögen, die meisten Anwendungen fallen in eine der vier Kategorien: Hafen, Deck, Maschinenraum oder Brücke (Bild 1).

Verschiedene Einsatzbereiche
„On-shore”-Applikationen im Hafen überwachen das Anlanden der Schiffe ebenso wie das Be- und Entladen. Dabei messen Embedded Computer nicht nur die Geschwindigkeit, die Lage und die Orientierung des Schiffs sowie weitere Umgebungsvariablen, wie Temperatur und Wasserstand, sie ermöglichen auch die Kommunikation über LAN oder Funk mit den Leitstellen im Hafen oder an Bord des Schiffs. Beim Be- und Entladen werden etwa die Position und der Winkel der Ladekräne gegenüber den Schiffsaufbauten überwacht und gegebenenfalls Videoüberwachungsdaten vom Schiff an Land weitergeleitet.

An Deck sorgen Embedded Computer für die Überwachung und Steuerung der Ladekräne und der Frachtüberwachungsanlagen. Gefragt sind daher Rechner mit Ethernet-, CAN- und seriellen Schnittstellen sowie einem weiten Temperaturbereich.
Im Maschinenraum laufen die Informationen für die Überwachung und Steuerung der Maschine, der Ruder und des gesamten Antriebssystems sowie der Frachtüberwachungssysteme zusammen. Hier werden die Daten für die Brückensysteme aufbereitet und zusammengefasst sowie Steuerungsbefehle an entsprechende Subsysteme weitergeleitet. Die Embedded Computer im Maschinenraum kommunizieren mit vielen weiteren Systemen über redundante Ethernet-Netzwerke und seriellen Schnittstellen. Zudem bereiten sie die Informationen für die Besatzung grafisch auf.
Die Brücke, von der aus die Besatzung das Schiff steuert, ist auch für die Elektronik das Herz des Schiffs. Navigationssysteme integrieren die Informationen vom Schiff (Conningsystem) mit über GPS, Radar und AIS von außerhalb erhaltenen Informationen im ECDIS-System (Electronic Chart Display and Information System) (Bild 2). Dieses bereitet alle Informationen grafisch auf, stellt sie auf Seekarten überlagert dar und gibt teilweise Handlungsempfehlungen etwa zur Kollisionsprävention.

Digitale, verteilte Lösungen sind gefragt
In all diesen Bereichen sind in den letzten Jahren die Anforderungen und die Komplexität deutlich gestiegen. So werden beispielsweise ECDIS-Systeme für immer mehr Schiffstypen ab Mitte 2012 von der IMO (International Mari¬time Organisation) vorgeschrieben, was die Modernisierung der Schiffselektronik vorantreibt. Panel-PC für ECDIS-Systeme müssen beispielsweise farbkalibriert sein, um auf Navigationskarten immer exakt die richtige Farbschattierung darstellen zu können. Andernfalls würde etwa die gleiche Wassertiefe auf verschiedenen Monitoren unterschiedlich dargestellt – mit offensichtlichen Risiken. Diese wachsende Komplexität maritimer Informations- und Navigationslösungen erfordert moderne Automatisierungslösungen, die sich immer stärker kommerzieller IT-Konzepte bedienen. Statt integrierten, oft analogen, proprietären Lösungen sind netzwerkbasierte, digitale, verteilte Lösungen auf Basis von „Hardware von der Stange“ gefragt (Bild 3).
Zu den aus der Unternehmens-IT bekannten Vorteilen zählen fallende Gesamtkosten, höhere Fehlertoleranz, bessere Wartbarkeit und Erweiterbarkeit sowie eine geringere Abhängigkeit von wichtigen Zulieferern.

Hohe Anforderungen an die Hardware
Um den rauen Umgebungsbedingungen im Schiffsbau gewachsen zu sein, müssen die dort zum Einsatz kommenden Embedded Computer besonders widerstandsfähig sein. So haben sie keine beweglichen Teile. Schließlich erhöhen Lüfter, Festplatten und interne Verkabelung die Anzahl der möglichen Fehlerquellen und haben direkten Einfluss auf die zu erwartende Lebensdauer des Geräts. Ein ausgereiftes thermisches Design und geeignete Komponentenauswahl ermöglichen hingegen langlebige Systeme aus einem Guss, die den Vibrationen, den Temperaturanforderungen und gegebenenfalls der Feuchtigkeit Stand halten können.
Da Schiffsrechner zudem oft an Orten angebracht werden, die nicht für den Einsatz empfindlicher Elektronik vorgesehen sind, müssen die Embedded Computer, die etwa auf Deck montiert werden, auf kleinem Raum alle Schnittstellen bereitstellen, die erforderlich sind, um Kräne und andere Anlagen zu steuern und zu überwachen.

Für einfache Überwachungslösungen genügen kleine Risc-basierte Rechner, die auf kleinem Raum einfache Datenerfassungs- und Steuerungsaufgaben wahrnehmen können, ohne viel Strom zu verbrauchen. Diese Anforderungen erfüllen die Computer der Serien UC7000 und IA240 von Moxa. Für aufwendige Datenverarbeitung werden hingegen x86-basierte Rechner benötigt, die auch mit Mehrkernprozessoren ausgestattet sein können, ohne eine lüfterbasierte Kühlung zu benötigen.
Displays für den Schiffsbau müssen den gleichen, wenn nicht härteren, Umweltanforderungen genügen, wie die Embedded Computer. Darüber hinaus müssen speziell Displays für Navigationssystem auf der Brücke höchsten Qualitätsansprüchen genügen. Zum Beispiel müssen Brückensysteme auch noch von der Seite aus ausreichende Qualität bieten, sodass etwa ECDIS-Systeme noch korrekt abgelesen werden können, wenn der Betrachter nicht direkt vor dem Monitor steht oder sich bewegt. Auch die Helligkeit sollte sich von 0 % bis 100 % variieren lassen, um zu jeder Tages- und Nachtzeit optimale Ablesbarkeit zu garantieren. Ergänzt um die Optical Bonding genannte Verklebung der Glasschichten, welches Spiegelungen vermeidet und den Kontrast sowie die Robustheit erhöht, sorgt dies für schiffstaugliche Displaylösungen.

Auch die Software ist gefordert
Im Schiffsbau werden aber auch an die Software besondere Anforderungen gestellt. Deswegen können die Schiffsrechner von Moxa mit Windows oder Linux als Betriebssystem vorinstalliert werden. So eignen sie sich nicht nur für vielfältige Standard-IT-Applikationen, zudem wird die Integration verschiedener Softwarepakete erleichtert und aufwendige Eigenentwicklungen werden überflüssig.
Die Basissoftware ist bei Schiffsanwendungen im Unterschied zu kommerziellen Systemen an die rauen Einsatzbedingungen anzupassen. Das erfordert oft spezielle Betriebssystem-, Firmware- oder BIOS-Anpassungen, etwa um das Verhalten des Systems nach Stromausfällen oder bei zu großer Hitze zu bestimmen. Die Datenintegrität oder -sicherheit können das Verschlüsseln der Daten erfordern. Außerdem ist gegebenenfalls das Herausnehmen von Flashspeichern oder das Anstecken von USB-Geräten mechanisch oder softwaregestützt zu verhindern.
Systeme, die an unzugänglichen Stellen installiert werden, müssen in der Regel von einem Kontrollraum aus aktualisiert werden können. Bei verteilten Lösungen mit vielen kleinen Rechnern sollte dies auch per Massenupdate möglich sein.

Zertifizierung tut Not
Elektronisches Gerät auf dem Schiff muss internationalen Standards genügen, da sich ein sicherer und zuverlässiger Betrieb nur so dauerhaft gewährleisten lässt. Ein Beispiel ist der Standard 2.4 der weltweit tätigen norwegischen Klassifikationsgesellschaft für den Schiffsbau Det Norske Veritas. Dieser reguliert Anti-Vibrations- und Anti-Shock-Anforderungen für Schiffsrechner.
Der Standard IEC 60945 definiert allgemeine Anforderungen für Navigations- und Funkgeräte sowie -systeme. Er behandelt auch die Teststandards für die Stromversorgung, die Industrie¬tauglichkeit, die Umweltbedingungen und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Die International Association of Classification Societies ist eine Vereinigung der wichtigsten internationalen Klassifizierungsgesellschaften, die auf dem Gebiet der Sicherheit auf See Standards und Testspezifikationen schafft. Ihre Spezifikation IACS UR E10 definiert Testvorgaben für Umweltanforderungen an elektronischen Schiffssteuerungen.
Dazu kommen dann noch nationale Anforderungen, die aber meist auf die beschriebenen Standards referenzieren. Diese strikten Anforderungen und die vorgeschriebene Zertifizierung aller elektronischen Geräte an Bord schränken die Auswahl der einsetzbaren Geräte ein.

Fazit
Moxa arbeitet seit Jahren daran, zertifizierte Komponenten zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, moderne IT-Konzepte auch an Bord leicht umsetzen zu können. Nationale und europäische Forschungsprojekte wie Besst (Breakthrough in European Ship and Shipbuilding Technologies) und Semics (Smart Electronic Maritime Information and Communication System) gehen diesen Weg.
Für Hafen- und Decklösungen bietet das Unternehmen entsprechend zertifizierte Netzwerkkomponenten und Steuerungscomputer an, wie den IA240 oder die Produktserie UC7000 an, die auf die skizzierten Anwendungen zugeschnitten sind. In diesem Jahr wird das Portfolio um Panel-PC und Schiffsrechnern für Navigationslösungen und andere Brückensysteme erweitert. Der Schiffsrechner MC-4510 ist bereits verfügbar, die 22-Zoll-Panels und -Panel-PC folgen im vierten Quartal 2010 (Bild 4).

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Autor: Hermann Berg ist Business Development Manager Embedded Computers bei der Moxa Europe GmbH in Unterschleißheim.