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Luxusjacht komplett überwacht mit Ethernet

Bild 1. Bei der Jacht Linda Lou ist die komplette Überwachung mit dezentralen Ethernet-Controllern von Wago und dem Monitoring-System von Besecke realisiert

Bild 2. Das Monitoring-System Allviu-MCS visualisiert die Abwasseranlage. Hier steuern und messen dezentrale IO-Knoten über Ethernet-Controller und Busklemmen Pumpeneinsätze und Tankfüllstände

Bild 3. Das feldbusunabhängige Wago-I/O-System bietet mit dem Ethernet-Controller eine vielseitige und flexible Automatisierungskomponente für die Schiffsüberwachung und nutzt dazu standardisierte Ethernet-Infrastrukturen

Elementare Funktionen in Schiffen werden häufig mittels klassischer Feldbuslösungen realisiert. Bedingt durch die stetig wachsenden Anforderungen an dezentrale Automatisierungsgeräte entwickelt sich Industrial Ethernet zunehmend zu einer technisch und wirtschaftlichen Alternative. Die Firma Besecke plant, entwickelt und baut mithilfe des Wago-I/O-Systems komplette Monitoring-Systeme für Luxusjachten und setzt dazu intelligente, dezentral platzierte Ethernet-Controller ein. Diese überwachen über Ethernet-Infrastrukturen Türzustände, Temperaturen, Tankfüllstände und Klappensteuerungen im jeweiligen Bereich.

Zur Steuerung der elektrischen Anlagen auf Schiffen aber auch in Häfen bedarf es Automatisierungskomponenten, wie sie bereits in der Industrie- und der Gebäudeautomation eingesetzt werden. Einziger Unterschied: Sie benötigen spezielle Zulassungen, um Mensch, Umwelt und Ausrüstung nicht zu gefährden. Deshalb gelten in diesen Umgebungen für Betriebsmittel strenge Vorschriften, die beispielsweise der Germanisch Lloyd oder Lloyd Register of Shipping weltweit prüft.
Automatisiert werden Antriebssysteme, Fahrdatenspeicher, Frachtbeladung, Ballastsysteme, Generatoren, Navigationssysteme, Stromversorgungen und Stromverteilungen sowie Tür- und Schottenanlagen. Aber auch Arbeitsgeräte, wie Seilwinden, Hubgeräte, Pumpsysteme und Verlegeanlagen sowie die Heizungs-, Klima- und Lüftungsregelung werden in die Systeme eingebunden. Eingesetzt werden hierfür speicherprogammierbare Steuerungen (SPS) und klassische Feldbussysteme, wie Profibus, CANopen und Modbus.

Längst geht die Schiffsautomation aber über elementare Funktionen, wie die Energieversorgung und -verteilung, hinaus. Ethernet bietet hierzu eine adäquate Technologie mit gesteigertem Anwendernutzen. Denn die Ethernet-Technologie ist standardisiert, das Wissen darüber weltweit vorhanden und eine Infrastruktur ist kostengünstig zu realisieren oder vorhandene direkt nutzbar. Mit robusten Netzwerkkomponenten und speziellen Protokollen entsteht das Industrial Ethernet mit Vorteilen gegenüber dem klassischen Feldbus: eine Bandbreite bis in den Gigabit-Bereich, durchgängige Struktur von der Feldebene bis in die Leitebene, Reduzierung proprietärer Schnittstellen und Offenheit gegenüber Kommunikationsprotokollen, wie Modbus/TCP, Ethernet/IP und Profinet. Die Koexistenz zu standardisierten IT-Protokollen für Service, Inbetriebnahme und Diagnose, zum Beispiel SNMP, SNTP, HTTP und SMTP, wird dabei gewahrt. Ethernetbasierte Automatisierungskomponenten sind prinzipiell weltweit über das Internet vernetzbar und können vielfach auch direkt untereinander kommunizieren.

Industrieautomation in nobler Umgebung
Die Firma Besecke Automation liefert komplette elektrische Anlagen von der 30-kV-Energieversorgung bis hin zu vernetzten Leitsystemen. Neben Umwelt- und Energietechnik sowie Lager- und Fördertechnik ist die Automation von Luxusjachten eine ihrer Spezialitäten. Für die Lürssen Werft plant, entwickelt und baut das Bremer Unternehmen komplette Monitoring-Systeme mit Visualisierungs-PC an mehreren wichtigen Orten auf der Jacht: im Maschinenkon-trollraum, auf der Brücke und im Security Office (Bild 1).
Der kleinste Typ einer Luxusjacht, der bei Lürssen gebaut wird, ist 60 m lang und wird in Bardenfleth gefertigt. Dieser Schiffstyp hat Kabinen für zwölf Passagiere und 16 Besatzungsmitglieder. Zur Ausstattung gehören ein Sonnendeck mit Bar, Deckchairs zum Sonnenbaden und ein Whirlpool in windgeschützter Umgebung. Zwei Caterpillar-Motoren mit jeweils 1 455 kW (1 978 PS) beschleunigen die Jacht auf bis zu 16 Knoten, das entspricht etwa 30 km/h. Für ausgedehnte Ausflüge liefert der Treibstofftank 150 000 l Diesel. In einem weiteren Tank führt die Jacht 8 000 l Frischwasser mit.

Sämtliche Parameter, die auf einer Jacht anfallen, werden vom Monitoring-System überwacht. Dazu zählen Motordrehzahlen, Öldrücke, Raumtemperaturen, Tankfüllstände, Pumpen- und Ankerwindeneinsätze, Abgastemperaturen sowie die Navigationssysteme.
Alle Messwerte werden im Allviu-MCS-Monitoring-System von Besecke zusammengeführt und visualisiert (Bild 2). Die Parameter der Antriebsmaschinen werden über eine Datenschnittstelle direkt dem Monitoring-System übergeben. Zum Einsatz kommen hierbei ausschließlich Standard-Industriekomponenten mit weltweiter Verfügbarkeit und langfristiger Ersatzteilvorhaltung.
Besecke erstellte für die geforderte Automation ein Konzept mit dezentral eingesetzten programmierbaren Ethernet-Controllern (Bild 3). Vorteil dieses Konzepts ist die applikationsnahe Installation des Controllers und deren Intelligenz vor Ort. Einerseits werden dadurch lange Leitungen von den Aktoren und Sensoren zur Steuerung vermieden, andererseits kann durch das modulare Konzept schneller auf neue Anforderungen reagiert werden. Ein weiterer Vorteil ist die bessere Verfügbarkeit der Anlage, da die Controller autark arbeiten und Daten direkt (P-2-P, Broadcast oder Multicast) untereinander austauschen können.

„Mit dem Wago-I/O-System steht uns eine äußerst modulare Automatisierungskomponente zur Verfügung, bei dem nicht nur der Feldbus wählbar ist, sondern auch eine große Anzahl verschiedener digitaler und analoger Ein- und Ausgangsklemmen sowie Sonderfunktionsklemmen direkt angeschaltet werden können,“ berichtet Christian Gräser, Bereichsleiter Jachtbau bei Besecke. Daher wählte der Jachten-Automatisierer das Wago-I/O-System, IPC und Ethernet-Bedienpanel. Es kommen Standardkomponenten zum Einsatz, die bereits verschiedene Zertifizierungen für die Schifffahrt mitbringen. Die Schiffsbauzulassungen von GL und LR aber auch anderer Gesellschaften, wie ABS, NKK, BV, DNV und Rina, sind Voraussetzungen für eine spätere Betriebserlaubnis der Jacht.

Das Wago-I/O-System ist ebenfalls für den Betrieb unter erweiterten Umgebungsbedingungen ausgelegt und nach GL Kat. D zertifiziert. Somit kann es im Maschinenraum direkt an Generatoren und Motoren betrieben werden, wo es Temperaturschwankungen, starken Erschütterungen (Schock) und Vibrationen ausgesetzt ist. Aber es hat nicht nur die GL-Vorschriften bestanden, sondern auch die sogenannte Kompassbescheinigung vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie erhalten. Sie belegt die Einhaltung der EMC-Bereiche 1 und 2 für Brücke und Maschinenraum. Die elektromagnetische Störaussendung ist so gering, dass das IO-System auf der Brücke nahe an Navigationsgeräten (Compass close distance) betrieben werden darf.

Kurze Wege zu wichtigen Statusmeldungen
Sicherheit und Komfort wird auf der Lürssenjacht großgeschrieben, nicht nur für die Passagiere, sondern auch für den Kapitän und die Besatzung. Durch das dezentrale Automatisierungskonzept über ein Ethernet-Netzwerk, ist ein Zugriff auf die Statusmeldungen von der Brücke und im Maschinenkontrollraum über 21-Zoll-Monitore möglich. In den Kabinen der Mannschaft bedient man sich 8-Zoll- oder 10-Zoll-Panel-PC.
Bei der hier beschriebenen Jacht basiert das komplette Schiffs-Monitoring auf insgesamt 37 Ethernet-Controllern, an denen rund 1 700 Messpunkte angeschlossen sind. Die intelligenten IO-Controller überwachen als dezentrale Steuerungen alle Aktoren und Sensoren im jeweiligen Bereich, wie Türzustände, Temperaturen, Tankfüllstände und Klappen. Auch Statusmeldungen zur Ankerwinde, der Navigation oder der Wetterstation können eingebunden werden.

Da die IO-Controller nie weit von den Messpunkten entfernt installiert sind, ist die Einzelverdrahtung zu den IO-Klemmen kurz. Vernetzt werden die Ethernet-Controller mithilfe gemanagter Switches, die im Ring miteinander verbunden sind. So wird die Verfügbarkeit erhöht und der Verkabelungsaufwand reduziert. Da die Controller programmierbar sind und über einen eigenen Webserver verfügen, arbeiten sie autark. Ein Ausfall eines Controllers beeinträchtigt die anderen Komponenten nicht und es kann auf eine aufwendige redundante Serverstruktur verzichtet werden.
Untereinander kommunizieren die Ethernet-Controller über Modbus/UDP (P 2 P). Dabei kann jeder Controller als Master oder Slave mit anderen Teilnehmern kommunizieren. Der Visualisierung auf den Monitoring-Stationen werden die Mess- und Alarmwerte über eine OPC-Server-Software-Schnittstelle bereitgestellt. Statusmeldungen zwischen den einzelnen Feldbus-Controllern werden über Codesys-Netzwerkvariablen über einen „Broadcast“-Dienst ausgetauscht.
Über programmierbare Kommunikationsschnittstellen können serielle Geräte mit unterschiedlichen Protokollen, zum Beispiel NMEA, welches auf der Brücke häufig Verwendung findet, in das IO-System integriert werden.

Fazit
Die Schiffsautomation mit Ethernet eröffnet durch eine standardisierte Schnittstelle und eine einfache Vernetzung neue Konzepte. Zudem bieten flexible und leistungsfähige Automatisierungskomponenten zusätzlichen Anwendernutzen. Ethernet schafft eine durchgängige Struktur von der Feldebene bis zur Leitebene mit einer Vielzahl an Anwender- und Managementprotokollen – optimal, um dezentrale, intelligente Ethernet-Controller zu vernetzen. Damit können die komplexen Prozesse auf mehrere Controller verteilt werden. Es entstehen modulare Einheiten, die die Projektierung, die Inbetriebnahme mit mehreren Software-Ingenieuren aber auch den Betrieb, den Service und eine spätere Erweiterung vereinfachen.
Durch direkte Querdatenkommunikation der Intelligenz vor Ort sowie einer redundanten Ethernet-Infrastruktur wird die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Ergänzend zu den Schiffbauzulassungen beweist der Einsatz auf insgesamt fünf Jachten in den letzten vier Jahren die Eignung der Komponenten hinsichtlich elektromagnetischer Störfestigkeit, Störaussendung und mechanischer Belastbarkeit auch unter erschwerten Umgebungsbedingungen.

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Autor: Dipl.-Ing. Renate Klebe-Klingemann ist in der technischen Redaktion bei der Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG in Minden tätig.