Referenz

21. Januar 2019
Still ruht der See

Eingebettet in einem beeindruckend idyllischen Bergpanorama, sorgt der Vierwaldstättersee in der Zentralschweiz mit seiner fjordartigen Form und den vielen verwinkelten Buchten für eine urige Atmosphäre. Mittendrin: täglicher Schiffsverkehr, der Touristen zwischen Luzern und beliebten Reisezielen wie Weggis und Bürgenstock befördert. Klingt weniger idyllisch, funktioniert aber auch umweltschonend: Das neue Motorschiff der Schifffahrtsgesellschaft des Vierwaldstättersees (SGV) „MS Bürgenstock“ überzeugt durch einen leisen und kraftstoffsparenden Hybridantrieb. Für eine optimale Aussteuerung zwischen den Energiequellen „Elektro“ und „Diesel“ sorgt Aventics aus Laatzen, ein Spezialanbieter für Antriebssteuerungen für Schiffe – der seine Lösungen seit vielen Jahren mit dem modularen 750er-I/O-System von WAGO erweitert.

Nach zweijähriger Planungs- und Bauzeit war es Ende Mai so weit: Das neue Shuttle-Schiff MS Bürgenstock der SGV stach feierlich zur Jungfernfahrt in See, um künftig auf der Linie Luzern – Kehrsiten-Bürgenstock täglich von früh morgens bis Mitternacht im Stundentakt im Einsatz zu stehen.

Besucher, die bei der Schiffstaufe aber auf den typischen Sound des Dieselmotors warteten, hörten erst einmal wenig: Der von der Shiptec AG als Shuttle konzipierte Katamaran wurde mit der Vorgabe entwickelt, ihn im Luzerner Seebecken nur im Elektromodus, gespeist aus Batterien, fahren zu lassen – der Schiffsführer schaltet erst auf rund der Hälfte der Strecke auf die Dieselmotoren um. Rudolf Stadelmann, Geschäftsführer bei Shiptec: „Die MS Bürgenstock ist eine moderne, innovative und ökologisch sinnvolle „Brücke“ zwischen Luzern und dem Bürgenstock Ressort Lake Lucerne.“ Es sei aber auch eine schnelle Brücke, fährt das Schiff doch auf seiner Fahrt mit bis zu 35 Schiffsentwurf und Engineering bei Shiptec, erklärt, dass die Antriebsanlage aus zwei je 552 kW leistenden Scania-Dieselmotoren und zwei permanent erregten Siemens-Synchronelektromotoren mit je 180 kW besteht. „Grundsätzlich nutzen wir beim Fahren außerhalb des Hafenbereichs die Dieselmotoren”, sagt Einsiedler. „Hier arbeiten die Elektromotoren als Generatoren, die die Energie für das Schiff und die Systembatterien liefern. Diese Systembatterien wiederum stellen die Energie für den elektrischen Antrieb und die Bordstromversorgung im Luzerner Seebecken zur Verfügung. Etwa 50 Prozent der gesamten Fahrzeit wird rein elektrisch gefahren.“ Komplexes System, zuverlässige Lösung Um die komplexen Prozesse bei diesem vollhybriden Antriebs- und Stundenkilometer und schafft die Strecke so in 23 Minuten.

Das Hybridmotorschiff Bürgenstock schont die Schweizer Umwelt – mit innovativer Antriebs-
steuerung von Aventics

Produktübersicht

Alle Daten in der Antriebssteuerung werden von dem WAGO-I/O-SYSTEM aufgenommen, ausgewertet und weitergeleitet – unser Controller dient dann im Prinzip nur noch als normales Fernsteuerungsgerät, das Informationen mit dem WAGO System austauscht. Ein eingespieltes Team, das gut funktioniert.

Bei der Konzipierung der Antriebstechnik eruierte Shiptec die jeweils ökonomisch optimalste Variante. Mit ähnlich großen Schiffen wurden dafür vergleichbare Fahrprofile gefahren und die Bedarfe und Verbräuche von Antrieb und Bordnetz erfasst. Basierend auf diesen Daten hat man sich für ein parallelhybrides Energie- und Antriebssystem entschieden. Martin Einsiedler, Leiter Schiffsentwurf und Engineering bei Shiptec, erklärt, dass die Antriebsanlage aus zwei je 552 kW leistenden Scania-Dieselmotoren und zwei permanent erregten Siemens-Synchronelektromotoren mit je 180 kW besteht. „Grundsätzlich nutzen wir beim Fahren außerhalb des Hafenbereichs die Dieselmotoren”, sagt Einsiedler. „Hier arbeiten die Elektromotoren als Generatoren, die die Energie für das Schiff und die Systembatterien liefern. Diese Systembatterien wiederum stellen die Energie für den elektrischen Antrieb und die Bordstromversorgung im Luzerner Seebecken zur Verfügung. Etwa 50 Prozent der gesamten Fahrzeit wird rein elektrisch gefahren.“

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Die Antriebsanlage der MS Bürgenstock besteht aus zwei je 552 kW leistenden Scania-Dieselmotoren und zwei permanent erregten Siemens- Synchronelektromotoren mit je 180 kW.

Komplexes System, zuverlässige Lösung

Um die komplexen Prozesse bei diesem vollhybriden Antriebs- und Energiemanagement reibungslos ablaufen zu lassen und ein sowohl ausfallsicheres als auch schnelles Umschalten beider Energiequellen zu gewährleisten, sind die Anforderungen an die Antriebssteuerung entsprechend hoch, wie Marius Mudroch von Aventics unterstreicht: „Das komplizierte an der Hybridtechnologie ist, dass wir zwei Antriebsarten haben, die in ihrer Dynamik und ihrem Verhalten unterschiedlich sind. Der Schiffsführer hat immer die Möglichkeit, je nach Fahrprofil zwischen den Antrieben zu wählen oder kombiniert zu fahren“, so Mudroch, der sich bei Aventics seit zehn Jahren auf die Entwicklung von Hybridsteuerungen im Schiffsautomationsbereich spezialisiert hat und sich auch für das Schweizer Projekt verantwortlich zeigte. Die unterschiedlichen Fahrprofile sind dabei in der Steuerung hinterlegt – im Falle der Bürgenstock auf dem CAN-Controller des WAGO-I/O-SYSTEMs 750.

„Unsere eigenen Steuerungen haben eine begrenzte Anzahl an digitalen wie analogen Ein- und Ausgängen. Daher greifen wir seit Jahren bei größeren Projekten mit vielen Schnittstellen – was bei einem Hybridantrieb der Fall ist – auf die 750er-Serie von WAGO zurück“, sagt Mudroch. Diese sei für die Aventics-Geräte vorbereitet und darauf programmiert; die Module könnten flexibel zusammengesteckt werden. „Das Praktische bei dem 750er-System ist, dass wir die Anzahl der Module selbst bestimmen können, im Fall unseres Hybridmotors sind es insgesamt zehn. Dabei ist der WAGO CANopen-Controller (750-837) als Kopf gewählt, der sich in CODESYS programmieren lässt.“ Ein weiterer Vorteil seien die schnelle Aufstartzeiten: Wird das System eingeschaltet, ist die Steuerung innerhalb von wenigen Sekunden betriebsbereit. „Mit dem CAN-Bus verbinden wir unsere und die WAGO Steuerung, dann läuft das.“ Die Funktionen des Hybridantriebs werden über das Softwarewerkzeug WAGO-I/O-PRO auf Basis von CODESYS V2.3 im WAGO Controller programmiert, „unser Controller dient dann im Prinzip nur noch als normales Fernsteuerungsgerät, das Informationen mit dem WAGO System austauscht“, erklärt Mudroch. Alle Kennlinienumschaltungen sind im 750er-System programmiert; hier werden Daten ausgewertet und weitergegeben. Wählt der Kapitän zum Beispiel den Elektromotor an, bereitet der Controller den Hybridantrieb auf den Elektromodus vor. Abhängig von den Anforderungen kann der Elektromotor dann als zusätzlicher Schub im Boost-Betrieb oder als Wellengenerator benutzt werden. Zudem bereitet die Steuerung analoge Werte wie die Drehzahl des Dieselmotors oder die Hebelposition auf. Über fest im Speicher verankerte Variablen kann sie aber nicht nur programmiert, sondern auch parametriert werden – Parameter stellen zum Beispiel dar, wann Verzögerungszeiten oder andere Funktionalitäten zum Einsatz kommen sollen, die an- oder abgeschaltet werden müssen.

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Präzision ist beim Einbau der tonnenschweren modularen Antriebseinheit gefragt gewesen – seit Mai 2018 fährt die MS Bürgenstock mit ihrem Hybridantrieb auf dem Vierwaldstättersee.

Es ist ein gutes Zusammenspiel zwischen unserer Steuerung und der von WAGO.

Marius Mudroch, Aventics

Hybridantriebe immer innovativer

Zwei unterschiedliche Antriebsquellen, mehr Signale – dadurch erhöht sich entsprechend auch die Anzahl der Fehlermöglichkeiten, gibt Marius Mudroch zu bedenken: „Auftretende Fehler müssen von der Steuerung so behandelt werden, dass das Schiff den Anforderungen entsprechen reagiert, zumal für einen Kapitän bei einem Hybrid nicht sofort ersichtlich ist, welcher Teil des Antriebs die Fehlermeldung erzeugt hat.“ Für jeden Moduswechsel wird eine Schrittkette gestartet. Nach jedem Schritt kontrolliert die Steuerung, ob er auch vollständig durchgeführt wurde. „Von den Regeln der Klassifikationsgesellschaften wird bestimmt, wie sich das Schiff im Falle eines Fehlers zu verhalten hat“, erklärt Mudroch. Bei einem Seeschiff sollte der letzte Fahrzustand bei einem Fehlerfall möglichst erhalten bleiben, damit der Schiffsführer entscheiden kann, ob er weiterfährt oder den Motor per Notstop ausstellt. „Binnenschiffe wie die Bürgenstock wiederum schalten den Motor zügig bei einem Ausfall aus, weil die natürlich relativ schnell in Ufernähe kommen“, so Mudroch weiter.

Die Entwicklungszeit der Steuerung schätzt Mudroch auf eine Woche: „Ich habe meine Philosophie und meine Vorerfahrungen, wie ich die Kennlinienumschaltungen umsetze. Die Anforderungen an Hybridantriebe für Schiffe haben sich in den vergangenen Jahren aber schon stark verändert.“ Sollte in seinen Anfangsprojekten der Hybrid nur als Redundanz entwickelt werden, um möglichen Ausfällen vorzubeugen, nimmt der Elektroantrieb heute einen immer aktiveren Part ein. Die MS Bürgenstock ist übrigens nicht das erste Schiff mit elektrischem Antrieb, das auf dem Vierwaldstättersee fährt: Bereits 2017 wurde das Vorgängermodell, die „MS Diamant“, von der SGV in Betrieb genommen. Dank des leichten Gewichts, der optimierten Rumpfform und des Hybridantriebs kann dieses Kurs- und Eventschiff rund 20 Prozent Energie gegenüber einem konventionellen, dieselbetriebenen Schiff einsparen. „Die MS Bürgenstock ist zwar mit ähnlichen Komponenten wie das Vorgängerschiff ausgestattet, wir sind aber noch einen Schritt innovativer geworden“, erklärt Mudroch. Ist die Diamant mit einem Hilfsdiesel für die Abdeckung der sehr hohen Bordnetzlasten – im Speziellen bei großen Events ausgestattet, wurde dieser bei der Bürgenstock weggelassen: eine lärm- wie abgasemissionsreduzierende sowie platzsparende Maßnahme. Und auch das Prinzip der Antriebssteuerung stellt eine Weiterentwicklung dar, unterstreicht der Aventics-Mitarbeiter: „Beim Vorgänger ist es so gewesen, dass der Motor erst einmal auf einen neutralen Zustand gestellt werden musste, um zwischen den Antriebsmöglichkeiten zu wechseln. Dieses Umschalten konnte schon einige Sekunden dauern.“ Bei der Bürgenstock schaltet der Diesel während der Fahrt auf Elektroantrieb, nachdem der Schiffsführer den Befehl erteilt hat. „Passagiere bekommen weder das Umschalten noch Zukuppeln oder irgendein Ruckeln mit – das gleicht sich alles von der Antriebsseite aus.“ Für Marius Mudroch ist ein Ende der Entwicklung noch lange nicht erreicht, „solange ich mit WAGO meine eigene Steuerung mit Programmen und Ein- und Ausgängen erweitern kann, ist noch vieles möglich.“ Dies gelte auch für einen künftigen digitalen Datentransfer zwischen der Steuerung und einer Cloud: „Einen Remote-Zugriff auf das System haben wir noch nicht, was aber mit den von uns verwendeten, nicht cloud-fähigen Controllern zu tun hat. Wenn der Kunde die Anforderungen vorgibt, wäre eine Lösung mit IoT-Controllern von WAGO aber sicher eine Option.

Text:
Lars Kühn | WAGO
Alberto Alonso Malo | WAGO

Foto: Roger Gruetter | Shiptec AG | WAGO

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Der moderne Katamaran MS Bürgenstock fährt ganzjährig auf der Linie Luzern-Kehrsiten- Bürgenstock (im Hintergrund das gleichnamige Bürgenstock-Resort)

Die Zusammenarbeit mit WAGO ist historisch gewachsen. Für uns ist der schnelle und flexible Support ein Pluspunkt, aber auch, dass wir beim Einsatz von Komponenten alles aus einer Hand bekommen können.

Marius Mudroch, Aventics

So viel WAGO steckt in der MS Bürgenstock

Neben den Steuerungskomponenten, die Aventics in der Hybdridsteuerung der Bürgenstock einsetzt, vertraut das Laatzener Unternehmen auf weitere WAGO Produkte. „Wir setzen zum Beispiel Reihenklemmen der 870er-Serie ein, für künftige Projekte wollen wir die TOPJOB® S einbauen“, sagt Marius Mudroch. Zudem greift das Unternehmen auf einen Converter aus der Serie 857 zurück, um Eingangssignale in passende Frequenzsignale zu konvertieren. „Dabei ist WAGO auf unsere speziellen Anforderungen individuell und in einer schnellen Umsetzungszeit eingegangen – wir haben eine Firmware bekommen, die in der Form kein anderer hat.“ So bräuchte man bei Schiffen mit Verstellpropellern zum Beispiel nicht nur lineare Kennlinien, sondern auch Knickkurven, die einen oder mehrere Stützpunkte hätten: eine Anforderung, die in den Converter einprogrammiert worden ist. Besonders praktisch: Die Schnittstelle ist die gleiche wie beim 750er-I/O-System. „Die Zusammenarbeit mit WAGO ist historisch gewachsen. Für uns ist der schnelle und flexible Support ein Pluspunkt, aber auch, dass wir beim Einsatz von Komponenten alles aus einer Hand bekommen können“, erklärt Mudroch.

Über Aventics

AVENTICS zählt zu den führenden Herstellern von Pneumatikkomponenten und -systemen. Die Pneumatikspezialisten bieten Produkte und Dienstleistungen für die Industrieautomation und die Branchen Food & Beverage, Life Sciences und Energy. Zudem entwickelt das Unternehmen Lösungen für Commercial Vehicles, Marine- und Railway-Technology.

Durch die Integration von Elektronik, den Einsatz moderner Materialien und die Konzentration auf Maschinensicherheit und Industrie 4.0 ist AVENTICS Vorreiter bei anwender- und umweltfreundlichen Lösungen. Mit dem Ausbau der Digitalisierung stellt sich AVENTICS für die Zukunft auf.

AVENTICS kann auf rund 150 Jahre Pneumatikerfahrung zurückblicken und beschäftigt über 2.000 Mitarbeiter weltweit. Aus den Produktionsstandorten in Deutschland, Frankreich, Ungarn, USA und China verkauft AVENTICS seine Produkte über Direktvertrieb und Händler in mehr als 100 Länder. www.aventics.com

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