Auch ohne Anker oder Festmachen die Position halten

Leistungsfähige Steuerungen für maritime Anwendungen

Dynamische Positioniersysteme von Navis Engineering umfassen eine Control Unit, die mit einer Axioline-Steuerung AXC 3050 von Phoenix Contact ausgestattet ist. Die SPS sorgt nicht nur dafür, dass das Schiff seine Position hält, sondern trägt auch zu einer hohen Verfügbarkeit der Applikation bei.


High-Performance-Steuerung AXC 3050 mit dem I/O-System Axioline F
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Das finnische Unternehmen Navis Engineering Oy, das 1992 von vier Wissenschaftlern gegründet wurde, liegt in Vantaa, unmittelbar nördlich der Hauptstadt Helsinki. Navis Engineering hat sich auf die Entwicklung und Herstellung von Manövrier-Steuerungssystemen für alle Schiffstypen spezialisiert. Dazu gehören u.a. Offshore-, Kreuzfahrt- und Fährschiffe, Arbeitsboote, Spezialschiffe sowie Super- und Mega- yachten. Teil des Manövrier-Steuerungssystems ist das sogenannte dynamische Positioniersystem (DPS). Dabei handelt es sich um eine computergesteuerte Lösung zur automatischen Positionierung des Schiffs, sodass auf das Ankern oder Festmachen verzichtet werden kann. Das DPS kommt beispielsweise bei Versorgungsschiffen für Bohrplattformen zum Einsatz, um Mitarbeiter auszutauschen sowie Lebensmittel, Frischwasser und Ersatzteile anzuliefern. Außerdem wird es bei Booten genutzt, die bei der Installation von Offshore-Anlagen unterstützen und hier ihre Position bei Wind und Wellengang beibehalten müssen, damit der Aufbau nicht durch eine Kollision gefährdet wird. Das bedeutet folglich, dass das DPS jederzeit ordnungsgemäß und zuverlässig funktionieren muss.

Hohe Performance durch schnellen Lokalbus

Auf der Suche nach einem neuen Lieferanten für das Automatisierungssystem fiel die Wahl der Verantwortlichen bei Navis Engineering auf Phoenix Contact. Dies, weil das Blomberger Unternehmen eine ganzheitliche Lösung von der Steuerungstechnik über I/O-Systeme bis zur Netzwerktechnik anbieten kann. Ein dynamisches Positioniersystem setzt sich aus einer Control Unit zusammen, die mit der High-Performance-Steuerung AXC 3050 aus dem Axioline-System ausgerüstet ist. Der AXC 3050 wird mit einem Control Computer verbunden, an den Windsensoren, Bewegungsmelder und Kreiselkompasse angeschlossen sind. Die Geräte liefern Informationen zur aktuellen Position des Schiffs sowie zur Stärke von Seitenkräften, welche diesen Standort beeinflussen können. Wird nun an einer Steuerungseinheit eine Position oder der Kurs eingestellt, berechnet der Control Computer auf Basis der Sensorik unter Einbeziehung von Algorithmen die Steuerbefehle der einzelnen Antriebseinheiten des Schiffs, also der Propellergondeln und des Bugstrahlruders. Die Control Unit hat dann die Aufgabe, diese Befehle in Abhängigkeit der jeweiligen Antriebskonfiguration des Schiffs an die sogenannten Input Output Units zu verteilen. Die Antriebe werden anschließend auf der Grundlage der berechneten Konfigurationen mit dem I/O-System Axioline F angesteuert, um die entsprechenden Gegenbewegungen auszugleichen. Aufgrund seiner schnellen Lokalbusgeschwindigkeit zeichnet sich das I/O-System durch eine hohe Performance aus. Die robuste Mechanik sorgt dafür, dass Axioline F über die Zulassungen sämtlicher wichtigen maritimen Klassifizierungsgesellschaften verfügt. Und schließlich gestaltet sich die Installation durch die werkzeuglose Push-in-Anschlusstechnik einfach.

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Umfassende Sicherheit auf Basis eines Redundanzkonzepts mit zusätzlichem Backup-System

DPS-Applikationen lassen sich grundsätzlich in verschiedene Klassifizierungen einteilen. Während ein System der Klasse 1 nur eine Control Unit umfasst, werden die Control Units bei einer Lösung der Klasse 2 redundant ausgelegt. In einem Klasse-3-Konzept gibt es darüber hinaus noch ein Backup-System. Die bei Navis Engineering umgesetzte Lösung ist als Klasse-3-System ausgeführt, die als Backup ein Joystick-Konzept beinhaltet, sodass das Schiff trotz des Ausfalls der beiden anderen Systeme weiterhin manuell manövrierbar ist. Im unwahrscheinlichen Szenario des Ausfalls aller drei Steuerungseinheiten steht für jeden Antrieb zusätzlich eine lokale Handsteuereinheit zur Verfügung. Für die Kommunikation zwischen der Handsteuereinheit und der I/O Unit wird CAN als Übertragungsprotokoll verwendet. Der unterlagerte CAN-Bus lässt sich über das angereihte Kommunikationsmodul AXL F IF CAN in das I/O-System einbinden. Dabei handelt es sich um ein Modul, das als Interface zwischen beiden Systemen arbeitet und das transparente Lesen und Schreiben von CAN-Telegrammen ermöglicht. Durch die entsprechende Programmierung der überlagerten Steuerung eignet sich das AXL F IF CAN für Protokolle wie CANopen, J1939, NMEA2000 sowie weitere proprietäre CAN-Protokolle.

Zuverlässige Unterbindung von Broadcast- oder Multicast-Nachrichten

Für den Datenaustausch zwischen der Control Unit und der I/O Unit wird ein proprietäres IP-basiertes Protokoll genutzt. Um die Übertragung jederzeit sicherstellen zu können, sind die Netzwerkverbindungen zwischen der Control Unit und der I/O Unit redundant konzipiert. Aufgrund der drei logisch und galvanisch voneinander getrennten Ethernet-Schnittstellen des AXC 3050 lassen sich so komplett voneinander getrennte Netzwerke zwischen Control Unit und I/O Unit aufbauen. Sollte es nun beispielsweise auf einem Netzwerk zu einem Timeout kommen, pausiert die Kommunikation hier und die Daten werden von einem anderen Netzwerk übernommen. Durch die getrennten Netzwerke können im Zusammenspiel mit der speziellen Firmware-Funktion Netload Limiter des AXC 3050 zudem die Auswirkungen von Netzwerkstürmen auf die Applikation verhindert werden. Ein Netzwerksturm besteht in der Regel aus Broadcast- oder Multicast-Nachrichten, die eine Gruppe oder sämtliche im Netzwerk installierten Geräte empfangen. Im einfachsten Fall liegt die Ursache in einem gesteckten Ring. Der Netzwerksturm kann aber auch durch einen Denial-of-Service-Angriff (DDoS) oder eine defekte Netzwerkkarte hervorgerufen werden. Wenn die gesamte Breite des Netzwerks durch den Sturm belegt wird, ist das vollständige Netz und damit die jeweilige Applikation nicht mehr funktionsfähig. Über den Netload Limiter, der sich mittels Funktionsbausteinen einfach parametrieren lässt, kann der Anwender Begrenzungsparameter für die Anzahl von Frames oder Bytes festlegen, die er pro Lesezyklus für ein Ethernet-Interface zulassen möchte. Bei Überschreiten der definierten Schwellwerte können vom Benutzer eingestellte Filter aktiviert werden. Kommt der Standardfilter zur Anwendung, wird der komplette Broadcast-Verkehr überprüft und anschließend verworfen. Lediglich der herkömmliche TCP/IP- und der Profinet-Traffic dürfen passieren.

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Erfolgreiche Absolvierung eines Stresstests gemäß DNV GL

Darüber hinaus umfassen die Managed Switches der Produktfamilie FL Switch 2200, die ebenfalls in der Lösung verbaut sind, die Funktion Quality of Service (QoS). Mit ihr kann die Weiterleitung von Datenströmen beeinflusst werden. Dazu enthält der Service einen parametrierbaren Broadcast und Multicast Limiter, der Datenframes bei Überschreitung eines Grenzwerts verwirft. Tritt jetzt in einem Netzwerk zwischen Control Unit und I/O Unit ein Broadcast-Sturm auf, sorgen der Netload Limiter und die QoS-Funktion dafür, dass dieser nur Auswirkungen auf eine Ethernet-Schnittstelle des AXC 3050 hat. Die übrigen Ethernet-Schnittstellen und somit auch die anderen Netzwerke sind nicht vom Broadcast-Sturm betroffen. Durch das Umschalten auf ein intaktes Netzwerk bleibt die gesamte Anlage also weiterhin funktionsfähig. Wegen der erheblichen Gefahr, die in Ethernet-basierten Netzwerken von Netzwerkstürmen ausgeht, besteht gemäß dem DNV-GL-Offshore-Standard DNV-OS-D202 die Anforderung, dass das komplette Netzwerk einem Stresstest unterzogen werden muss. Zu diesem Zweck hat die DNV GL eigene Testfälle und -programme entwickelt, mit denen die verschiedenen Elemente eines Steuerungssystems kontrolliert werden sollen. Denn insbesondere das Netzwerk kann der Schwachpunkt der gesamten Automatisierungslösung sein. Daher ist es sinnvoll, durch geeignete Maßnahmen wie getrennte Netzwerke und intelligente Komponenten einen Schutz vor Szenarien wie Netzwerkstürmen aufzubauen.

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