Neues Leben für einen 15 Jahre alten Öltanker

Ein Schiff ist nur so zuverlässig wie sein Herzstück – der Motor. Doch was passiert, wenn die Mechanik noch topfit ist, die Steuerungstechnik aber langsam zum „Oldtimer“ wird? Wir haben gerade ein spannendes Retrofit-Projekt abgeschlossen, das genau hier ansetzt.

Ein 15 Jahre alter Öltanker mit einem robusten MAK-Single-Engine-Motor erhielt im Zuge seiner regulären Überholung ein digitales Upgrade, das den Arbeitsalltag der Crew grundlegend verändert. 

Warum ist die Entscheidung auf FLEX500 gefallen?

• Modernes Gerät mit allen denkbaren Zulassungen.
• Wird mit gleicher Software programmiert.
• Hohe Anzahl der Ein-/Ausgänge erlaubt auf die Erweiterungskarte (TWIDO) zu verzichten.
• und weiter, weiter …..

Abschied von der „Fehlersuche im Dunkeln“

Früher hieß es bei Störungen oft: Suchen, Raten, Hoffen. Ohne moderne Visualisierung tappte die Crew bei der Fehlersuche buchstäblich im Dunkeln. Damit ist jetzt Schluss. Wir haben das alte Motorsteuergerät durch unser hochmodernes FLEX-500 ersetzt und um ein intuitives HMI (Human-Machine Interface) ergänzt.

Die Vorteile des Upgrades auf einen Blick

Die Modernisierung bringt handfeste Vorteile für den Schiffsbetrieb:

• 7-Zoll-Visualisierung: Ein kristallklares Display liefert alle Statusanzeigen und Fahrdaten in Echtzeit.
• Intuitive Konfiguration: Über eine PC-Schnittstelle hat die Crew Zugriff auf alle notwendigen Informationen und detaillierte Beschreibungen – das macht die Bedienung sicher und transparent.
• Schlankere Hardware: Durch die hohe Anzahl an Ein- und Ausgängen am FLEX-500 wird die alte TWIDO PLC überflüssig. Weniger Bauteile bedeuten weniger potenzielle Fehlerquellen.
• Rechtssicherheit: Das Wichtigste für den Betreiber: Das modernisierte Programm basiert auf dem Original-Code. Somit gibt es keinerlei Probleme mit der Klassifizierung. Es wurde lediglich das Originalprogramm in Version GAP2 in die neueste GAP4 konvertiert und auf den neuesten Stand der Technik gebracht.

„ Moderne Technik trifft bewährte Mechanik: So machen wir Bestandsschiffe fit für die nächsten Jahrzehnte.“

Rekordverdächtige Einbauzeit

Das Beste zum Schluss: Ein solcher Umbau des Schaltschranks ist kein wochenlanges Mammutprojekt. Wir haben den Austausch innerhalb von nur einem einzigen Tag realisiert. Das bedeutet für den Reeder: Maximale Modernisierung bei null Betriebsausfall.

Wir wünschen der Crew allzeit gute Fahrt mit ihrer neuen, digitalen Kommandozentrale!

Kurz gesagt ist Droop eine lineare Funktion mit negativer Steigung, die von der Generatorleistung abhängt. Ich versuche hier zu erklären, wann sie notwendig ist und in welchen Fällen man ganz darauf verzichten kann.

Vor Beginn sollte man sich jedoch über die folgenden Begriffe im Klaren sein:

• schließlich Droop.
• Netzparallelbetrieb,
• Inselbetrieb,
• isochron und

Betriebsarten

Parallelbertrieb

Von Parallelbetrieb spricht man, wenn der Generator an ein stationäres System angeschlossen ist, dessen Frequenz sehr stabil ist und vom Generator nicht beeinflusst werden kann. Das beste Beispiel hierfür ist ein öffentliches Netz.

In diesem Bild ist ein Generator dargestellt, der gleichzeitig die Anlagen mit Strom versorgt und überschüssige Energie in das öffentliche Netz einspeist. Dies ist ein typisches Szenario für ein Blockheizkraftwerk.

Generator „dreht sich“ immer mit der Netzfrequenz, somit muss nur Generatorenleistung geregelt werden. Wird zu wenig Treibstoff dem Antrieb zugefügt, kann es sogar dazu kommen, dass der Generator vom Netz angetrieben wind. Bei zuviel, kann Generator überlastet werden.

Ähnlich der Leistung wird auch der Leistungsfaktor (cos PHI) anstelle der Generatorspannung geregelt.

Inselbetrieb

Wenn Stromerzeuger von dem Netz getrennt ist, spricht man von isoliertem- oder Inselbetrieb.

Im Gegensatz zum Netzparallelbetrieb ist die Generatorlast und die Blindleistung im Inselbetrieb von den Verbrauchern abhängig und die Aufgabe des Drehzahlreglers bzw. der Drehzahlregelung besteht darin, die Generatorfrequenz aufrecht zu erhalten. Die Spannung wird wiederum durch den automatischen Spannungsregler geregelt.

Solange es nur einen Erzeuger im System gibt, ist der Leistungsfluss überschaubar: Die gesamte erzeugte Energie wird vom Verbraucher aufgenommen. 

Interessant wird es erst, wenn ein weiterer Erzeuger hinzukommt.

Ein Teil der erzeugten Energie geht nicht nur in das Werk, sondern auch in den anderen Erzeuger und solange beide mit gleicher Frequenz betrieben werden, ist dieser Leistungsfluss nicht vorhersehbar. 

Entweder muss die Leistung wie beim Parallelbetrieb aktiv geregelt werden, oder die Erzeuger müssen nach der DROOP-Kennlinie gefahren werden.

Isochrone Betrieb im Isoliertem Netz

Isochrone Betrieb im isolierten Netz ist nur in zwei Fällen machbar:

• mit einem Erzeuger,
• bei zwei und mehr Erzeuger, wird Leistung aktiv verteilt.

Die Gesamtleistung des Systems berechnet sich nach der Gleichung:

Ps=P1 + P2.

Die Generatorleistungen können alle möglichen Werte annehmen. In Grenzfällen kann sogar ein Generator den anderen in die Rückleistung zwingen wie in diesem Bild gezeigt wird.

Vereinfacht kann dieses Phänomen so erklärt werden:

Im isolierten Betrieb ist die Generatorleistung eine Funktion der Frequenzdifferenz der beiden Generatoren.  So lange Frequenzen gleich sind, werden Generatoren auch gleich belastet. In der Realität ist dies aber unmöglich und einer der Antriebe ist immer etwas schneller als der anderer. 

Dieses Diagramm zeigt isochrone Erzeuger, die in ein isoliertes Netz einspeisen und deren Leistung nicht geregelt wird.

DROOP im isolierten Betrieb

Um dem entgegenzuwirken, wird der DROOP (P-Grad) eingeführt. Dies ist ein Maß für die Änderung der Motordrehzahl bei Laständerungen. Manchmal wird auch die Rack-Position oder der Ausgang des elektrischen Drehzahlreglers verwendet. Die Solldrehzahl wird in diesem Fall nach der Formel berechnet:

Stellen wir uns vor, dass zu dem Zeitpunkt des Zuschaltens eines weiteren Motors ist ein Antrieb bereits auf 70% seiner Nennleistung belastet. Bei der Leerlaufdrehzahl 1500 RPM und DROOP 3% ergibt seine Drehzahl – 1468.5 RPM.

Nun wird die Kupplung bzw. der Leistungsschalter zugeschaltet. Da der zweite Antrieb schneller läuft, wird dieser stärker belasten und den ersten Motor automatisch entlasten, bis sie sich in der Mitte, bei 35% treffen:

Spannungsregler werden nach dem gleichen Prinzip gesteuert. Hier spricht man jedoch meist von Statik anstelle von DROOP.

Der maximale DROOP-Wert liegt meist im Bereich bis 4%. Dies hängt damit zusammen, dass die maximal zulässige Frequenz nach DIN 6280-13 – 52 Hz beträgt, was genau der Abweichung bei Volllast entspricht. In diesem Fall wird die Leerlaufdrehzahl auf 1560 U/min eingestellt. Im Volllastbereich reduziert sich die Drehzahl auf 1500 U/min.

Droop ist bei schnell wechselnder Last, insbesondere im Inselbetrieb, unverzichtbar.

Im Idealfall übernimmt eine dem Drehzahlregler übergeordnete Steuerung den Lastabgleich und die Lastverteilung, in der Praxis ist es jedoch die Aufgabe des Drehzahlreglers, die Grundlast anzupassen bzw. die Lasten exakt zu verteilen, da die mechanische Droop mit großen Abweichungen verbunden ist.

Hier ist eine kurze Erläuterung über die Funktion und Möglichkeiten.

Da der MFR2 in den meisten Anlagen als Schutzgerät mit Synchronisierfunktionen und nicht als vollwertige Generatorsteuerung installiert war, wurden die wichtigsten Aufgaben wie Startvorbereitung, Gasqualitätsüberwachung, Drucküberwachung, Überwachung der Nebenaggregate usw. von einer zentralen Steuerung (SPS) übernommen.

Die Kommunikation zwischen MFR2 und SPS erfolgte in den meisten Fällen über einen Feldbus und in einigen Fällen über digitale und analoge Ein- und Ausgänge.

Im Gegensatz zu modernen Geräten sind die meisten Ein- und Ausgänge des MFR2 fest definiert und selbst wenn die Parametrierung nicht bekannt ist oder nicht geladen werden kann, lässt sich die Funktion aus dem Anschlussplan anhand der Standardbelegung ableiten:

Austausch eines defekten MFR2 durch easYgen3000XT

Während bei einem MFR2 ohne Busanbindung die Frage der Modernisierung recht einfach ist und die einfachste Antwort sofort einfällt – easYgen 3200XT oder easYgen3200XT-Lite, sollte man sich in anderem Fall diese Fragen stellen:

• Kann SPS-Gruppe angepasst werden, so dass Daten über Modbus TCP gelesen werden können?
• Welcher Feldbus verwendet wird?

Ich habe hier noch die bekannten PNs der je gebauten MFR2 zusammengefasst und nach Interface sortiert, damit ihr euch einen schnellen Überblick verschaffen könnt.

Nachfolgend werden einige Vorschläge dargestellt, die ein Retrofit ermöglichen, bei dem die übergeordnete Steuerung nicht angepasst werden muss. Das Datenprotokoll sowie das Medium des neuen Geräts werden mit dem alten identisch sein.

easYgen3200XT

Diese Generatorsteuerung eignet sich am besten (eine ausreichende Anzahl von Ein-/Ausgängen vorausgesetzt) als Ersatz für einen MFR2. Allerdings ist easYgen überdimensioniert und die meisten Funktionen werden nicht benötigt. Trotzdem ist der Umbau im Vergleich zu anderen Steuerungen am einfachsten, da easYgen eine Weiterentwicklung der MFR-Geräte ist und eine sehr ähnliche Logik besitzt.

Das nächste Bild zeigt ein Beispiel wie ein easYgen3200XT als Ersatz für eine defekte MFR2 – Steuerung verdrahtet werden kann.

In diesem Beispiel wurde das defekte Gerät als Synchronisiergerät und Netzüberwachungsrelais verwendet. Weitere Alarme, Meldungen und Messwerte wurden über Profibus DP an die übergeordnete Steuerung gesendet. Diese wiederum überwacht den gesamten Prozess und regelt die Generatorleistung entsprechend der vom MFR2 gelieferten Messwerte.

Auch in der Umbauphase gibt es kaum unerwartete Probleme. Wenn die Leitungen mindestens zehn Zentimeter aus dem Kabelkanal herausgezogen werden können und in der Tür noch Platz für einen Ausschnitt ist – kann es losgehen.

Hier auf dem Bild sieht man deutlich, dass EG3000XT größer als MFR2 ist.

Profibus DP

Allein aus dem Grund, dass Profibus DP – Standardschnittstelle für Siemens S5 und S7 war, fand dieser in Deutschland meiste Verbreitung.

Für den Austausch eines defekten MFR2…SB -Relais würde ich zwei Möglichkeiten vorschlagen:

Aus dem Haus von Woodward

easYgen 3200XT + ESEPRO in neuster Konfiguration.

Vor Kurzem hat Woodward in Zusammenarbeit mit ProconX eine neue Firmwareversion veröffentlicht die es ermöglicht Protokoll 5003 des easYgen 3000 ins Profibus DP – Protokoll des MFR2, bzw. GCP-30 umzuwandeln.

Vorteile: Lösung aus dem Haus von Woodward.

Nachteil: Langsame Konvertierung von CAN zu Profibus DP ( es werden neunzig Nachrichten über CAN-BUS zyklisch gesendet bis ein Wert erneuert wird. Bei einer Senderate von 20 ms. sind das 1,8 s.)

Eigene Entwicklung

easYgen 3200XT + ein geeigneter Modbus TCP/Profibus DP Konverter.

Es wird eine Flashdatei mit einem neuen Protokoll für easYgen erstellt und ein Konverter dafür vorbereitet.

Vorteile: sehr hohe Auffrischungsrate der Datensätze. Sowohl easYgen als auch Protokollkonverter sind standardisierten Industriellen Geräte. Hohe Verfügbarkeit. Schnelle Anpassung (durch mich).

Nachteile: Teilweise schlecht dokumentiert.

CAN-OPEN

Relativ selten wird MFR2 über CAN-OPEN an SPS angebunden.

In der Vergangenheit habe ich versucht einen CAN-BUS Konverter zu entwickeln der am Ausgang CAN-Sendetelegram des MFR hat. Mit einem Erfolg, obwohl die Verfügbarkeit des Konverters nicht sehr hoch war, da das Programm auf einem kleinem Industrie-PC lief und der Rechner übliche Software-Probleme zeigte.

Seit Kurzem hat Woodward ein kostenpflichtiges Firmware Update präsentiert – Option K57. Damit werden im easYgen3000XT MFR2, MFR3 und GCP30 – Protokolle emuliert.

mit anderen Worten – keine anderen Geräte werden benötigt. Einfach easYgen3000XT mit Option K57 einbauen und an SPS über CAN-BUS anschließen. Das wars.

Option K57 ist auch in dem Fall interessant, wenn in der Anlage mehreren MFRs oder GCPs über GW4 mit dem Leitsystem kommunizieren. Dabei muss aber klar werden, easygen Lastverteilungsnachricht der alten Geräte nicht verarbeiten kann und ein LSG (Load Sharing Gateway) eingebaut werden soll.

MODBUS-RTU

Einzige Alternative, ähnlich wie Eigene Entwicklung, nur mit einem Modbus TCP/Modbus RTU – Schnittstellenkonverter.

Wenn es noch weiteren Fragen gibt, beantworte ich diese gerne in kürzesten Zeit. Eine kurze Nachricht über Formular genügt.

Die Wahl fiel auf den easYgen-3500XT.

Die Entscheidung für diesen Regler ist die logische Konsequenz aus bewährten Vorteilen:

• Kontinuität beim selben Hersteller,
• eine vertraute Systemlogik,
• die extrem hohe Flexibilität des easYgen.

Ein solcher Umbau ist für uns längst Routine. Dank der Erfahrung aus früheren Projekten, einer präzisen Vorbereitung und einer lückenlosen Dokumentation konnten wir die gesamte Konvertierung in einem extrem engen Zeitfenster durchziehen.

Zum Verdrahten benötigt man nur eine solche Seite:

… und Geduld.

Der Einsatz war perfekt durchgetaktet: Tag 1 Anreise und Umbau, Tag 2 Inbetriebnahme und Abreise. Um jegliches Risiko zu minimieren, wurde das Zeitfenster bewusst auf Tage ohne kritische Operationen gelegt.

Ein großes Lob geht an dieser Stelle an den damaligen Schaltschrankbauer: Er hat nicht an der Kabellänge gespart und großzügige Reserven in den Kanälen hinterlassen. So musste keine einzige Leitung mühsam neu gelegt werden, um an den neuen Controller anzuschließen.

Das fertige Ergebnis der Modernisierung lässt sich auf den folgenden Bildern sehen.

die ersten Tests waren ein voller Erfolg. Hier ein Abschlusstest – Rücksynchronisation an Netz nach einem Notstromtest.

Aber Governor ist nicht gleich Governor. Hier ist ein Überblick über die gängigsten Typen, die uns im Alltag begegnen:

Die Klassiker und Spezialisten im Check

SG Governor

Der SG-Governor ist ein hydraulischer Regler mit Speed Droop, der in kleinen Diesel-, Gas- oder Benzinmotoren eingesetzt wird, bei denen keine isochrone (konstante) Drehzahlregelung erforderlich ist. Der Aufbau des Speed-Droop-Governors bewirkt, dass der Governor bei zunehmender Motorbelastung mit einer niedrigeren Geschwindigkeit arbeitet. Diese Eigenschaft ermöglicht die Stabilität des geregelten Systems und eine gleichmäßige Lastverteilung zwischen parallel geschalteten Einheiten.

(Drehmoment: < 4.0 Nm)

PSG Governor

Der PSG-Governor ist ein druckkompensierter Regler mit Speed-Droop oder isochroner Regelung zur Steuerung der Drehzahl von kleinen Diesel-, Gas- und Benzinmotoren sowie von kleinen Dampf- oder Industriegasturbinen. Er wird eingesetzt, um Motoren oder Turbinen zu steuern, die Generatoren, Gleichstromgeneratoren, Pumpen oder Kompressoren antreiben.

(Drehmoment: < 3.9 Nm)

TG Governor

Speziell für Dampfturbinen entwickelt. Er lässt sich nur mechanisch über Hebel oder Gewinde einstellen. Ein echtes Arbeitstier ohne viel Schnickschnack.

Drehmoment:

• TG10: T < 14 Nm
• TG13: T < 16.5 Nm
• TG17: T < 23 Nm

EGB Governor

Der EGB-Governor/Aktuator wird zusammen mit Woodward-Analog- oder Digitalsteuerungen verwendet, die ein proportionales Signal von 20–160 mA liefern, um Dual-Fuel-, Diesel- und Benzinmotoren sowie Gas- und Dampfturbinen zu steuern, die elektrische oder mechanische Lasten antreiben. Die integrierte hydraulische Ölversorgung erleichtert die Wartung des Governors in nahezu jeder Installationsumgebung.

Drehmoment:

• EGB10P: T < 11 Nm
• EGB13P: T < 14.2 Nm
• EGB35P: T < 38 Nm
• EGB50P: T < 54 Nm
• EGB29P: T < 34 Nm
• EGB58P: T < 71 Nm

PGG-EG Governor

(Pressure compensated Governor Generator Electric Governor) Die PGG-EG-Governor/Aktuatoren verfügen über eine Motordrehzahleinstellung für den Kugelkopf-Backup-Governor. Diese Einheiten werden üblicherweise in Generatoranwendungen oder Schiffen eingesetzt. Besonders breite Verbreitung fanden diese Governor bei MAK – oder Wärtsilä – Motoren. Eine extern einstellbare Droop-Funktion am Backup-Governor sowie eine Lastbegrenzung gehören zur Standardausstattung des PGG-EG.

Drehmoment:

• PGG-EG12: T < 16 Nm
• PGG-EG16: T < 22 Nm
• PGG-EG29 :T < 39 Nm
• PGG-EG58 :T < 79 Nm
• PGG-EG200 :T < 271 Nm

UG25+ Governor

Der universelle Governor UG-25+ ist ein mikroprozessorgesteuerter, mechanisch-hydraulisch verstärkter Regler zur Steuerung von Diesel-, Gas- oder Dual-Fuel-Motoren sowie Dampfturbinen. Der Governor bietet erweiterte Steuerungsfunktionen, wie z. B. Startkraftstoff- und Boost-Begrenzungsschemata. Die zusätzliche transiente Kraftstoffbegrenzung (Sprungregelung) verbessert die Lastaufnahme des Motors und reduziert transiente Emissionen erheblich. Der UG-25+ zeichnet sich durch schnelle Reaktionsfähigkeit und hohe Arbeitsleistung aus, ohne dass zusätzliche Hilfsgeräte wie ein Start-Booster erforderlich sind.

Drehmoment:

• UG-25+ standard: T < 45.4 Nm
• UG-25+ incr. output: T < 55 Nm

Wie funktioniert das Ganze eigentlich?

Stellt euch den Governor als Bindeglied zwischen Motor und Kraftstoffzufuhr vor. Er hängt direkt an der Kurbelwelle. Erhöht sich die Drehzahl, bewegen sich die sogenannten Fliehgewichte nach außen. Dieser Impuls regelt über einen Ölkreislauf den Druck auf einen Kolben, der wiederum den Kraftstoffhahn drosselt oder öffnet.

Die Hauptbestandteile eines hydro-mechanischen Governors an dem Beispiel eines UG8-Governor:

• Drehzahlspeederfeder
• Axiallagersystem
• Fliehgewichte
• Steuerkolben der Pilotventile
• Buchse des Pilotventils
• Ölpumpen
• Öl-Druckregelung
• Servo- (Kraft-) Kolben
• Kompensationssystem
• Antriebswelle

Kleiner Einblick in das Innenleben (am Beispiel des UG8): Das Innere ist ein mechanisches Kunstwerk aus Federn, Axiallagern, Pilotventilen, Ölpumpen und Kompensationssystemen.

Die Hybrid-Lösung: Das Beste aus beiden Welten (PG-EG & EGB z.B.)

Wer maximale Präzision will, aber bei der Sicherheit keine Kompromisse eingehen möchte, landet unweigerlich bei den Hybrid-Governor-Systemen wie dem PG-EG oder dem EGB.

Wie funktionieren sie? Diese Modelle besitzen zusätzlich einen proportionalen Eingang (meistens im Bereich von 20–160 mA). Hier kann ein externer, digitaler Drehzahlregler, wie Woodward 701, 721, 723 Plus oder 702 bei Lokomotiven, angeschlossen werden. Die Elektronik übernimmt dann das Kommando und steuert den Motor so exakt aus, dass spürbar Treibstoff eingespart wird und die Verbrennung optimal abläuft.

Das Sicherheits-Plus: Der mechanische Fallschirm Das eigentliche Highlight ist die Ausfallsicherheit. Sollte die elektronische Steuerung einmal aussetzen (z. B. durch einen Kabelbruch oder Sensorausfall), steht die Anlage nicht sofort still.

• Automatischer Wechsel: Der Governor schaltet im Fehlerfall nahtlos in den mechanischen Modus um.
• Backup-Betrieb: Der interne Fliehkraftregler übernimmt sofort die Kontrolle.

Das macht diese Hybride zur ersten Wahl für Anwendungen, bei denen ein plötzlicher Motorausfall kritisch wäre – wie in der Schifffahrt oder bei der Energieversorgung. Man kombiniert also die digitale Effizienz mit der mechanischen Unzerstörbarkeit.

Warum Wartung kein Luxus ist

Wenn man sich die Liste der Bauteile ansieht, wird schnell klar: Das ist Feinmechanik auf höchstem Niveau. Da sich viele Teile bewegen und unter Öldruck stehen, ist Verschleiß vorprogrammiert. Deshalb sollte man den Governor alle 30.000 bis 40.000 Betriebsstunden in die Fachwerkstatt schicken. Wer hier spart, riskiert teure Ausfälle.

Reparatur oder High-Tech-Tausch?

Die Überholung ist oft zeit- und kostenintensiv. Viele Firmen überlegen daher: „Warum nicht gleich auf vollelektronische Aktuatoren umrüsten?“

• Vorteil: Nahezu wartungsfrei und extrem präzise.
• Nachteil: Das mechanische Backup fällt weg. Wenn die Elektronik streikt, steht die Maschine still. Hier braucht man also immer einen schnellen Ersatzplan.

Zwei Steuerschränke von sechs.

In der Schaltschrankfront sieht man eine interessante Kombination: Ein 505E in der Panel-Mount-Ausführung direkt neben einer Bulkhead-Variante des ProTech 203. Um den Tiefenunterschied auszugleichen, wurden beim ProTech spezielle Abstandshalter verwendet. So konnte man verhindern, dass das Gerät zu weit nach vorne übersteht, und eine bündige Optik an der Schrankfront erzielen.

Hardware-Upgrade: Woodward lernt dazu

Normalerweise ist dieser Umbau Routine. Ein großes Lob an Woodward an dieser Stelle: Die physischen Maße, das Lochbild und sogar die Parameterstruktur der neuen 505XT sind nahezu identisch mit dem Vorgänger. Da hat jemand mitgedacht und aus den Fehlern der Vergangenheit gelernt, was uns die Arbeit im Feld massiv erleichtert.

Unerwartete Hürden beim Protech

Beim Protech-System stieß ich jedoch auf eine kleine Überraschung. Hier rächte sich ein Fehler aus der Vergangenheit:

• Damals wurde fälschlicherweise ein Gerät für die Wandmontage statt für den Schaltschrankeinbau verwendet.
• Da die Außenmaße des neuen Protech GII zudem ein paar Zentimeter größer sind als die des alten 203ers, passte nichts mehr wie gewohnt.

Die Folge: Die Schaltschränke mussten kurzfristig mechanisch angepasst werden. Dank der tatkräftigen Unterstützung des Teams vor Ort konnten wir dieses Hindernis aber schnell überwinden.

in der Zukunft sollte man unbedingt die Außenmaßen beachten. In diesem Fall hätte man lieber ein PROTECH in Panel-Mount – Variante auswählen anstelle des Bulkhead. Diese Variante lässt sich einfacher in der Tür einbauen und dichtet direkt mit dem Gehäuse ab, was den Schaltschrank zusätzlich von dem Staub schützt.

Effizienz-Hack:

Das Steckeradapterset

Ein entscheidender Faktor für den Zeitplan war die Entscheidung des Kunden, auf Steckeradaptersets zu setzen.

• Zeitersparnis: Da die digitalen Ein- und Ausgänge bereits fest zugeordnet sind, haben wir pro Gerät mindestens eine Stunde reine Verdrahtungszeit gespart.
• Troubleshooting-Vorteil: Sollte es zu Unstimmigkeiten kommen, lassen sich die alten Geräte testweise in Minuten wieder einstecken. So lässt sich schnell und unkompliziert nachweisen, dass die Hardware steht – und der Fehler vielleicht doch eher bei der SPS-Programmierung der Kollegen liegt.

Simulation

das besondere an dem 505XT ist, dass gesamte Anlage sich sehr gut mit Hilfe von GAP und NetSim durchsimulileren lässt. Damit können alle Programmierfehler entdeckt werden.

Mein Fazit für die Praxis

Man sollte keine Angst vor dem Umbau der 505-Steuerung haben. Mit der richtigen Vorbereitung und dem passenden Zubehör ist der Austausch durch einen Techniker in wenigen Stunden erledigt – und das nahezu ohne den laufenden Prozess unterbrechen zu müssen.

Innerhalb einer Arbeitswoche sechs komplette Systeme modernisiert – ein voller Erfolg!

Unter einem Drehzahlregler versteht man im Allgemeinen ein Zusatzgerät für eine Maschine zur automatischen Regelung oder Begrenzung der Drehzahl.

Der Drehzahlregler, manchmal auch Governor genannt, regelt die Energie, die einer Antriebsmaschine zugeführt wird, um ein gewünschtes Ergebnis wie Drehzahl, Last oder Druck zu erzielen. Unter Energie versteht man im Allgemeinen chemische Energie bei einem Verbrennungsmotor oder Druck bei einer Dampf- oder Wasserturbine.

Mechanische Regelung

Funktionsbeschreibung

der einfachste Geschwindigkeitsregler:

Durch die Zentrifugalkraft bewegt sich der Ring nach oben und verringert den Wasserdurchfluss. Bei geringerer Drehzahl – fallen die Kugeln nach unten und der Wasserzufluss erhöht sich…

Hydraulische Regler

Funktionsbeschreibung

Fast alle mechanischen Drehzahlregler arbeiten nach dem gleichen Prinzip:

Über den Steueranschluss wird die Antriebsdrehung auf die Fliehgewichte übertragen, die drehzahlabhängig Axialkugellager bewegen und Kraft auf mechanische oder hydraulische Stellglieder ausüben.

Weiterentwicklung

Durch ausgefeilte Techniken können mechanische Drehzahlregler um Eigenschaften wie Droop erweitert werden. Langsam wird jedoch erkannt, dass mechanische Drehzahlregler zwar sehr stabil und ausfallsicher sind, aber sehr schnell an ihre Grenzen stoßen. Hinzu kommt, dass solche Drehzahlregler sehr teuer und massiv sind.

Meist werden solche Regler dort eingesetzt, wo die Verfügbarkeit sehr hoch sein muss, z.B. bei Schiffen oder Dampfturbinen. In solchen Fällen wird der Regler durch einen elektrischen Drehzahlregler zu einem Stellglied degradiert und die Fliehkraftregelung wird immer nur dann aktiviert, wenn die Elektronik ausfällt.

Elektronischen analogen Regler

Funktionsbeschreibung

Diese Regler arbeiten mit analogen Signalen wie der Frequenz des Drehzahlsensors. Diese Frequenz wird mittels Filter in eine analoge Spannung umgewandelt, mit einem Sollwertsignal verglichen und als Ausgangssignal an ein Stellglied weitergegeben. Die Regelstrecke ist in diesem Fall der Motor, dessen Drehzahl wiederum vom Drehzahlsensor erfasst wird.

Das Diagramm eines Barber Colman DYNA – Reglers zeigt die Funktionsweise eines typischen analogen Drehzahlreglers:

die Vorteile eines solchen Reglers liegen

• in der Wirtschaftlichkeit und im modularen Aufbau.
• Im Gegensatz zum mechanischen Regler, bei dem der Regler mit dem Stellglied eine Einheit bildet, kann der elektronische Regler an eine Vielzahl von Stellgliedern angeschlossen werden.
• Die Einstellung erfolgt in der Regel mit einem einfachen Schraubendreher ohne aufwendigen Umbau des Gerätes.

Zur Nachteilen zählen:

• Relativ geringe Ausfallsicherheit.
• Relativ schneller Alterungsprozess wegen der Vielzahl elektronischen Bauteile.
• Abhängigkeit von der Stromversorgung.
• Ungenaue Parametrierung …

Heutiger Stand – Digitalen Regler

Ein digitaler Geschwindigkeitsregler ist die logische Weiterentwicklung eines analogen Reglers. Der Regler ist im Wesentlichen ein Prozessor mit einer Vielzahl von Ein- und Ausgängen, die durch ein spezielles Programm gesteuert werden.

Für einfachen Anwendungen wie, kleine Gensets, Gabelstabler oder Landmaschinen empfiehlt sich ein einfacher Drehzahlregler mit wenigen analogen, bzw. digitalen Eingängen, wie ein APECS 4500:

APECS 4500

Durch die umschaltbare Regelparameter, flexiblen Ein-/Ausgänge und besonders einen PWM-Aktuator-Ausgang mit Dauerstrom bis zu 8A. eignet sich der Apecs 4500 für eine große Anzahl der Stellglieder welche als Solenoid bzw. DC-Motor ausgeführt sich.

Woodward 2300E

Der Woodward 2301E Drehzahlregler wird für komplexere Aggregate verwendet. Genau genommen kann der 2301E nicht mehr als Drehzahlregler bezeichnet werden, sondern als Motorregler (ECU), wenn der volle Umfang der Hardware ausgenutzt wird.

2301E besitzt:

• 1x CAN – Port.
• 3x PT und 3x CT – Eingänge als Generatorlastsensor,
• 1x Actuator Driver – Ausgang,
• 2x MPU – Eingänge,
• 1x analoge Ausgang,
• 2x analoge Eingang,
• 8x digitalen Eingänge,
• 4x digitalen oder PWM – Ausgänge,
• 1x RS232,
• 1x RS422,

Alle diese Ein- und Ausgänge können in der Programmierumgebung GAP beliebig miteinander verknüpft und programmiert werden.

Woodward liefert dieses Modul hauptsächlich in drei Versionen aus:

• 2301E Digital Load Sharing and Speed Control for Engines,
• 2301E-ST Digital Electronic Load Sharing & Speed Control for Small Steam Turbines und
• 2300EDigital Load Sharing and Speed Control Hardware

Das Besondere an dieser Hardware ist, dass durch die freie Programmierung mit GAP ein kundenspezifisches Gerät entwickelt werden kann, das einen perfekten Ersatz für veraltete Drehzahlregler wie 721, 723 usw. darstellt.

Large engine control module (E6)

• Inputs:
  • 16 digital, 29 digital/analog,​
  • 8 differential analog, ​
  • 8 T/C or RTD, 2 UEGO​
  • 4 VR/HE/PWM, MPU
• Outputs:
  • 8 HS digital, 12 LS/PWM digital, 2 analog, 4 HS/LS/PWM digital
• Communications:
  • ​3 CAN, 1 RS-485, 1 RS-232, 1 Ethernet​

Wie der 2300E wird auch der LECM mit GAP programmiert und kann nicht nur mit der Standardsoftware von Woodward, sondern auch mit eigener Software betrieben werden. An dieser Stelle sollte auch erwähnt werden, dass dieses Hauptmodul, wie im Bild dargestellt, mit weiteren Modulen erweitert werden kann, wie:

AUX, COMBUSTION CONTROL

• Inputs:
  • 24 Knock, Pressure, or T/C
  • 2 VR/HE/PWM speed sensors,
  • 2 digital jumpers​
• Outputs:
  • 1 HS digital,
  • 20 electronic ignition/injection drivers​
• Communications:
  • 2 CAN​

EID (ELECTRONIC IGNITION/INJECTION DRIVER) MODULE

• Inputs:
  • 24 Knock, Pressure, or T/C
  • 2 VR/HE/PWM speed sensors,
  • 2 digital jumpers​
• Outputs:
  • 1 HS digital,
  • 20 electronic ignition/injection drivers​
• Communications:
  • 2 CAN​

Das Ergebnis ist ein flexibles System, das mit fast jedem Motor kompatibel ist, unabhängig von Kkraftstoffwahl. Von Diesel bis Wasserstoff ist alles möglich.

Vorteile der digitalen Technik gegenüber der analogen

Der Vorteil eines digitalen Reglers gegenüber einem analogen oder gar mechanischen Regler liegt auf der Hand. Die digitale Steuerung ermöglicht jederzeit einen genauen Einblick in den Regelvorgang. Dadurch können nicht nur Fehler leicht erkannt, sondern auch der Prozess optimiert werden, um letztendlich Effizienz und Emissionen zu optimieren.

Die Prozess-Simulation ist also auch ein wesentlicher Vorteil einer digitalen Steuerung.

Nachfolgend ein Beispiel für die Einstellung eines Reglers 723+. Es wird ein Wärtsila-Motor mit einem mechanischen Stellglied UG-A simuliert.

Was macht man eigentlich mit einer Lokomotive, deren Drehzahlregler den Geist aufgegeben hat? Vor diesem Problem stand kürzlich ein Kunde, dessen Lokomotive mit einem MAK-Motor und einem defekten Woodward 702 bereits seit längerer Zeit außer Betrieb war.

Das Erbe der Woodward 702

In Deutschland und weltweit sind noch hunderte dieser Loks im Einsatz. Die Besonderheit der damaligen Steuerung: Der Drehzahlsollwert wurde nicht über ein heute übliches analoges Signal eingestellt, sondern über einen Wahlschalter. Mittels 4 binärer Leitungen ließen sich so 16 verschiedene Drehzahlstufen anwählen.

Als der Regler ausfiel, drängte die Zeit. Eine komplette Umrüstung oder eine tiefgreifende Modernisierung kamen nicht infrage – zu teuer, zu zeitaufwendig. Eine pragmatische Lösung musste her.

Die Rettung: Woodward 2300E mit Custom-Logik

Die Lösung fanden wir im Woodward 2300E-Control. Dieses bewährte System ist flexibler, als man auf den ersten Blick denkt:

• Sollwert-Anpassung: Wir haben das Standardprogramm des Reglers um eine Logik für einen inkrementellen Geber erweitert, um die alten 4-Leitungs-Signale wieder korrekt zu verarbeiten.
• Sicherheit & Zuverlässigkeit: Zusätzlich wurde eine spezielle Startlogik entworfen, um die Verfügbarkeit und Betriebssicherheit der alten Lok deutlich zu erhöhen.

Das Ergebnis: Plug & Play für den Kunden

Das Beste an dieser Lösung? Sie war so effizient vorbereitet, dass der Kunde die neue Steuerung nach Anleitung selbst einbauen und anschließen konnte. Sogar die Parameteroptimierung verlief reibungslos in Eigenregie.

Das Fazit: Innerhalb kürzester Zeit war die Lok wieder auf den Schienen. Dass das Konzept überzeugt, zeigt das aktuelle Feedback: Vor kurzem erreichte uns eine Folgebestellung über zwei weitere Steuergeräte.

Ganz einfach: Schnelligkeit und Präzision. In kritischen Umgebungen wie Kraftwerken oder Rechenzentren, wo jede Millisekunde zählt, waren sie das Maß der Dinge.

​Bei uns bei Turner-ECS sehen wir die Qualität täglich in der Werkstatt – oder besser gesagt, wir sehen sie selten, weil die Aktuatoren so extrem robust gebaut sind. Aber auch die beste Technik kommt irgendwann in die Jahre. Die gute Nachricht für alle Anlagenbetreiber: Das Upgrade auf die neueste Version der ProAct Gen I ist ein echtes ‚Plug-and-Play‘-Erlebnis. Digitales Steuergerät und Aktuator sind technisch auf dem neuesten Stand, behalten aber die exakt gleichen Maße und Anschlüsse bei. Ein effizienteres Retrofit gibt es kaum.

Die größte Hürde beim Austausch eines Proact-Systems der ersten Generation (bestehend aus Regler und Aktuator) ist oft die Unklarheit darüber, welches Nachfolgesystem tatsächlich das richtige ist.

Warum wurde eine neue Version notwendig?

Woodward musste das Design anpassen, da die ursprünglich verwendeten Hall-Sensoren (Winkelaufnehmer) im Aktuator nicht mehr verfügbar waren. Da die neuen Sensoren technisch nicht mit der alten Hardware kompatibel waren, musste konsequenterweise auch das Design des Reglers überarbeitet werden.

Kompatibilität und Empfehlung

Die gute Nachricht vorab: Sollte der alte Aktuator noch voll funktionsfähig sein, kann dieser auch mit dem neuen Regler betrieben werden. Dennoch empfiehlt es sich, beide Komponenten zeitgleich auszutauschen, da das alte System bereits seit Jahrzehnten nicht mehr produziert wird.

Ein entscheidender Vorteil des neuen Reglers ist die moderne Bedienoberfläche. Alle Parameter lassen sich bequem am PC auslesen und anpassen – ein gewaltiger Fortschritt gegenüber dem unpraktischen alten Handheld-Terminal mit seinem zweizeiligen Display.

Der konkrete Austausch

In unserem Fall wurde ein altes Set mit folgender Konfiguration ersetzt:

1. 9905-462 – Proact-Drehzahlregler
2. 8405-020 – Aktuator mit einem Stecker, Feder-Rücklauf und Drehrichtung im Uhrzeigersinn (CW).

Als passender Ersatz wurden folgende Komponenten gewählt:

1. 8400-065: CONTROL-PROACT SPD CTRL MODEL I RMT SPD SETTING (ROHS)
2. 8405-065: ACTUATOR-PROACT I, CW, MS CONNECT, SPEED CTRL

Installation und Inbetriebnahme

Optisch unterscheiden sich die neuen Geräte kaum von ihren Vorgängern, und auch der Anschluss erfolgt identisch. Ein großer Pluspunkt: Sowohl die vorhandenen Kabel und Stecker als auch die mechanischen Befestigungsbohrungen können eins zu eins weitergenutzt werden.

Da die Parameterbezeichnungen des neuen Reglers mit den alten identisch sind, war die Konvertierung in wenigen Minuten erledigt. Die alten Daten wurden mithilfe eines Handheld-Simulators und eines RS-422-zu-USB-Interfaces ausgelesen und anschließend via Kvaser-CAN-Interface in die neue Steuerung übertragen.

in diesem Bild sieht man die Belegung des Interfaces des Proact,

ein kurzes Video zeigt zwei möglichen Programme zum auslesen der Parameter aus alten Steuerung:

Das Ergebnis:

Zur positiven Überraschung funktionierte das System auf Anhieb. Der Motor konnte den Betrieb sofort wieder aufnehmen, ohne dass eine weitere Feinabstimmung der Parameter erforderlich war.

und hier ist das Beweisvideo, dass das neue ProAct – System hervorragend funktioniert: