Komplexe Antriebssysteme steuern

Das Unternehmen MTU gehört zu den weltweit führenden Herstellern von Großdieselmotoren und kompletten Antriebssystemen. Gemeinsam mit MTU Onsite Energy zählt MTU zu den beiden Kernmarken von Rolls-Royce Power Systems. Das Produktprogramm ist umfassend und modern. Es beinhaltet Dieselmotoren und komplette Antriebssysteme für Schiffe, schwere Land- und Schienenfahrzeuge und Industrieantriebe. In ihrer über einhundertjährigen Geschichte haben die Rolls-Royce-Power-Systems-Tochtergesellschaft MTU Friedrichshafen und ihre Vorgängergesellschaften, insbesondere die Maybach-Motorenbau GmbH, eine Vielzahl von Innovationen hervorgebracht und damit bis heute Technikgeschichte geschrieben. Die Motorenbaureihen der Marke MTU decken mit ihren verschiedenen Zylindervarianten ein breites Leistungsspektrum bis 10.000 kW ab und eignen sich daher für den Antrieb zahlreicher Fahrzeug- und Aggregatesysteme. Zu den Hauptumsatzträgern für kommerzielle Anwendungen wie Fähr- und Arbeitsschiffe, Yachten, Bahn- und Schwerfahrzeuge sowie Aggregate gehören die beiden Baureihen 2000 (300 bis 1.500 kW) und 4000 (700 bis 3.500 kW).
Einen entscheidenden Beitrag zur Technologie-Führerschaft bei Dieselantrieben leisten die drei Schlüsselverfahren Aufladung, Einspritzung und Elektronik. Sie werden direkt bei MTU Friedrichshafen entwickelt und produziert, sodass sämtliche Antriebskomponenten optimal aufeinander abgestimmt sind. Durch die Weiterentwicklung der Aufladungs- und Einspritztechnologie sowie der motornahen Elektronik haben sich vor allem Leistung, Emissionen und Verbrauch ständig verbessert. Darüber hinaus erlaubt das Automationssystem die Steuerung und Überwachung des Antriebssystems und der Schiffsbetriebstechnik. Der Antriebsspezialist kann hier die gesamte technische Ausrüstung in die Schiffe integrieren. Das schließt neben den unterschiedlichen Antriebskonzepten und Getrieben die Ankopplung von Leitständen, Sensoren, Stabilisierungssystemen sowie Wettersensorik und Navigationssystemen ein.

Ausgereifte Steuerungstechnik

Die modernen Antriebssysteme, die in Schiffen verbaut sind, verfügen häufig über mehrere Antriebsmaschinen, die zumeist auf Sammelgetrieben arbeiten. In kombinierten Antriebsanlagen werden verschiedene Maschinentypen ausgewählt, beispielsweise eine Kombination aus Dieselmotoren und Gasturbinen. Dies hat den Vorteil, dass man die Schiffe je nach Betriebszustand möglichst effizient betreiben kann. Wird beispielsweise im offenen Gewässer viel Leistung abverlangt, schaltet der Anwender die Gasturbine auf. Eine solche Konstruktion erweist sich jedoch als anspruchsvoll, denn die Getriebe müssen sehr hohe Leistungen schalten und verteilen.
Um derart komplexe Antriebe zu steuern und zu regeln, bedarf es einer ausgereiften Technik. Zur kontinuierlichen Überwachung und Ansteuerung der Motoren, Getriebe und Turbinen setzt MTU daher eine selbst entwickelte Steuerungs- und Regelungslösung ein. Hierbei wird zwischen zwei Systemen unterschieden: dem Motormanagement- und dem Automationssystem. Das Motormanagement-System regelt die Betriebszustände der Maschinen hinsichtlich Drehzahl und -moment sowie die Abgas-Emission. Das Automationssystem liefert die Vorgaben für das Motormanagement-System und realisiert dazu intelligente Steuerungsfunktionen für bestimmte Manöver wie beispielsweise den Crash-Stopp. Darunter ist ein Not-Halt zu verstehen, indem der Kapitän möglichst schnell die Fahrt aus dem Schiff nimmt. Ferner ermöglicht das Automationssystem die Steuerung des Kurses durch die Beeinflussung der Drehzahl von Schiffs-Antriebswellen mit mehr als einer Schraube. Das als Delta-Schubregelung bezeichnete Manöver hat den Vorteil, dass die Kurskorrektur aus einer differentiellen Drehzahl- und damit Schubänderung resultiert. So wird die Ruderlage umgangen, die einen erhöhten Energieaufwand für die Kurskorrektur erfordern würde.

Unterbrechungsfreie Kommunikation

Das Laufzeitsystem (eCLR) für die MTU-Hardware der Vorortsteuerung im Maschinenraum wird als Software-Komponente von Phoenix Contact Software geliefert. Neben dem Antriebssystem gibt es in großen Schiffen weitere Systeme, die man ebenfalls überwachen, steuern oder regeln muss. Häufig handelt es sich dabei um verteilte Lösungen auf Basis von klassischen SPS (speicher-programmierbare Steuerungen), mit denen überall im Schiff Sensordaten aufgenommen und verarbeitet werden, um Aktoren zu bedienen, die an verschiedenen Orten verbaut sind. Dieses Umfeld nennt man Schiffsbereich, der zum Beispiel Feuer- und Rauchmelder oder IP-Kamerasysteme beinhaltet. Moderne Schiffe benötigen deshalb eine entsprechende Netzwerk-Infrastruktur. Aus Gründen der Ausfallsicherheit sind Schiffsnetze entweder als zwei parallel verlegte Netzwerke oder als redundante Ringstruktur organisiert. MTU Friedrichshafen nutzt unter anderem Switches und Router von Phoenix Contact, sodass bei Störung einer Netzwerkleitung sofort reagiert werden kann und sich der Netzbetrieb ohne Unterbrechung aufrechterhalten lässt.

Ankopplung von bis zu 20.000 Messstellen

Zusätzlich zu den Komponenten, die sich direkt in ein Netzwerk einbinden lassen, verfügen Schiffe über Feuermelder, Türkontakte, Pumpenantriebe und weitere Anwendungen, die nicht unmittelbar an das Netzwerk anschließbar sind. An dieser Stelle kommen die Kleinsteuerungen von Phoenix Contact ins Spiel. Das modular aufgebaute Inline-Installationssystem ermöglicht es, I/O-Stationen individuell gemäß den spezifischen Applikationsanforderungen zu konfigurieren. Die elektrischen Signale der Sensoren werden durch die Inline-Steuerung vorverarbeitet und über das Netzwerk an die Leitebene übertragen. Das hört sich im ersten Moment einfach an, gestaltet sich jedoch umso komplizierter, wenn auf einem Schiff bis zu 20.000 solcher Messstellen und bis zu 25 Leitstände anzukoppeln sind. Die ILC-1x1-Anbindung an die Leitebene erfolgt über OPC-Technologie.
Zusätzlich zu den ein bis sechs Fahrständen kann man im Maschinenraum eine Vor-Ort-Bedienung durchführen. Alle Fahrstände sowie die Vorort-Bedieneinheiten sind miteinander verbunden. Mit entsprechender Software ausgestattete Notebooks lassen sich über das Bordnetzwerk beispielsweise im Maschinenraum anschließen, um die Antriebsmaschine im manuellen Modus direkt zu steuern. Auf den festverbauten Leitständen und den mobilen Operator Stations bekommt der Mitarbeiter die jeweiligen Bedienoberflächen je nach Bedienerrolle respektive Örtlichkeit angezeigt.

Systeme für die Schiffsautomation

Zur Realisierung eines Ingenieur-Alarm-Systems setzt MTU maritime Anzeigegeräte von Phoenix Contact ein, die speziell für die rauen Umweltbedingungen auf See und die salzhaltige Luft konzipiert sind. Von der Laufzeitumgebung als Software-Komponente über Steuerungen (SPS) mit entsprechenden I/O-Modulen und ­Switches/Router für die Schiffs-Infrastruktur bis zu maritimen Bediengeräten profitiert MTU Friedrichshafen somit vom umfassenden Know-how des Blomberger Automatisierungsspezialisten. rt |

Dipl.-Ing. Michael Gulsch arbeitet im Produktmarketing PLC bei Phoenix Contact Electronics in Bad Pyrmont.

  • Als Systemanbieter liefert MTU nicht nur Motoren, sondern ganze Antriebssysteme inklusive der passenden Automationstechnik.
  • Die Bedienelemente im Leitstand sind derzeit über das Netzwerk mit den Motorregelungen verbunden.
  • Bevor eine Regelung in die Serie geht, wird sie im Labor ausgiebig getestet.
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