HMI-Positionsüberwachungssystem Schiffsverladearme und ihre Steuerung in explosionsgefährdeten Bereichen

Autor / Redakteur: Sandra Wassink / Wolfgang Leppert

Seit seiner Gründung 1979 setzt der Hersteller von Schiffsverladearmen Kanon Loading Equipment auf ein internationales Netzwerks von sorgfältig ausgewählten Vertretungen und assoziierten Partnerunternehmen. So pflegen auch Kanon und Electromach Hengelo, eine Tochtergesellschaft von R. Stahl, schon lange eine erfolgreiche technologische Partnerschaft. Daraus resultiert auch ein effizientes HMI-Positionsüberwachungssystem, das den hohen Ansprüchen an die Verladetechnik gerecht wird.

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Explosionsgeschütze Steuerung für Verladearme
Explosionsgeschütze Steuerung für Verladearme
( Archiv: Vogel Business Media )

Ein Ladearm ist eine Baugruppe aus Rohren, die über Gelenke miteinander verbunden sind und Flüssigkeiten oder Gase zwischen Tanklagern und Tankschiffen befördern. Solche Einheiten kommen beim Transport unterschiedlichster Stoffe zum Einsatz, von Tieftemperatur- über Hochtemperatur-Produkte bis zu hoch gefährlichen oder korrodierenden Flüssigkeiten. Ladearme werden überall in der verarbeitenden Industrie eingesetzt, etwa in der chemischen und petrochemischen Industrie, der Pharmaindustrie, im Gesundheitswesen sowie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie.

Bildergalerie

Seit rund zehn Jahren gibt es die heute weithin bekannte Ladearmkonstruktion in starrer, symmetrischer Bauweise. Aufgrund ihrer außerordentlichen Zuverlässigkeit existiert seit kurzem auch eine Version für Flüssigerdgas-Anwendungen. Durch den symmetrischen Aufbau verteilen sich die mechanischen Kräfte gleichmäßig auf die Ladearmstruktur. Damit eignet sich diese Lösung besonders für anspruchsvolle Anwendungen sowohl in explosionsgefährdeten als auch sicheren Betriebsumgebungen oder übergroßen Anlagen und für die Installation auf Transportwagen oder Schwimmstegen.

Schon die Grundkonstruktion entscheidet über die Leistungsfähigkeit

In der Grundkonstruktion eines Ladearms (vgl. Bildergalerie Abb. 1) ist der Fuß fest verankert, während der bewegliche Außen- und Innenarm durch die Stahlbauweise ein beträchtliches Gewicht hat. Zur Erhöhung der Sicherheit sind die beweglichen Komponenten durch Gegengewichte ausbalanciert. Nur die Rohrleitung und die Stahlkonstruktion muss bewegt werden, was entweder von Hand (bei kleineren Ladearmen) oder hydraulisch erfolgen kann.

Statt mit zwei getrennten Gegengewichten kann ein Schiffsverladearm auch mit einem einzigen, drehbaren Gegengewicht ausgerüstet sein, was die gleiche Funktion erfüllt. In diesem Fall dreht sich das Gegengewicht zusammen mit dem Außenarm, die Konstruktion wird so wesentlich leistungsfähiger. Das Gegengewicht ist direkt mit dem Außenarm verbunden und seine Winkelposition verläuft wie bei einem Pantografen parallel zur Position des Außenarms. Die Verbindung zwischen Gegengewicht und Außenarm kann als Baugruppe aus Seil und Umlenkrolle (Abb. 2 in Bildergalerie) ausgeführt sein, aber auch aus einer starren Verbindung wie einer Stahlstange bestehen (wie in Abb. 1).

Obwohl beide Verfahren verbreitet sind, unterscheiden sie sich hinsichtlich der Instandhaltung ganz wesentlich. Beim Gegengewicht mit Seil und Umlenkrolle müssen die Seile regelmäßig gefettet werden und erfordern neben regelmäßigen Prüfungen auch eine ständige Justierung der Seilspannung. Bei der starren Verbindung dagegen braucht die Ausbalancierung nur einmal im Werk fest eingestellt zu werden und bleibt fortan unverändert. Ein drehbares Gegengewicht und eine starre Verbindung zum Außenarm gilt als die zuverlässigste und effektivste Lösung; deshalb sind die meisten von Kanon hergestellten Ladearme nach diesem Prinzip aufgebaut.

Auch beim Aufbau des Rohrleitungssystems gibt es Einsparpotenziale

Auch für die Konstruktion des Rohrleitungssystems gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die beiden wichtigsten Aufbauformen sind die an einen Stützrahmen montierte Rohrleitung und das selbsttragende Rohrleitungssystem. Bei der Originalkonstruktion ruht das Rohrleitungssystem auf einem Stützrahmen, dem eingebaute Lager eine gewisse Flexibilität verleihen. Der Rahmen trägt das gesamte Gewicht der Stahlrohre für den Produkttransport und nimmt auch alle Windlasten sowie Kräfte infolge von Schwankungen der Umgebungstemperatur und sogar von Erdbeben auf. Das Rohrleitungssystem selbst braucht nur der Kombination aus Produkttemperatur und Produktdruck standzuhalten. Bei den heutigen Anwendungen wird in zwei Fällen ein Stützrahmen benötigt, und zwar bei Tieftemperaturanwendungen — etwa der Umschlag von Flüssigerdgas — und beim Transport von aggressiven Flüssigkeiten, die am Rohrleitungssystem schwere Korrosion hervorrufen können.

Innovativer ist dagegen ein selbsttragendes Rohrleitungssystem für den Produkttransport. Durch Verbesserungen konnte in vielen Fällen der separate Stützrahmen entfallen. Daraus resultieren eine Reduzierung der Stahlmenge für die Stützkonstruktion und weitere Materialeinsparungen bei der Herstellung von Stahlkomponenten, Lagern, Schmiervorrichtungen usw. Sind die Drehgelenke stabil genug, um den angreifenden Kräften standzuhalten (je nach Produkt und Struktur), kann das Rohrleitungssystem für das Produkt selbsttragend ausgeführt werden. Eventuell erforderliche Verstärkungen werden an das Rohrleitungssystem geschweißt, um Durchbiegungen zu verhindern und die nötige Steifigkeit zu erreichen.

Symmetrische Konstruktion bieten klare Vorzüge

Symmetrische Schiffsverladearme sind ein nächster Entwicklungsschritt, kennzeichnend dafür sind die beiden Innenarme (Bildergalerie Abb. 3). Dieses Konzept bietet gleich mehrere wichtige Vorteile:

  • symmetrische Lastverteilung auf die Drehgelenke;
  • symmetrische Kräfteverteilung innerhalb der Struktur;
  • geringeres Gewicht durch schlankes Design;
  • keine Einwirkung permanenter Kraftmomente auf die Pier (es wirken nur zeitweise Biegemomente durch Windlasten oder bei sonstigen Erschütterungen);
  • große Abmessungen realisierbar, mehr Reichweite ohne überdimensionale Konstruktionen.

Bis vor kurzem gab es symmetrische Ladearme nur für selbsttragende Rohrleitungen, nicht aber für Konfigurationen mit separater Stützkonstruktion, wie sie bei Tieftemperatur-Anwendungen wie dem Umschlag von Flüssigerdgas benötigt werden. Damit werden die Vorzüge der symmetrischen Bauweise nun für weitere Anwendungen nutzbar.

Weiterentwicklung der Technologie erleichtert Ship-to-Shore-Verbindungen

Um Flüssigkeiten aus einem Tanklager zu einem Tankschiff zu transportieren, werden in der Verbindung zwischen Schiff und Pier (Ship-to-Shore-Verbindung, STS-Verbindung) flexible Komponenten benötigt, damit der Ladearm den Bewegungen des Schiffs folgen kann. Diese Komponenten sind allerdings Verschleißerscheinungen ausgesetzt, haben nur eine begrenzte Lebensdauer und sind relativ umständlich in der Bedienung. Um Flansche miteinander zu verbinden, gibt es drei Möglichkeiten: die Flanschverschraubung, die manuelle und die hydraulische Schnellkupplung.

Bei einer Flanschverschraubung muss der Bediener das Drehgelenk des Ladearms in eine Position drehen, bei der beide Flanschbilder genau aufeinander ausgerichtet sind. Hinzu kommt, dass die Befestigung der vielen Schrauben viel Zeit und Aufwand erfordert, besonders bei starkem Wind (im Betrieb sind Windgeschwindigkeiten bis 22,5 m/s nicht ungewöhnlich). Manuelle Schnellkupplungen lassen sich deutlich schneller und komfortabler handhaben, allerdings nicht ferngesteuert. Beide Flansche müssen vor dem Verbinden von Hand bewegt werden. Hydraulische Schnellkupplungen bieten dagegen die Möglichkeit, durch Drücken einer einzigen Taste ferngesteuert den Schiffsverladearm mit der Sammelleitung des Schiffs zu verbinden.

Hydraulische Schnellkupplung: mit einem einzigen Tastendruck lassen sich Verladearm und Sammelleitungen des Schiffs verbinden (Archiv: Vogel Business Media)

Leider jedoch sind die herkömmlichen hydraulischen Kupplungen sehr kostspielig, komplex und wartungsintensiv. Und so hat Kanon eine — zum Patent angemeldete — hydraulische Schnellkupplung entwickelt, die für mehrere Flanschgrößen verwendet werden kann. Sie bietet eine effiziente Lösung für die anspruchsvollen Betriebsumgebungen beim Be- und Entladen von Seeschiffen.

Schiffsverladearme in explosionsgefährdeten Bereichen brauchen ex-geschützte Steuer- und Bedientechnik

Verladearme kommen natürlich auch mit explosionsfähigen Gasen und brennbaren Flüssigkeiten in Berührung. Sie stehen dann in Ex-Bereichen, und die zugehörigen Steuer- und Bedientafeln müssen entsprechend explosionsgeschützt ausgeführt sein. Hierzu werden drei Versionen der Steuer- und Bedieneinrichtungen benötigt. Das am häufigsten eingesetzte System ist eine Kombination von zwei druckfest gekapselten Gehäusen mit zwei Gehäusen in der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit ›e‹. Diese Steuerung ist zugelassen nach der europäischen ATEX-Richtlinie 94/9/EG, den amerikanischen Normen in alter und neuer Version und dem IECEx-Scheme. Die zweite Version ist speziell für IIC-Anwendungen ausgelegt. Dazu gehört eine Baugruppe mit einem druckfest gekapselten Gehäuse II C mit direkter Einführung über Conduitverschraubungen. In Fällen, in denen der Bediener zahlreiche Ladearme zu überwachen hat, die sich über einen größeren Bereich verteilen, ist zum dritten die Kombination einer druckfest gekapselten Steuerung mit Anschlussraum in Erhöhter Sicherheit mit mehreren im Feld örtlich verteilten Bedienpulten in der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit ›e‹ eine effiziente Lösung (Abb. 4 in der Galerie).

Die Steuerung des Ladearms kann direkt von einem Vorort-Steuergerät aus erfolgen, das über die entsprechenden explosionsgeschützten Drucktaster, Wahlschalter und über Anzeigen verfügt. Für die Steuerung per explosionsgeschützter Hängesteuertafel gibt es drei Lösungen:

  • Eine Hängesteuertafel ist über ein bis zu 50 Meter langes Verlängerungskabel an das Vorort-Steuergerät angeschlossen, allerdings muss sich der Bediener während der einzelnen Abläufe viel bewegen und zudem das Kabel mit sich ziehen.
  • Eine Hängesteuertafel wird über ein kurzes Kabel an jedes Drehgelenk angeschlossen. Dies ist die effizienteste Lösung, da nur ein kurzer Kabelabschnitt notwendig ist und keine schweren Kabel nachgeführt werden müssen. Werden dagegen mehrere Ladearme gesteuert, so sind mehrere Hängebedientafeln, eine umfangreichere Instrumentierung, eine größere SPS und ein entsprechend größeres Gehäuse erforderlich.
  • Steckbar anschließbare Hängesteuertafel: In diesem Fall sind die Drehgelenke aller Ladearme mit je einer explosionsgeschützten Steckverbinder ausgestattet. Im Vergleich zu den anderen Lösungen ist dieses Verfahren allerdings mechanisch anfälliger.

Bei einer Steuerung per Funk wiederum ist ein Empfänger in ein druckfestes CUBEx-Gehäuse eingebaut, das im Hydraulikaggregat untergebracht ist. Eine solche Lösung kommt ganz ohne Kabel aus. Die Fernsteuerung ist das effizienteste Steuerungssystem, insbesondere dann, wenn mehrere Ladearme gesteuert werden müssen.

HMI-Positionsüberwachungssystem kontrolliert alle Bewegungen zeitgleich

Als Option kann eine Positionsüberwachung mit einem HMI-System verwirklicht werden. Das HMI-System von R. Stahl beispielsweise, mit dem die Position des Ladearms überwacht werden kann, hat PC-Funktionalität mit einem implementierten Runtime-Softwarepaket und der gesamten Anwendungssoftware zum Überwachen des Ladearms. Zur Erfassung der Position eines Ladearms werden drei Analogwerte gemessen. Diese Messwerte werden zusammen mit festen Arm-Parametern wie der Armhöhe und Armlänge, den Grenzwerten für den zulässigen Betriebsbereich, dem Abstand des Ladearms zum Ufer und anderen Daten ausgewertet. Aus allen Werten wird die tatsächliche Position berechnet. Bewegungen wie die Relativbewegung zwischen Schiff und Ufer sowie Links-Rechts- und Aufwärts-Abwärts-Bewegungen sind auf dem PC-Bildschirm zeitgleich zu sehen.

Auf jedem Arm ist ein explosionsgeschütztes Gehäuse mit integriertem Remote I/O-System installiert. Die an jedem Arm erfassten Daten werden über ein CANbus-Netzwerk an eine CANbus-Netzwerkkarte in das HMI-System übertragen. Alle Arme lassen sich einzeln oder in Kombination überwachen. Es können bis zu vier vom Bediener frei wählbare Arme gleichzeitig und an einem Bildschirm überwacht werden.

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