Friedrich Lütze Intelligente Halbleiterrelais sorgen bei Tiefseekoloss für mehr Sicherheit

Autor / Redakteur: Klaus Wünschirs, Hans-Peter Krause, Rainer Kropf* / Sariana Kunze

Die Offshore-Industrie dirngt mit Öl-, Gas- und Windparkprojekten in die finstersten Regionen der Tiefsee vor. In einer Wassertiefe von bis zu 3.000 Meter muss die eingesetzte Technik den Umgebungsbedingungen dauerhaft standhalten. Der Tiefsee-Hydraulikhammer von Menck ist einer dieser nicht in der Tiefsee heimischen Riesen. Für mehr Funktionalität und eine höhere Betriebssicherheit wurde nun der Steuerrechner des Rammhammers modernisiert, denn Reparaturen an Deck eines Spezialschiffes verursachen hohe Kosten. Die Firmen Lütze und esd konnte das Stromüberwachungssystem Locc-Box zum intelligenten Halbleiterrelais mit Condition-Monitoring umfunktioniert werden.

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Die Tiefsee-Hydraulikhämmer kommen in einer Wassertiefe von 1.800 bis 3.000 Meter zum Einsatz. Diese Meeresregion bringt in der ewigen Finsternis die bizarrsten Lebensformen hervor - wie den sagenumwobenen Koloss-Kalmar.
Die Tiefsee-Hydraulikhämmer kommen in einer Wassertiefe von 1.800 bis 3.000 Meter zum Einsatz. Diese Meeresregion bringt in der ewigen Finsternis die bizarrsten Lebensformen hervor - wie den sagenumwobenen Koloss-Kalmar.
( Dieter Hawlan/Fotolia)

Die Meere bedecken 70,8 Prozent der Erdoberfläche. Mehr als 70 Prozent der Meere weltweit ist Tiefsee. Es ist eine bizarre Welt. Die Tiefsee ist für den Menschen zum Großteil noch immer unbekannt: Hier gedeiht Leben aus Mythen und Sagen in ewiger Finsternis.

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Seit mehr als 140 Jahren fertigt die Firma Menck Dampfkessel, Winden und Rammhämmer für die Offshore-Industrie. Ihre Produkte kommen in Öl-, Gas-, und Windparkprojekten sowie beim Brücken- und Hafenbau zum Einsatz. Um bei dem Hydraulikhammer mehr Funktionalität und eine höhere Betriebssicherheit zu erreichen, ließ das Unternehmen die Steuerung modernisieren. Da der Hydraulikhammer in 1.800 bis 3.000 Meter Wassertiefe zum Einsatz kommt, werden besondere Anforderungen an den Steuerrechner, dessen Einhausung in einem druckdichten Behälter, sowie an die Verkabelung gestellt. Der Steuerungsrechner des Rammhamers und das hydraulische Powerpack des Tiefsee Systems bilden die MUX Box. Sie kommuniziert über DSL mit dem PC-basierten Bedienrechner und tauscht beispielsweise das Prozessabbild aus. Des Weiteren muss sichergestellt sein, dass die Magnetventile zur Ansteuerung der Hydraulik zuverlässig arbeiten und ein Wassereinbruch nicht zu einem Totalausfall führt. In Zusammenarbeit mit Friedrich Lütze und dem Systemhaus esd electronic system design konnte eine unkonventionelle Lösung der Aufgabenstellung gefunden werden. Der neue Steuerrechner von esd, vormals ein 68000er-Prozessor im VMEbus-System, ist jetzt mit PowerPC am CompactPCI-Bus und CANopen-Kommunikation realisiert. Mehrere RS485-Schnittstellen wurden durch redundante DSL-Leitungen (insgesamt bis zu 5 Mbit/s) abgelöst. Der Rechner hat acht serielle Schnittstellen sowie CANopen-CBX-I/Os für 32 analoge Eingänge, die Geräte wie Kompass, Tiefendrucksensor und Beschleunigungssensor (Gyro) einbinden. Außerdem 16 PT100-Eingänge zur Aufnahme der Leitfähigkeit sowie diverser Temperaturen, über die Rückschlüsse bezüglich Wassereinbruch, Wasserdruck, Öltemperatur oder dem Wasseranteil im Öl gezogen werden können. Die Steuerung bietet ebenfalls 64 digitale Ein- und Ausgänge sowie zwei Ethernet-Schnittstellen. Dieser kompakte Rechner ist Teil des Steuer- und Überwachungssystem MHC 21 und wurde in die MUX-Box integriert, die direkt am Hammer installiert ist.

Ein Kabel kümmert sich in der Tiefe um Spannung, DSL und Luft

Durch diese Anordnung wird für den Betrieb in der Tiefe nur ein einziges Kabel mit Spannungs- und DSL-Leitungen sowie der Luftversorgung benötigt. Im Zusammenhang mit dem Neuaufbau des Steuerungsrechners sollten die Magnetventile des Hydraulikhammers zukünftig über elektronische Relais geschaltet werden können. Außerdem forderte Menck eine integrierte Strommessung, um den Stromfluss durch die Ventilspulen überprüfen zu können. Darüber hinaus sollten die Strompfade redundant ausgelegt werden. Hintergrund dieser Forderungen sind die hohen Offshore-Kosten, wenn das Gerät wegen eines Defekts an Deck des Spezialschiffes geholt werden muss. „Bei Tagessätzen von mehr als 500.000 Dollar für das Schiff zählt jede Minute, die ein Gerät nicht einsatzbereit ist“, ergänzt Rainer Kropf, Electrical Engineer bei Menck. Das intelligente Stromüberwachungssystem Locc-Box von Lütze bringt wichtige Eigenschaften mit: Die Module bieten den Schutz von DC-24V-Kreisen bis 10 A. Der Strombereich ist in 1A-Schritten einstellbar wie auch die Wahl der Charakteristik (flink, mittelträge und träge 1, -2 und -3). Die Zusatzkomponente Locc-Box-GW (Gateway) ermöglicht die Kommunikation mit der Steuerung über CANopen. Außerdem lässt sich das modulare System jederzeit erweitern. Für diese Anwendung entwickelte Lütze eine spezielle Firmware, sodass sich das Locc-Box-System wie ein abgesicherter Leistungsschalter verhält (Solid State Relais) und die Sicherungsfunktion reversibel ist. „Wir haben verschiedene Lösungsansätze verfolgt, eine Anpassung der Firmware war die naheliegendste und auch die kostengünstigste Lösung“, berichtet Klaus Wünschirs, Product Market Manager Automation bei Lütze. Menck selbst erstellte dazu das Sicherheitskonzept. Es berücksichtigt den redundanten Aufbau mit acht Locc-Box-Net-Modulen an einem Locc-Box-Gateway sowie Namur-Trennverstärkern im Signalkreis der Näherungsschalter, die zusammen in einem 3HE-Einschub der MUX-Box installiert sind.

Betriebssicher durch Condition Monitoring

Um jederzeit Kenntnisse vom Modulstatus und vom Zustand der Magnetventile zu erhalten, entwickelte esd unter Verwendung des netzwerkfähigen Locc-Box-Gateways und einer CAN-Bridge eine kundenspezifische Anwendung, die Condition-Monitoring-Funktionen übernimmt. Das Gateway fungiert dabei als Locc-Box-Master und kommuniziert über den Loccbus auf der Basis von LIN (Lokal Interconnect Network). Damit lassen sich die Strom- und Spannungswerte jeder LOocc-Box-Net vom Leitstand aus abfragen und zusammen mit dem abgefragten Modulstatus eine umfassende Diagnose durchführen. Außerdem kann der Anwender im Kurzschluss- oder Überstromfall den fehlerhaften Pfad vom Leitstand aus stilllegen und die Modulzustände Kurzschluss oder Ausgelöst wieder deaktivieren. Sollte also eine Verbindung beispielsweise durch Wassereinbruch nicht mehr funktionieren, übernimmt das redundante Locc-Box-Net Modul und es kann ohne Verzögerung weitergearbeitet werden. Die mit geloggten Strom- und Spannungswerte einzelner Pfade erlauben Rückschlüsse auf den technischen Zustand der angeschlossenen Verbraucher, sodass frühzeitig entsprechende Maßnahmen veranlasst werden können, die ein Funktionsausfall in der Tiefe vermeiden.

Das Konzept des reversiblen Leitungsschutzes ist besonders für Deep-Water-Systeme (Erdölbohren, Tiefsee-Fundament) interessant. Elektronische Halbleiterrelais unterliegen keinem mechanischen Verschleiß, sodass sie über die Lebensdauer gesehen wesentlich mehr Schaltvorgänge absolvieren können. Auf Basis des intelligenten Stromüberwachungssystem entwickelte esd eine kundenspezifische Anwendung, die auch Condition-Monitoring-Funktionen berücksichtigt. Mit der Firmware von Lütze verhält sich die Locc-Box wie ein abgesicherter 10 A Leistungsschalter.

* * Klaus Wünschirs, Product Market Manager Automation bei Lütze, Hans-Peter Krause, esd, und Rainer Kropf, Electrical Engineer bei Menck.

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