27.05.2014

Vernetzte Steuerungstechnik für die Schifffahrt

In Fahrgastschiffen für die Binnenschifffahrt werden in der Elektrotechnik häufig noch alle Sensoren und Aktoren einzeln verkabelt. Dieser große Material- und Arbeitsaufwand lässt sich durch den Einsatz eines modernen Bussystems deutlich verringern. Die Duisburger Firma Anleg setzt bei der Ausrüstung eines elektrobetriebenen Katamarans auf Steuer- und Bediengeräte sowie I/O-Module von Graf-Syteco, die über CAN-Bus miteinander kommunizieren. Als zusätzliche Benutzerschnittstelle wird ein iPad verwendet.

Autor: Uwe Schumann, Graf-Syteco GmbH & Co. KG


Steuer- und Bediengerät mit TCP/IP- und Can-Bus-Schnittstellen

Das MCQ6000 von Graf-Syteco ist ein Steuer- und Bediengerät, das mit einer Kombination aus modernen ARM-Prozessor und separaten Grafikcontroller eine sehr schnelle interne Verarbeitung der Daten gewährleistet Um Maschinenzustände zu visualisieren, hat das MCQ6000 ein Display mit einer Bildschirmdiagonalen von 10,4". Mit 450cd/m² und einer VGA-Auflösung von 640x480 Pixel lässt sich das Display auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen gut ablesen. Neben Maschinenzuständen können mit dem Display auch Kamerabilder dargestellt werden. 16 frei programmierbare Funktionstasten und zwei digitale Potentiometer mit Druckfunktion sind auf der Front integriert. Damit lässt sich eine intuitiv bedienbare Benutzeroberfläche implementieren, über die der Bediener sehr einfach Daten eingeben und Steuerungsfunktionen aufrufen kann. Zur Kommunikation sind zwei CAN-Bus-Schnittstellen, drei serielle Schnittstellen, Ethernet und eine schnelle USB-Schnittstelle vorhanden. Projektier werden die MCQ-Geräte mit der integrierte Entwicklungsumgebung GDS. Das GDS-Paket besteht aus den Programmen GDS-Designer, GDS-C-Edit und GDS-Logic. In GDS-Designer stehen bereits viele fertige Objekte zur Verfügung, die der Projektierer in eigene Projekte übernehmen kann. Die Darstellung innerhalb der Software entspricht dabei exakt der späteren Bildschirmdarstellung auf dem Gerät. Komplexe Programmabläufe lassen sich wahlweise in der Hochsprache C programmieren. Hierfür bietet sich GDS-Edit als ideales Werkzeug an. Eine weitere Alternative ist GDS-Logic, bei dem die Komponenten und I/Os mit der Maus auf einer grafischen Arbeitsfläche platziert und verbunden werden. Die Code-Erstellung läuft dabei vollautomatisch im Hintergrund ab, sodass auch Anwender mit wenig Programmiererfahrung anspruchsvolle Anwendungen erstellen können.

Bild 1: Die Steuerungsarchitektur basiert auf CAN-Bus und TCP/IP - weitere Komponenten sind über WLAN angebunden.
Bild: Anleg GmbH

8m breit, 25m lang und ein sehr geringer Tiefgang - das sind die Rahmendaten des neuen Fahrgastschiffes für 250 Passagiere, das in diesem Jahr seinen Dienst auf dem Rursee in der Eifel antreten wird. Das Schiff hat einige Besonderheiten: So handelt es sich um einen Katamaran, der durch die Bauform sehr stabil im Wasser liegt und sich durch ein vergleichsweise geringes Gewicht auszeichnet. Speziell sind auch die Antriebe des Fahrgastschiffs, denn diese sind rein elektrisch. Dadurch ist das neue Fahrgastschiff leise und abgasfrei, was speziell in einem Naherholungsgebiet wie dem Rursee von großer Bedeutung ist.

Batterien im Doppelrumpf

Die Batterien für die Antriebe sind in den beiden Teilen des Doppelrumpfes untergebracht. Die Kapazität der Hochleistungsbatterien, die eine Spannung von 96V für die Elektromotoren liefern, ist auf den Fahrgastbetrieb auf dem Rursee ausgelegt. Eine Batterieladung ermöglicht einen Betrieb von etwa 10h, was für den typischen täglichen Fahrbetrieb auf jeden Fall ausreichend ist. Der Ladevorgang, der über Nacht erfolgt, braucht ebenfalls etwa 10h. Morgens steht das Schiff also wieder voll aufgeladen für die Gäste bereit. Die beiden Rümpfe des Katamarans sind in jeweils fünf Segmente unterteilt, die mit separaten Lenzpumpen ausgestattet sind. Über Sensoren in den einzelnen Segmenten wird der Wasserstand detektiert, um dann gegebenenfalls die Lenzpumpen zu aktivieren.

Moderne Steuerungsarchitektur

In der Elektrotechnik des neuen Elektrokatamarans kommen Steuerungen und Bediengeräte zum Einsatz, die in einer modernen Steuerungsarchitektur betrieben werden. Das System, mit dem u.a. die Batterien und die Lenzpumpen überwacht und gesteuert werden, hat das Duisburger Unternehmen Anleg GmbH realisiert. "Ein möglicher Wassereinbruch, muss natürlich rechtzeitig erkannt werden", erklärt Wilfried Müller, der das Projekt bei Anleg betreut: "Deswegen sind eine ständige Überwachung des Wasserstands in den Segmenten der Rümpfe und eine automatische Steuerung der Pumpen erforderlich." In Binnenschiffen kommt häufig noch eine klassische Verkabelung der Steuerungsarchitektur zum Einsatz. Um die große Anzahl Kabel und die damit verbundene aufwendige Installation zu vermeiden, setzt man bei Anleg auf eine Steuerungsarchitektur, die auf CAN-Bus-Kommunikation beruht. Zum Einsatz kommt ein Steuerungs- und Bediengerät vom Typ MCQ6000 von Graf-Syteco. Über den CAN-Bus, der serienmäßig in den Geräten verfügbar ist, kommuniziert die Steuerung mit einem digitalen I/O-Modul vom Typ MCM250, das direkt an den CAN-Bus angeschlossen ist. Das I/O-Modul, das durch seine hohe Schutzart IP67 problemlos auch in rauer Umgebung einsetzbar ist, hat vier digitale Ein- und acht digitale Ausgänge. Die Eingänge werden in der Anwendung zum Anschluss der Wasserstandssensoren verwendet. Die Ausgänge können bei Bedarf die Lenzpumpen schalten. Die gesamte Kommunikation zwischen Steuerung und den I/O-Modulen geschieht über den CAN-Bus. "Statt aufwändiger Verkabelung aller Sensoren und Lenzpumpen ist jetzt lediglich ein Buskabel notwendig", nennt W. Müller den Hauptvorteil dieser Steuerungsarchitektur. Über die Steuerung und die I/O-Module werden außerdem die Positionslichter am Schiff geschaltet. Die ordnungsgemäße Funktion der Positionslichter muss gemäß den Vorschriften ständig überwacht werden. Dies realisiert man bei Anleg über die Stromrücklesung der I/O-Module. "Zusätzliche Hardware oder Installationen sind dadurch nicht notwendig", erklärt W. Müller. An das MCQ6000 lassen sich bis zu vier Videokameras anschließen, deren Bild auf dem 10,4" großen Display angezeigt werden kann. Auch diese Funktionalität kommt auf dem neuen Fahrgastschiff zum Einsatz.

Bedienung übers iPad

Neben der Bedienung und Visualisierung auf dem MCQ600, das auf der Brücke des Fahrgastschiffs installiert ist, lässt sich auch über ein iPad auf das System zugreifen. Dazu wird an die TCP/IP-Schnittstelle des MCQ6000 ein WLAN-Router angeschlossen über das das iPad angebunden wird. Über das iPad lassen sich dann alle Zustände des Systems an beliebiger Stelle auf dem Schiff visualisieren. Dabei entsprechen die Darstellungen auf dem mobilen Gerät stets denen auf dem fest installierten Bediengerät auf der Brücke. Auch ein Fernzugriff über einen Cloud-Service ist mit dieser Architektur möglich. Dazu wird über den WLAN-Router eine Mobilfunkverbindung zum Internet aufgebaut. Dies ist insbesondere während des Ladevorgangs der Batterien über Nacht wichtig. Sollte beim Ladevorgang einmal eine Fehlfunktion auftreten, kann das System eine Alarmierung über SMS oder E-Mail vornehmen. "Diese Funktion stellt für den Betreiber einen großen Vorteil dar", sagt W. Müller, "da er so auf einen Fehler beim Ladevorgang direkt reagieren kann." Anderenfalls wäre das Fahrgastschiff am nächsten Tag im schlimmsten Fall nicht einsatzbereit.

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CAN und TCP/IP in einem Gerät entscheidend

Die moderne Steuerungsarchitektur auf dem Elektrokatamaran bietet viele Vorteile. Dadurch, dass die Kommunikation mit der Peripherie über den CAN-Bus stattfindet, lässt sich bei der Installation viel Zeit, Material und Geld sparen. Die Einbindung des iPad in die Steuerungsarchitektur bietet ein hohes Maß an Flexibilität. Bei der Auswahl der Steuerungshardware war vor allem wichtig, dass das Bediengerät auf der Brücke sowohl eine TCP/IP- als auch eine CAN-Bus-Schnittstelle hat. Nur so konnte die Steuerungsarchitektur mit CAN-Bus-Anbindung der Peripherie und WLAN- und Internetanbindung für die Bedienung realisiert werden. "Die Ausstattung der Steuerungs- und Bediengeräte mit allen notwendigen Schnittstellen hat den Ausschlag für Graf-Syteco als Lieferant gegeben", fasst W. Müller seine Erfahrungen aus dem Projekt zusammen.

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