Überlebenswichtige Funktionen wie die Antriebssteuerung wurden mit redundanten Steuerungen automatisiert und am virtuellen Modell in allen erdenklichen Situationen geprüft.

Überlebenswichtige Funktionen wie die Antriebssteuerung wurden mit redundanten Steuerungen automatisiert und am virtuellen Modell in allen erdenklichen Situationen geprüft.Bachmann Electronic, Bakker Sliedrecht Electro Industrie, Controllab Products

Gängige Prüfverfahren im Schiffsbau sind sehr aufwendig: Obwohl das Prinzip des Power­managements bekannt ist und viele Systeme ausgeliefert wurden, unterscheidet sich jede Anlage in Details. Sind alle Kabel richtig angeschlossen? Stimmen die Leitungen? Was passiert bei einem Lastwechsel, einem Kurzschluss oder Ausfall eines Generators? Aktuell werden solche Szenarien live bei der Inbetriebnahme getestet – wenn machbar. Fehler, die zu diesem späten Zeitpunkt erst entdeckt werden, führen zu kostspieligen Verzögerungen. Das will man vermeiden; auch unter dem Gesichtspunkt eines zuverlässigen Betriebs.

Zudem steigt die Komplexität der Systeme, die umfassende Tests vor Ort nochmals erschweren. Treiber dieser Entwicklung sind vor allem die hohen Ansprüche der Schiffsbetreiber, die für immer umfangreichere Steuer- und Kontrollsysteme auf Schiffen sorgen. „Der Diesel- und Energieverbrauch soll möglichst reduziert werden, gleichzeitig wird höchste Verfügbarkeit erwartet“, fasst Anthon Knoops, Manager Engineering Automation bei dem niederländischen Schiffsausrüster Bakker Sliedrecht, zusammen. Aufgrund der Verzahnung und Komplexität der Systeme reichen die bislang üblichen Testverfahren nicht mehr aus. Deshalb war Bakker Sliedrecht auf der Suche nach effizienteren Möglichkeiten.

Technik im Detail

Alarmmanagement auf Schiffen: Die Schnelligkeit entscheidet

Die Basis von Alarm- und Überwachungssystemen für Marine und Offshore ist eine zuverlässige und leistungsstarke Hardware. CSI Control Systems setzt hier auf Bachmann-Komponenten, hauptsächlich I/O-Module und Controller. Über die I/O-Module bindet CSI verschiedene Sensoren und Aktoren in die Steuerungsarchitektur ein, mit denen beispielsweise die Niveaus der Ballast­tanks überwacht und bei Bedarf Ventile und Pumpen gesteuert werden. „Hauptgrund unserer Partnerschaft mit Bachmann ist, dass die Module stetig und schnell weiterentwickelt werden“, erklärt Antoinette Willemsen, Director Business Development bei CSI. Unabdingbar sind natürlich die vorhandenen Zertifizierungen für Marine und Offshore. 175 Module von Bachmann sind von DNV GL und weiteren Institutionen für den Einsatz in den kritischen Anwendungsbereichen zertifiziert. Ein weiterer Aspekt ist die kurze Reaktionszeit, die innerhalb des CSI-Systems nicht mehr als 10 ms beträgt. Bei einer Notabschaltung des Hauptmotors oder bei Überhitzung eines Lagers ist dies wichtig. Auch treten mehrere Alarme nahezu gleichzeitig auf – die sogenannten Alarmschauer. Um dennoch die Fehlerkette und damit letztlich den auslösenden Fehler zuverlässig rekonstruieren zu können, bedarf es einer schnellen und korrekten Aufzeichnung der relevanten Daten. Nur so ist es möglich, Probleme rasch und effektiv zu beheben. Croon Elektrotechniek in Rotterdam, eines der größten niederländischen Unternehmen für die elektrotechnische Ausstattung von Schiffen, setzt bereits auf die Systemlösung der beiden Unternehmen.

Gemeinsam mit Bachmann Electronic und der Firma Controllab wurde mit der Simulationssoftware 20-sim ein virtuelles Modell der Energieversorgung, das heißt der Generatoren und Lasten. Mit dem ebenfalls simulierten Antriebssteuerungssystem verknüpft, lassen sich sämtliche Steuer- und Sensorsignale austauschen und so unterschiedliche Szenarien durchspielen. Anstatt in der Werft oder auf dem Schiff, sitzt der Testingenieur am Schreibtisch und kann über das Integrated Modular Alarm Monitoring and Control System (Bimac) von Bakker alle Tests durchführen. „Am virtuellen Modell lassen sich weit mehr Szenarien durchspielen als bei Prüfungen vor Ort – auch kritische Anlagenzustände, die man in der Realität nie anfahren würde“, unterstreicht Anthon Knoops die Vorzüge von Simulationen.

Auf der Brücke liefern M1-Steuerungen über das Bimac-System Informationen über die verschiedenen Anlagen.

Auf der Brücke liefern M1-Steuerungen über das Bimac-System Informationen über die verschiedenen Anlagen.Bachmann Electronic, Bakker Sliedrecht Electro Industrie, Controllab Products

Dynamischer Konstruktionsprozess

Mit Bimac ändern sich auch die Abläufe und Strukturen in der Konstruktion. Dazu Knoops: „Was in der Mechatronik schon lange üblich ist, führen wir im Schiffsbau ein.“ Anstatt von fixen CAD-Modellen auszugehen, entwickeln wir ein dynamisches Modell, das parallel zum Konstruktionsprozess angepasst wird“, berichtet Paul Weustink, Manager Industrial Projects beim Simulationsspezialisten Controllab. Durch fortlaufende Tests können damit schon in der Entwurfsphase Fehler identifiziert und korrigiert werden, etwa indem die Steuerungsarchitektur entsprechend anpasst wird. Die Grundlage dafür bietet das modulare Steuerungssystem M1 von Bachmann. Controllab setzt bei der Simulations-Software bewusst Standardschnittstellen für den Datenimport und -export ein. Das sorgt für ein müheloses Übertragen kundenspezifischer Programme.

Die Simulation der Schiffsantriebe erfolgt in der Steuerung. Dazu hat Bachmann eine Kommunikationsbibliothek entwickelt, mit der sich der C-Code der Simulation direkt in die Steuerung exportieren lässt und alle Variablen des virtuellen Modells mit den I/O-Variablen der Steuerung verbindet.

Unternehmen im Detail

Bakker Sliedrecht Electro Industrie

Bakker Sliedrecht Electro Industrie wurde 1919 in den Niederlanden gegründet. Das Unternehmen plant, entwickelt und realisiert Lösungen in maritimer sowie industrieller Elektrotechnik. Wartung sowie technische Abnahmen und ein Reparaturservice runden das Portfolio ab. Controllab wurde 1995 an der Universität Twente, Niederlande, gegründet. Das Unternehmen entwickelt und vermarktet Simulations-Software für Industrie und Schiffsbau.

Das System bewährt sich bereits in der Praxis: Bakker Sliedrecht erhielt von Shanghai Zhenhua Heavy Industries (ZPMC) den Auftrag, die Schiffe der N-Klasse (Ndurance, Ndeavor) des Baggerspezialisten Boskalis mit den wichtigsten elektronischen Systemen auszustatten. Der Auftrag umfasst die Planung und Lieferung der Schaltschränke, die Mehrantriebssysteme für Motoren und Winden sowie das Steuerungssystem auf Basis von Bimac und M1-Steuerungen. Noch bevor das Spezialschiff zu Wasser gelassen wurde, konnten alle relevanten Tests nach den strengen Vorgaben von Zertifizierungs- und Klassifizierungsunternehmen durchgeführt werden, von den Azimut-Triebwerken des Schiffes, über die Kupplungen und Getriebe bis hin zu den Dieselgeneratoren. Auch die Verfügbarkeit des Bordnetzes und das Einhalten der Redundanzvorgaben, insbesondere im Hinblick auf die automatische Steuerung des Schiffes mit dynamischer Positionierung, ließen sich testen. „Wir können aufzeigen, was in einem Fehlerfall im gesamten Netzwerk passiert und wie solche Fehler zu vermeiden sind. Dies betrifft nicht nur elektronische, sondern auch mechanische Komponenten“, betont Knoops. Zahlreiche Zertifizierungs- und Zulassungs­gesellschaften sind deshalb an den Testergebnissen interessiert.

Effizienz auf mehreren Ebenen

Mittels modellbasierter Simulation lässt sich bei Entwicklungen Zeit und Geld sparen: Der Bau teurer Prototypen für Testzwecke entfällt. Zudem stehen für spätere Projekte bewährte Steuerungs- und Antriebsmodelle zur Verfügung. Durch das frühzeitige Testen können elektronische und mechanische Komponenten exakt nach Bedarf dimensioniert und spezifiziert werden. Das alles spart Kosten und reduziert so das Gesamtbudget im Schiffsbau.