Präsentation des Projektpartners SAM Electronics

Präsentation des Projektpartners SAM Electronics

AUTENDIB
Automatisierung der Endmontage Integrierter Brückensysteme
durch deutliche Reduzierung der Verkabelung
(Drahtlose Brücke)
Karl-Christian Ehrke, SAM Electronics GmbH
1 Kurzzusammenfassung
Moderne RoRo-Fähren, Container- und Kreuzfahrtschiffe werden heute über
„Integrierte Schiffsführungszentralen“, bestehend aus mehreren miteinander
vernetzten Arbeitsstationen für Radar, elektronische Karte und Automation gesteuert.
Sie überwachen zusammen bis zu 2000 Sensoren, regeln hunderte von Prozessen
und sorgen für den sicheren Ablauf der Reise.
Abbildung 1:
Ro-Pax Nils Holgersson mit
Brücke
Die Fertigungskosten für die Schiffsführungszentralen werden entscheidend auch
durch den Anteil der Verkabelung geprägt. Die gesamte Verkabelung einer Zentrale
besteht typisch aus 200 bis 500 Einzelverbindungen. Jede Verbindung schlägt mit
Planungs-, Fertigungs- und Wartungskosten von bis zu 100 Euro zu Buche.
Im Rahmen einer detaillierter Studien sollten deshalb die Einsatzmöglichkeiten neuer
Technologien (Powerline, Funk, Glasfaser) zur Reduzierung der Verkabelung
aufgezeigt werden. Nach einer Analyse- und Konzeptphase wurde die Eignung
ausgewählter technischer Lösungen bezüglich EMV, Ausfallsicherheit, Redundanz
u.a. exemplarisch auf Schiffsneubauten untersucht.
Die Studie wurde vom BMBF im Rahmen des Programmes Vision 2010 zur
Reduzierung der Kosten im Schiffbau um 30% gefördert.
Neben SAM Electronics als Koordinator des Verbundvorhabens waren die folgenden
Partner beteiligt:
•
FH Westküste, AB Nachrichtentechnik, Prof. Dr. Hans-Dieter Schütte
•
TU Hamburg-Harburg, Arbeitsbereich Meßtechnik/EMV, Prof. ter Haseborg
•
Blohm + Voss GmbH, Dr. Wessel
2 Einleitung
Moderne Passagier- und Kreuzfahrtschiffe verfügen über eine umfangreiche
Verkabelung. Auf einem modernen Kreuzfahrtschiff (70.000 BRZ und mehr) sind
insgesamt weit über 2000 km Kabel verlegt. Hierbei handelt es sich um ein breites
Spektrum an Energie-, Steuer- und Messleitungskabeln. Dementsprechend verfügen
moderne Schiffsbrücken über eine sehr komplexe Brückenverkabelung. Durch die
hohe Anzahl an Bedienelementen, Hilfsfahrständen und Tochteranzeigen liegen die
zu verlegenden Kabellängen zwischen unterschiedlichen Modulen und Konsolen auf
der Brücke bei ca. 20-50m.
Abbildung 2: Verkabelung auf der Brücke
Während der Verlegung werden dabei zuerst die Haupt- und Nebenfahrstände in den
Doppelboden der Brücke montiert und verkabelt, anschließend werden die
Verkabelungen zu den Tochteranzeigen oder ähnlichen untergeordneten Elementen
durchgeführt. Bedingt durch die großen Kabellängen zwischen den Fahrständen und
dem Deckenbereich entstehen bei den Tochteranzeigen im Vergleich zu der
Fahrstandsverkabelung deutlich höhere Kosten, zumal die Tochteranzeigen zu
einem fortgeschrittenen Baustadium in die Brücke integriert werden, in welchem
bereits große Teile der Brückenwände und Böden endgültig montiert sind und damit
eine nachträgliche und kürzestmögliche Verkabelung nicht mehr möglich ist.
Im Gegensatz zu den Hauptfahrständen besitzen die oftmals redundanten
Tochteranzeigen in der Regel keine Eingabekomponenten und bestehen aus
mehreren Anzeigen, die einfache Daten wie z.B. Drehzahl, Antriebsleistung,
Windrichtung und -Geschwindigkeit visualisieren, wobei die Aktualisierungsraten im
Sekundenbereich liegen.
Aus diesen Gründen bietet es sich an, Datenleitungen durch geeignete
Funkverbindungen zu ersetzen, was die Verkabelung auf die Energieversorgung und
damit auf ein Minimum reduzieren würde. Hierdurch würde auch eine deutliche
Vereinfachung der Endmontage der Brückensysteme erreicht werden, bei der bisher
die gesamte Brückenelektronik zuerst an Land aufgebaut und getestet wird, um
anschließend demontiert und erneut auf dem Schiff aufgebaut und getestet zu
werden. Ebenso würde dieser Ansatz eine unkomplizierte nachträgliche Installation
(Retrofit) oder räumliche Umordnung ermöglichen, welche bei der derzeitigen
Verkabelungsmethode nicht durchführbar ist.
Die Entscheidung für einen möglichen Standard ist hierbei sowohl von der im
folgenden diskutierten EMV der entsprechenden Funkmodule als auch von den
Anforderungen an das Funkprotokoll abhängig, da die verschiedenen dargestellten
Daten unterschiedliche Anforderungen bezüglich z.B. der Datenrate und Übertragungsgeschwindigkeit, maximalen Verzögerung und Sicherheit besitzen.
3 Vorgehensweise
Aus der übergreifenden Koordinierungsphase heraus gliederte sich das Projekt in
drei Phasen:
(1) In der Analysephase wurde der aktuelle Stand der Brückentechnik
zusammengefaßt, anhand der Kabelpläne typischer Neubauten wurden Kabelund Anwendungsklassen definiert, für diese Klassen wurden Sicherheitsstufen
und Anwendungsszenarien erarbeitet, schließlich wurden neue Technologien zur
Reduzierung der Kabelverbindungen (Funk, Powerline u.a.) analysiert.
(2) In der anschließenden Konzeptphase wurden Vorschläge zur Sicherheit, zur
Standardisierung, zur EMV-Verträglichkeit und zur Konstruktion von Brücken
erarbeitet. Die Ergebnisse mündeten in die Systemarchitektur.
(3) In der abschließenden Umsetzungs- und Testphase wurden beispielhafte Muster
von Übertragungsstrecken im Labor und an Bord erprobt. Die Ergebnisse wurden
abschließend auf einem Ro-Pax-Schiff erprobt.
Nachfolgend werden die wichtigsten Ergebnisse aus den drei Phasen vorgestellt.
4 Analyse der Trollfjord
Als repräsentatives Beispiel für eine aktuelle Schiffsbrücke wurde die norwegische
Fähre Trollfjord ausgewählt. Sie hatte im Oktober 2001 bei der Bruces Shipyard AB
in Landskrona ihren Stapellauf und wurde bei Fosen Mekaniske Verksteder A/S in
Rissa ausgebaut. Die Ablieferung erfolgte im Mai 2002 und passte gut in den Ablauf
unseres Projektes. Sie verfügt über drei Radarantennen, drei Radar-Sichtgeräte und
eine ECDIS. Das Schiff ist 135 m lang und 21,5 m breit, hat 16.000 BRZ und eine
Maschinenleistung von 3125 KW, die für 18 Kn Fahrt ausreichen. Es kann 1000
Passagiere in 309 Kabinen sowie 50 Fahrzeuge aufnehmen und wird auf der
Hurtigroute eingesetzt.Das Brückenlayout ist nachstehend gezeigt.
Abbildung 3: Trollfjord mit Brücke
Die Brücke weist schon alle typischen Merkmale eines größeren Ro-Ro-Schiffe auf.
Sie besteht aus dem U-förmigen Hauptfahrstand, den beiden Nockenfahrständen
sowie im Hintergrund dem Kartentisch zur Routenplanung und dem
Kommunikationszentrum mit GMDSS Ausrüstung.
Die Analyse der Kabelverbindungen ergab folgende Aufteilung:
Art
Anteil
Stromversorgungskabel
26,5%
Diverse Kabel
24,0%
Video- und Radarkabel
11,2%
Buskabel, Serielle Datenkabel
38,3%
Tabelle 1: Kabelkategorien
"Stromversorgungskabel"
sind
unersetzlich,
"Diverse
Kabel"
führen
herstellerspezifische Signale, Signale die den Brückenbereich verlassen oder
verbinden z.B. einen Trackball oder eine Tastatur mit einem Rechner innerhalb einer
Konsole. Für diese Kabel gibt es keinen kostengünstigen Ersatz oder eine über die
Kabel mitgeführte Stromversorgung sprechen gegen deren Ersatz durch andere
Übertragungsmedien. "Video- und Radarkabel" verlassen zum Teil ebenfalls den
Brückenbereich und erfordern zum anderen sehr hohe Bandbreiten. Dafür steht z.Z.
keine anderen kostengünstigen Lösung zur Verfügung.
Es verbleiben die "Bus- und Datenkabel" mit einem Anteil von fast 40 Prozent. Diese
teilen sich in folgende Netze:
Art
Anteil
Übertragungsrate
Topologie
10 Base-2
6,2%
10 Mbps
CAN-Bus
9,7%
125 kbps
Beidseitig
Bus
RS422/485
16,5%
4,8 / 38,4 kbps
Sternnetz
RS232
5,9%
nicht betrachtet
Punk zu Punkt Verbindung
abgeschlossener
Tabelle 2: Prozentuale Verteilung der Bus- und Datenkabel
Jedes Netz hat für sich betrachtet weniger als zehn Teilnehmer. Da diese Netze
einen Schwerpunkt der Verkabelung bilden, wurde die nachfolgende Suche nach
Technologien auf diesen Ersatz hin ausgerichtet.
5 Neue Technologien
Kostengünstige drahtlose Übertragungsverfahren lassen sich optisch oder
funktechnisch realisieren. Einen Überblick über bekannte und standardisierte
Technologien gibt die folgende Tabelle:
Technologie Eigenschaften
2,412-2,472 GHz; 1 - 11 Mb/s; 100 mW; indoor 50 m; out ~Km
Wireless LAN
dito; 54 Mb/s; 100 mW; indoor 30 m
5,15 - 5,825 GHz; 6 bis 24 Mb/s; USA 40-200 mW
Bluetooth
2,402 - 2,480 GHz; 1 Mb/s; 100, 2.5, 1 mW; 100 m bei 100 mW
Infrarot
850 - 900 nm; 115,2 Kb/s; 16 Mb/s; <1m
Tabelle 3: Drahtlose Übertragungsverfahren
Die Infrarotlösung wurde für die weiteren Untersuchungen wegen der kurzen
Reichweite verworfen. WLAN und Bluetooth wurden parallel weiterverfolgt.
6 Frequenzspektren auf Schiffen
Um die Belegung der Frequenzbänder auf Schiffsbrücken zu untersuchen und damit
mögliche für die Datenübertragung störende Sender aufzuspüren, wurden auf zwei
Kreuzfahrtschiffen detaillierte Messungen der Frequenzspektren bis 7 GHz im
Bereich der Brücke und der angrenzenden Elektronikräume bei vollem Betrieb aller
Aggregate auf dem Schiff vorgenommen. Hierbei wurden Aspekte wie Polarisation,
räumliche Verteilung, Richtungsabhängigkeit, Verwendung von Funkdiensten,
Konfiguration
des
Bugradars
etc.
berücksichtigt.
Außerdem
wurden
Langzeitmessungen und Datenübertragungsmessungen durchgeführt.
Abbildung 4: Langzeitmessung (1 Stunde) des Frequenzspektrums auf der Brücke eines
Kreuzfahrtschiffes (92.000 BRZ), Messung TUHH
Als größte Strahlungsquelle konnte hierbei das S-Band-Bugradar (3,1 GHz)
identifiziert werden, welches trotz seiner Richtwirkung und einer aktiven Ausblendung
der Hauptkeule über den Schiffsbereich, auf der deutlich außerhalb der
Hauptstrahlungsrichtung liegenden Brücke Peak-Feldstärken mit bis zu 20 V/m
erzeugt. Um das Bugradar dicht vorbeifahrender oder kreuzender Schiffe zu
simulieren wurde die Ausblendung des Radars deaktiviert. Dabei wurden im
Brückenbereich Feldstärken von über 120 V/m gemessen.
Abbildung 5: Norwegian Dawn und Bugradar des Schiffes
Als weitere Strahlungsquellen liegen der Betriebsfunk (Funkgeräte etc.) mit bis zu 5
V/m, die Mobilfunknetze mit bis zu 1 V/m sowie zeitweilig Satellitenkommunikation
oder Seefunk mit bis zu 1 bzw. 5 V/m vor. Da diese jedoch deutlich entfernt vom
ISM-Bereich liegen und weit geringere Feldstärken als die des Radars verursachen,
ist das Bugradar als Haupt-Außerbandstörer anzusehen.
Betrachtet man Inband-Störer, so wurden während der gesamten Messdauer von
über 4 Stunden lediglich sehr wenige kurzzeitige Signale innerhalb des ISM-Bandes
festgestellt.
7 Wellenausbreitung in einer Brückenkonsole
Zur Verbindung von Geräten innerhalb einer Konsole oder eines Konsolenverbandes
ist es wichtig, die Wellenausbreitung, insbesondere die Nullstellen durch
Auslöschung zu kennen. Die FH Westküste hat hierzu umfangreiche
Untersuchungen an einem Konsolenleergehäuse ausgeführt. Eine kleine
Meßantenne wurde an einem Holzgestell befestigt und in jeden Winkel des
Gehäuses gebracht. An allen Stellen war eine ausreichende Feldstärke für
Bluetooth-Betrieb zu messen.
Abbildung 6: Graphische Meßwertdarstellung, senkrechte Ebene in der Konsole (FHW)
8 Übertragungsmessungen im Labor
Die Übertragungsmessungen wurden auf dem Dach der Entwicklungsabteilung von
SAM Electronics in Bremen durchgeführt. Dort stehen sowohl aktive X-Band als auch
S-Band Antennen zur Verfügung.
Die Messungen wurden von der FH Westküste vorbereitet und ausgeführt. Dabei
wurde jeweils eine Bluetooth und eine WLAN-Testverbindung zwischen zwei Laptops
aufgebaut. Die Laptops waren beide mit Funk-Adapter und der AuswertungsSoftware ausgestattet. Die 20 cm langen Antennen wurden über ein 1,5 m langes
Kabel Antennen angeschlossen. Über das Monitorprogramm wurden Aussagen über
die Qualität der Verbindungen gewonnen. Parallel dazu führte die TUHH mit einem
Spektrum-Analyzer und separater Meßantenne Messungen des Spektrums durch.
Die Daten der Radarbestrahlung waren wie folgt:
Versuch mit Funk-LAN Adapter (IEEE 802.11b): Über zwei Funk-LAN Adapter von
Lucent Technologies wurde eine Punkt zu Punkt Verbindung zwischen den Laptops
aufgebaut. Zur Prüfung der Verbindungsqualität wurde ein Adapter im Link Test
Mode, Kanal 10 (2457 MHz), betrieben. Das Ergebnis ist nachfolgend dargestellt.
Unter Einfluss von Radareinstrahlung (drehende Antenne) sinkt die Übertragungsrate
für 9% der Zeit von 11 Mbps auf 5,5 Mbps ab. Es gehen keine Daten verloren.
Versuch mit Bluetooth: Für den Test einer Bluetooth Verbindung wurde ein
Filetransfer durchgeführt und die Übertragungsdauer gemessen. Sie ging geringfügig
um 1% zurück. Parallel zu den Verbindungsmessungen wurden Messungen der
Feldstärke und des Frequenzspektrums mit einem Spectrum Analyzer und einer
Messantenne durchgeführt.
Fazit: Bluetooth ist deutlich stabiler als WLAN, aber auch mit WLAN ist eine
gesicherte Übertragung möglich. In der Realität dürfte es im Vergleich zum
Messaufbau wohl keine vergleichbaren Konstellationen von schiffseigenem Radar
und ISM Übertragungsstrecken im Brückenbereich geben. Die Schirmwirkung der
Brücke, speziell der Verglasung, wäre gesondert zu untersuchen, um Aussagen über
die Beeinflussung durch schiffsfremde Radaranlagen treffen zu können. Es ist aber
anzunehmen, dass das Brückenhaus eine ausreichende Schirmung bewirkt, so dass
Übertragungen im 2,4 GHz ISM Band störungsfrei arbeiten.
Abbildung 7: WLAN-Antenne vertikal, 80 nsec Impuls, 2 kHz Rate
9 Erprobung auf der Nils Holgersson
Zum Abschluß des Vorhabens wurden drei Bluetooth- und eine WLAN-Verbindung
an Bord der Nils Holgersson im regulären Fährdienst zwischen Travemünde und
Trelleborg erprobt.
Die vorhandene Navigationsanlage vom Typ NACOS-4 wurde um einen weiteren
ECDIS-Rechner ergänzt. Dieser Rechner wurde über eine WLAN-Strecke an das
vorhandene Navigationsnetzwerk angeschlossen. Ferner wurde der neue ECDISRechner mit einem integrierten Bluetooth-Treiber ausgerüstet. Damit konnte er als
drahtloser Navigationsdatenverteiler zu weiteren Rechnern eingesetzt werden.
Als Gegenstation haben wir die vorhandene Chartpilot-Anwendung auf einen Laptop
portiert und diesen ebenfalls mit einem Bluetooth-Treiber versehen.
Das nebenstehende Bild zeigt den
Autor mit einem Laptop auf dem
Hubschrauberdeck des Schiffes
und mit einer voll funktionsfähigen
ECDIS-Anwendung in der Hand.
Die
Übertragung
der
Navigationsdaten von der Brücke
zum Laptop erfolgt drahtlos über
eine Bluetooth-Strecke.
Parallel dazu läuft eine WLANVerbindung innerhalb der Brücke,
sowie ferner eine BluetoothStrecke zu einer Tochteranzeige
und eine weitere als FunkstreckenMonitor.
Abbildung 8: ECDIS Laptop auf dem Sonnendeck
10 Zusammenfassung und Ausblick
Moderne Schiffsbrücken bieten aufgrund der hohen Anzahl elektronischer
Komponenten und der damit verbundenen umfangreichen Verkabelung ein
deutliches Einsparpotenzial durch die Verwendung von Funkmodulen anstelle von
Kabeln für redundante und nicht sicherheitskritische Anzeigen und Bedienelemente.
Nach den bisherigen Erkenntnissen ist aus Sicht der EMV der Einsatz von
Datenübertragungseinrichtungen im 2,4-GHz-ISM-Band für diese Anwendungen
bedenkenlos möglich, wenn Einschränkungen wie Abschirmung bzw. Abstände zu
den Funkübertragungsmodulen beachtet werden.
In Zukunft werden weitere Messungen des Frequenzspektrums auf Schiffsbrücken
durchgeführt, wobei neben Kreuzfahrtschiffen auch Container- und Marineschiffe
untersucht werden. Da die Radarstrahlung jedoch nach den bisherigen Ergebnissen
als der Hauptstörer angesehen werden kann, werden sich die Untersuchungen auf
die Auswirkungen und das Störpotential leistungsstarker Radarpulse auf
Funkübertragungsmodule konzentrieren.
Als erstes praktisches Einsatzgebiet für die drahtlose Technik bieten sich
Tochteranzeigen, Deckenanzeigen und tragbare Displays für Anwendungen im
Freien an. Sie sind zunächst noch nicht sicherheitskritisch. Die nachstehende
Abbildung zeigt ein Manöverdisplay auf einem Tablet-PC mit WLAN Interface. Der
Anwender kann jede der sechs Anzeigepositionen mit einem von 13 verschiedenen
Instrumenten belegen. Die Auswahl erfolgt entweder vom Radarsichtgerät oder direkt
auf dem Tablet-PC.
Abbildung 9: Tragbares Manöverdisplay auf Tablet-PC
Abbildung 10: Auswahl der Instrumente am Radar
Nach Abschluss unserer Arbeiten wurden neue Funkübertragunsgverfahren bekannt.
Eines davon heißt ZigBee und soll hier kurz erwähnt werden:
Low power digital radio based on IEEE 802.15.4 standard for WPAN; 2,4 GHz, nur
10% der Bluetooth SW erforderlich; high level communication protocol; ZigBeeKnoten kostet 1 Euro; Bluetooth ca. 2-3 Euro; Low-Power Bakensender und Router;
250 KBit/s, 10 to 75 meter, 0dBm (1 MW); große Anzahl von Knoten möglich