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Technik zum Schutz der Weltmeere

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Das skalierbare, multifunktionale Kontrollsystem POSEIDON kann in beliebiger Komplexität realisiert werden. Die Aktoren werden dabei ringförmig oder sternförmig vernetzt – auch Kombinationen sind möglich. (Quelle: S-two GmbH & Co. KG)

Im Bauch von größeren Schiffen wie Container- oder Massengutfrachtern, aber auch Spezialschiffen wie absenkbaren Schwertransportschiffen (Halbtaucher) befinden sich oft mehr als fünfzig Tanks, in denen Trinkwasser, verschiedene Treibstoffsorten oder Ballastwasser gespeichert werden. Der Inhalt muss während des Be- und Entladungsvorgangs, aber auch während der Fahrt, überwacht und bei Bedarf umgepumpt werden, um die Stabilität und den sicheren Betrieb des Schiffs unter allen Betriebskonditionen und Beladungszuständen zu gewährleisten.

Zu den führenden Herstellern integrierter Steuerungssysteme für das Ballastwasser-, Treibstoff- und Bilgewassermanagement gehört die S-two GmbH & Co. KG. Mit dem vom Unternehmen entwickelten Schiffskontrollsystem POSEIDON lassen sich Treibstoff- und Wasserflüsse im Schiff sicher und effizient steuern und überwachen. Gleichzeitig erfasst das System über Sensoren Füllstände, Temperaturen und Prozessdrücke, alarmiert die Besatzung, wenn die Sollwerte voreingestellte Bereiche über- oder unterschreiten und stellt Schnittstellen zu anderen Schiffssystemen bereit.

Höchste Anforderungen an Sicherheit, Verfügbarkeit und Wartungsfreundlichkeit

„Gerade bei Spezialtransport- und Hebeschiffen für den Offshore-Bereich überlagern sich die Aufgabenbereiche durch die fortschreitende Integration von unterschiedlichsten Automatikfunktionen immer weiter“, erläutert Christoph Ihnen, Technischer Leiter bei S-two. „Entsprechend flexibel muss heute ein modernes Schiffskontrollsystem sein – ohne dabei aber Aspekte wie die Einhaltung höchster Sicherheitsstandards, die Hochverfügbarkeit der Systeme, die einfache Handhabung oder die Installations- und Wartungskosten zu vernachlässigen.“

Wie im klassischen Anlagen- und Maschinenbau halten daher auch im wesentlich konservativeren Marinebereich seit einigen Jahren Bussysteme, speicherprogrammierbare Steuerungen und intelligente Antriebe Einzug.

S-two gehört zu den Pionieren auf diesem Gebiet. So hat das Unternehmen den Smart ShipBus entwickelt, der zwei völlig voneinander getrennte Busse in einem gemeinsamen Kabel vereint. Dieser doppeltredundante, bidirektionale Bus nutzt als physikalisches Medium für die Datenübertragung den verbreiteten Schnittstellenstandard RS422 und wird in einer Ringtopologie betrieben. Das Datenprotokoll des Smart ShipBus haben die Experten von S-two speziell für den Einsatz im Schiffbau konzipiert. Die Übertragungssicherheit hatte daher bei der Entwicklung die höchste Priorität, während der Übertragungsgeschwindigkeit wegen der vergleichsweise langsamen Prozesse nur eine nachrangige Bedeutung eingeräumt wurde. „Der Smart ShipBus benötigt in der Folge als physikalisches Übertragungsmedium kein spezielles Kabel“, unterstreicht Ihnen. „Es muss nicht einmal abgeschirmt sein. Im Prinzip würde sogar ein einfacher Klingeldraht ausreichen.“

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Bei durchschnittlich sechzig bis hundert Ventilantrieben stößt die klassische Sternverdrahtung an ihre Grenzen. Der Smart ShipBus reduziert mit seiner dezentralen Anschlussmöglichkeit für Sensoren den Verkabelungs- und Inbetriebnahmeaufwand gegenüber der Sternverdrahtung ganz erheblich und ermöglicht erheblich kleinere Schaltschränke. (Quelle: S-two GmbH & Co. KG)
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Poseidon stellt für die Ansteuerung der Armaturen elektro-hydraulische, elektrische, hydraulische und pneumatische Antriebe bereit. (Quelle: S-two GmbH & Co. KG)

Dezentrale Intelligenz mit Sensoranschluss

Über den Smart ShipBus kommunizieren elektrohydraulisch angetriebene Ventilklappen mit der Steuerung des Schiffkontrollsystems. Jeder elektrohydraulische Antrieb ist dafür mit einer Local Processing Unit (LPU) ausgestattet, deren sehr leistungsfähiger RISC-Prozessor neben der Buskommunikation zusätzlich die Ansteuerung der Ventilmotoren übernimmt. Außerdem ist sie in der Lage, die Messwerte von bis zu vier, frei konfigurierbaren, analogen oder digitalen Eingangsquellen mit hoher Genauigkeit zu erfassen und über den Bus an die Steuerung zu übermitteln.

„Bei durchschnittlich sechzig bis einhundert Ventilantrieben und einer oft noch höheren Anzahl an Temperatur-, Prozessdruck-, Durchfluss- und Füllstandsensoren, stößt die klassische Sternverdrahtung an ihre Grenzen“, erklärt Christoph Ihnen. „Der Smart ShipBus mit seiner dezentralen Anschlussmöglichkeit für Sensoren reduziert hier gegenüber der Sternverdrahtung den Verkabelungs- und Inbetriebnahmeaufwand ganz erheblich und erspart der Schiffswerft somit erhebliche Kosten.“ Dem kommt große Bedeutung zu, da der Verlegeaufwand im Schiffbau wegen der erforderlichen Kabelarmierungen und Zugentlastungen sowie der großen Distanzen und schlecht zugänglichen Kabeltunnel erheblich größer ist als im klassischen Maschinenbau. Nicht zuletzt ermöglicht diese Technologie erheblich kleinere Schaltschränke als bisher im Schiffbau üblich – und Platz ist an Bord von Schiffen das kostbarste Gut.

Redundanter bidirektionaler Kommunikations- und Power-Bus

Noch einfacher ist der Verkabelungs- und Inbetriebnahmeaufwand, wenn der inzwischen patentierte Smart ShipPowerBus zum Einsatz kommt. Zusätzlich zur Funktionalität des Smart ShipBus hat S-two hier die Stromversorgung der Antriebe in den Bus integriert. Wird die Kommunikation oder die Stromversorgung zum Beispiel durch einen Wassereinbruch unterbrochen, erkennt das die Steuerung, setzt einen Alarm ab und informiert die Schiffsbesatzung über die Bedienstation und mittels Ethernet über die Ursache und den Ort des Fehlers.

Wird ein Antrieb als defekt erkannt, wird er beim Neustart des Systems von der Stromversorgung beidseitig galvanisch abgekoppelt und nicht mehr mit Strom versorgt. Dank der Ringtopologie können die restlichen Antriebe uneingeschränkt weiter betrieben werden.

Sicherer Notbetrieb bei totalem Stromausfall

Optional kann jedes POSEIDON-System mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) ausgerüstet werden, die das automatische, sichere Schließen lebenswichtiger Ballastventile bei Ausfall beider Generatoren und somit die Stabilität des Schiffes sicherstellt. Gerade auf Hebeschiffen stellt dies einen erheblichen Sicherheitsgewinn für die oft extrem kostbare Fracht dar und verschafft dem Reeder einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil.

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S-two verfügt über eine eigene Montagelinie für hydraulische und elektrohydraulische Antriebe. (Quelle: S-two GmbH & Co. KG)
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Als Visualisierungsgeräte nutzt S-two Power Panels 500. Es handelt sich dabei um eine Serie der am Markt bewährten Panels mit integrierter Steuerung von B&R. Die Geräte verfügen über eine GL-Zulassung. (Quelle: B&R)

Steuerungs- und Visualisierungstechnik mit GL-Zulassung

Je nach den Anforderungen des Schiffsbetreibers und der Klassifikationsgesellschaft bietet S-two auf der Steuerungsebene zwei Redundanzstufen. In der einfacheren Variante wird neben der aktiven speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit angereihten digitalen und analogen I/O-Modulen (für die Buskommunikation und die direkte Anbindung von Sensoren oder Aktoren) aus der X20-Serie von B&R eine zweite, stromlose SPS mit der gleichen Software installiert. Fällt die aktive Steuerung aus, kommt die Reservesteuerung zum Einsatz.

Die maximale Systemverfügbarkeit bietet die Redundanzstufe 0. Dabei werden zwei identische B&R-Steuerungen mit derselben Software sowie allen dazugehörigen Eingangs- und Ausgangsmodulen aus dem X20-System parallel betrieben. Beide Steuerungen arbeiten absolut synchron und überwachen gegenseitig ihre Aktivitäten. Bei einer Störung der Haupt-SPS wird die zweite SPS einschließlich ihrer I/O-Ebene aktiviert und gewährleistet somit eine permanente Systemverfügbarkeit ohne Unterbrechung.

„Wir setzen schon seit vielen Jahren Steuerungen von B&R in Schiffen ein. Dass wir immer mit dem gleichen Lieferanten zusammengearbeitet haben, hat gleich mehrere gute Gründe“, sagt der Technische Leiter von S-two. „Zum einen ist B&R unserem Wunsch nach einer Zulassung des X20-Systems durch den Germanischen Lloyd vor zwei Jahren nachgekommen, so dass wir eine absolut moderne und skalierbare Steuerungsplattform einsetzen können, auf der wir auch die Software der Vorgängergeneration weiter verwenden können. Zum anderen stellt unser Smart ShipBus sehr hohe Anforderungen an das serielle Schnittstellenmodul. Eine umfangreiche Marktanalyse und umfangreiche Versuche haben gezeigt, dass das nur B&R mit dem X20-System erfüllen kann. Entscheidend ist dabei die lokale Intelligenz des Moduls, die für die Vorverarbeitung der Protokolldaten genutzt werden kann, ohne alle Busdaten über den internen Bus zur SPS übertragen zu müssen.“

„Für B&R spricht aber auch der ausgesprochen gute Support durch die technischen Büros vor Ort, die internationale Präsenz des Unternehmens sowie die hohe Qualität der Produkte“, betont Christoph Ihnen. Bisher wurden über 130 Poseidon-Systeme mit Steuerungen von B&R ausgestattet. „Umso erfreulicher ist es, dass die aktuellen B&R-Visualisierungsgeräte wie das Power Panel 500 die GL-Zulassung haben, so dass wir die Geräte auch in solchen Anwendungen einsetzen können, für die eine entsprechende Klassifizierung zwingend vorgeschrieben ist“, sagt der S-two Manager.

Die Verantwortlichen von S-two rechnen damit, dass das Poseidon-System wegen seiner herausragenden Leistungsmerkmale zukünftig nicht nur vermehrt in Schiffen, Ölplattformen und anderen Offshore-Anwendungen, sondern auch auf Land in prozesstechnischen Anlagen zum Einsatz kommen wird.

Christoph Ihnen

Technischer Leiter bei S-two

„Für B&R spricht der ausgesprochen gute Support durch die technischen Büros vor Ort, die internationale Präsenz des Unternehmens sowie die hohe Qualität der Produkte. Bisher wurden über 130 Poseidon-Systeme mit Steuerungen von B&R ausgestattet.“

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