Ein modernes Energiesystem an Bord eines Schiffes (SPS ) ist vollgepackt mit digitaler Steuerungs-, Schutz- und Kommunikations-Hard- und Software. Hinzu kommt, dass in Zukunft die Komplexität von Steuerungs-, Schutz- und Kommunikationssystemen noch weiter zunehmen wird, da Schiffe smarter und elektrischer werden.
Trotz der unbestreitbaren Vorteile eines zunehmend elektrischen SPS, erfahren wir kostspielige Verzögerungen der Inbetriebnahme höchstentwickelter Schiffe aufgrund von Problemen mit der SPS-Software. Solche Probleme sind zu erwarten, da die erhöhte Komplexität des SPS nach der neusten Generation von Test-Tools, wie dem Marine Microgrid Testbed (MMT) verlangt, das auf der Controller Hardware-in-the-Loop (C-HIL)-Testmethodologie basiert.
Heutzutage wird die C-HIL-Methodologie vor allem in der Automobil- und Raumfahrtindustrie angewendet. Seit kurzem wird sie vermehrt auch in der Testung fortschrittlicher Energiesysteme an Bord von Schiffen eingesetzt. Kurz gesagt, testet die C-HIL-Methodologie die tatsächliche SPS-Controller-Hard- und Software, indem sie sie mit einer nachgebildeten Power-Hardware des SPS verbindet.
Demzufolge bietet das MMT einen direkten Einblick in das Verhalten der Controller-Software während eines Zeitabschnitts und in die üblicherweise anfallenden Kosten im Zuge von Mooring und Erprobung auf See. Die Testabdeckung ist dabei unter allen Betriebsbedingungen unvergleichlich besser.
1. Interoperabilitätsfragen
Jedes Schiff ist einzigartig. Auch, wenn es zur gleichen Klasse gehört, unterscheiden sich einzelne Komponenten des SPS oft. Dies ist unvermeidbar, da sich die Komponenten des SPS ständig weiterentwickeln. Das MMT ermöglicht nun die vollständige Testung der SPS- Steuerungs-Software und -Hardware lange vor Mooring und Erprobung auf See. Mit einer skalierbaren C-HIL-Plattform wie MMT können Ingenieure das Systemverhalten analysieren und alle Interoperabilitätsprobleme erkennen und beheben. Da nur die Steuerungs-, Schutz- und Kommunikationssysteme des SPS genutzt werden, kann dies noch vor der Installation der Komponenten des SPS geschehen. Die Testung ist dabei absolut sicher, reproduzierbar und bietet die Möglichkeit zur Automatisierung, da keine reale Energie genutzt wird.
2. Modellbasierte Beschaffung von Komponenten und Systemen des SPS
Beschaffung ist nicht nur eine Kostenfrage: Sie muss auch die längerfristigen Interessen des Schiffsbauers und des zukünftigen Schiffsbesitzers wahren, z.B. Systeminteroperabilität und –qualität sowie Betriebs- und Erhaltungskosten. Die Beschaffung mit MMT-in-the-Loop ermöglicht es, Ingenieure mit ihrem Feedback zu Leistung, Benutzerfreundlichkeit, Kompatibilität und Passung der Komponenten und Systeme, in den Beschaffungsprozess einzubinden. Mit MMT-in-the-Loop wird von den Anbietern verlangt, mathematische Modelle ihrer Komponenten sowie Steuerungs-, Schutz- und Kommunikations-Hardware und Software zu liefern. Diese werden dann gründlich getestet und für die beste Passung hinsichtlich ihrer vorgesehenen Funktion im SPS optimiert – auch in Bezug auf andere Kriterien neben dem Einkaufspreis.
3. Maschinenraumsimulation für das Training der Crew
Die Fähigkeiten der mit Energiesystemen an Bord von Schiffen (SPS) arbeitenden Menschen müssen stets die neusten komplexen Features und Einsatzmöglichkeiten abdecken. Der effektivste Weg, sie auf neustem Stand zu halten, führt über das Marine Microgrid Testbed. Trotzdem ist vor dem MMT nie eine exakte Echtzeitsimulation des Energiesystems eines Schiffes gelungen, da moderne SPS extrem dynamisch und komplex sind. Das MMT erlaubt den Schiffsbauern die Erschaffung digitaler Zwillinge des Energiesystems ihres Schiffes, die in Echtzeit und mit einer Auflösung von Mikrosekunden laufen. Wenn diese digitalen Zwillinge mit menschlichen Schnittstellenkomponenten der Schiffssimulatoren verbunden werden, erhält die Crew eine 100% akkurate Simulation des Systems, das auf dem Schiff installiert wird (ist). So können die Trainingseinheiten noch während des Schiffsbaus beginnen. Zu guter Letzt kann dasselbe Marine Microgrid Testbed für verschiedene Schiffe genutzt werden, da das C-HIL-System schnell ein anderes SPS-Modell laden kann.
4. Testung des SPS-Verhaltens in Notsituationen
Sicherheitsmaßnahmen und automatisierte Sicherheitssysteme moderner Schiffe sind komplex. Des Weiteren werden hydraulische und pneumatische Systeme von elektrischen Systemen ersetzt – sogar in sicherheitsrelevanten Systemen wie wasserdichten Türen. Die Schiffssicherheit in Notsituationen hängt nun stark von der Leistung des Energiesystems an Bord des Schiffes (SPS) ab. Die unerschwinglichen Kosten der traditionellen SPS-Testungen machen eine vollständige Testabdeckung unmöglich, was zu einem gefährlichen Paradox führt: Notfallsysteme werden erst in tatsächlichen Notfallsituationen wirklich getestet. MMT dagegen ermöglicht die wiederholte Testung der Leistung des SPS in allen Notfallszenarios vom sicheren und gemütlichen MMT-Büro aus. Durch mit einer Nachahmung der Leistungsstufe vernetzte Controller können Ingenieure jegliche Notfallszenarien auslösen und das Verhalten des SPS gründlich analysieren.
5. Schutzprüfung
Die Energiesysteme an Bord moderner Schiffe sind in immer höherem Maße elektrisch. Sie versorgen Schiffsantriebs-, Navigations- und Sicherheitssysteme sowie Hotellasten und mehr mit Energie. Das SPS muss daher robust genug sein, um eigene Notfälle zu überstehen. Sind eine oder mehrere SPS-Komponenten fehlerhaft, muss es weiterhin fähig sein, kritische Lasten mit Energie zu versorgen. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, muss das SPS gut geschützt sein. Traditionelle Testszenarien erlauben keine realistische Testung des SPS-Schutzes basierend auf intelligenten elektronischen Geräten. MMT dagegen ermöglicht die Echtzeittestung sowohl von realen als auch nachgebildeten Schutzgeräten. Kurzschlüsse und alle anderen Störungen können dem Echtzeitsimulationslauf frei zugeführt werden und das Verhalten der Schutzgeräte kann dann in der vollkommenen Sicherheit der MMT-Umgebung beurteilt werden. So können SPS-Ingenieure ihr SPS-Design schnell optimieren und vollkommen sicher sein, dass ihre Systeme verlässlich und sicher funktionieren werden sobald sie auf dem Schiff installiert sind.
