Motor-Steuerung für das grösste Schiff der Welt

  • Hardware
  • FPGA Entwicklung
  • Embedded Software
SCS Problemstellung

Situation

Die Verbrennung von Gas und Diesel (Dual-Fuel) im gleichen Motor ist umweltfreundlich, effizient und innovativ, verlangt aber eine besonders zuverlässige, dynamische und präzise Steuerung.

Auf dem Markt sind zwar Motor-Steuerungen „ab der Stange“ erhältlich. Solche Kontrollsysteme bringen aber zwei Probleme mit sich:

1. technologische Abhängigkeit vom Lieferanten
2. limitierte Innovationsfähigkeit, da ihre Funktionalität begrenzt ist und nicht erweitert werden kann.

SCS Das hat SCS gemacht

Lösung SCS

Für Winterthur Gas & Diesel (WinGD) haben wir eine vielseitige Steuerungs-Plattform für Verbrennungsmotoren entwickelt.

Das Kontrollsystem basiert auf einer modularen Hardware, welche dank Field Programmable Gate Array (FPGA) Technik eine flexible Auswertung der Sensoren sowie eine präzise Ansteuerung von Ventilen und Zündung erlaubt.

Daneben ermöglicht ein leistungsfähiger Prozessor mit Linux-Betriebssystem die Entwicklung von komplexen Kontrollalgorithmen auf hohem Abstraktionsniveau sowie eine sichere Anbindung an die Cloud.

SCS Erzielter Mehrwert

Mehrwert

Das neue Kontrollsystem ermöglicht die Steuerung des weltgrössten Dual-Fuel Schiffsmotor: des «Winterthur Gas & Diesel 12X92DF».

Die Steuerungs-Plattform ermöglicht WinGD eine einfache Inbetriebnahme, einen transparenten und zuverlässigen Betrieb sowie viele Erweiterungsmöglichkeiten. Damit bildet sie die Basis für zukünftige Innovationen.

Und schliesslich darf auch die Natur aufatmen: dank Erdgas-Betrieb sparen  die Schiffe 20% CO2, sowie mehr als 90% NOx und Feinstaub-Emissionen.

Projekteinblicke

Die CMA CGM Jaques Saade ist eines der grössten und grünsten Containerschiffe der Welt. Seit Oktober 2020 fährt das Schiff mit dem weltweit stärksten 12-Zylinder Dual-Fuel Schiffsmotor: dem 12X92DF von Winterthur Gas & Diesel (WinGD). 85’000 PS müssen präzise und zuverlässig gesteuert werden können. Dafür hat die SCS ein Kontrollsystem entwickelt.

Der Schiffsmotor verbrennt sowohl Erdgas (LNG, liquid natural gas) wie auch Diesel. Durch die Verbrennung von Erdgas können die Emissionen markant gesenkt werden: 20% weniger Ausstoss von CO2, 90% weniger Ausstoss von Stickoxiden (NOx) und praktisch  keinen Ausstoss von Schwefeloxiden (SOx) und Feinstaub (PM). Der Motor leistet einen massgeblichen Beitrag zur Reduktion der Treibhausgas- und Schadstoff-Emissionen im Transportsektor. Zudem ist er der Zeit voraus: Regulationen, welche im Marine-Bereich in Zukunft eingeführt werden, erfüllt er bereits heute.

Der Motor wiegt 2000 Tonnen und es ist absolut zentral, dass er jederzeit effizient und sicher betrieben und gesteuert werden kann. Das ist nur durch ein massgeschneidertes Kontrollsystem möglich. Die SCS hat dafür die Hardware, FPGA-Firmware und Software für ein verteiltes System entwickelt. Auf dem Kontrollsystem können die ausgeklügelten Steuerungs- und Optimierungs-Algorithmen von WinGD in Echtzeit gerechnet werden, was jederzeit den Betrieb am optimalen Arbeitspunkt ermöglicht.

Das Kontrollsystem besteht aus verschiedenen Modulen, welche für jeden Motortyp passend zusammengestellt werden können. Die Module kommunizieren über zwei redundante Ethernet-Ringe, welche eine sichere Kommunikation selbst bei Ausfall eines Zylinders sicherstellen. Auf jeder cylinder control unit (CCU) befinden sich neben dutzenden Sensoreingängen auch kraftvolle Steuerausgänge für die dynamische Regelung der elektromechanischen Ventile. Auf der gateway control unit (GTU) befindet sich neben Kommunikationsschnittstellen ins Internet, zur Steuerbrücke und zu weiterer Peripherie auch eine Firewall zur Gewährleistung der Cyber Security.

Nach einer gemeinsamen Planungsphase mit WinGD hat SCS das Kontrollsystem in weniger als 12 Monaten erstellt und dabei den vollständigen Prozess von Spezifikation bis zur Fertigstellung der Hardware durchlaufen. Im Fokus standen stets die Qualität und nachvollziehbare Engineering-Prozesse. So konnte auch die Schiffsklassifikation durch Bureau Veritas im ersten Anlauf erlangt werden.

Wir freuen uns sehr, dass WinGD mit dem Abschluss des «Gas Trial» im Oktober 2020 die letzten Tests bestanden hat und das erste von neun geplanten Schiffen die Überfahrt nach Europa angetreten konnte. Die SCS arbeitet in Zusammenarbeit mit WinGD bereits an Weiterentwicklungen.

Technische Details zum Motor und zur Steuerung finden sich in den folgenden Publikationen von Winterthur Gas & Diesel:

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    Header-Bild: kees torn via Flickr