[0001] Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für einen Schiffsantrieb mit einem Fahrhebel,
dessen Stellung einen Leistungswunsch repräsentiert, mit einer Sollwert-Vorgabe zur
Vorgabe eines Sollwerts in Abhängigkeit der Stellung des Fahrhebels und mit einem
Drehzahl-Regelkreis zur Drehzahl-Regelung eines Motors anhand des Sollwerts.
[0002] Ein derartiges Regelsystem ist beispielsweise aus der DE 198 12 514 C2 bekannt. Aus
der DE 195 15 481 C2 wiederum ist ein Regelsystem für einen Schiffsantrieb mit Verstellpropeller
bekannt. Bei diesem Regelsystem berechnet die Sollwert-Vorgabe in Abhängigkeit der
Stellung des Fahrhebels einen Sollwert für den Drehzahl-Regelkreis und einen Sollwert
für den Regelkreis des Verstellpropellers.
[0003] Beiden Regelsystemen ist gemeinsam, dass sich in Abhängigkeit der Stellung des Fahrhebels
eine entsprechende Drehzahl am Schiffsantrieb bzw. Schiffsgeschwindigkeit einstellt.
Die resultierende Schiffsgeschwindigkeit kann sich jedoch auf Grund von äußeren Einflüssen,
beispielsweise Wellengang und Wind, ändern. Hieraus entsteht in der Praxis nun das
Problem, dass eine konstant gewünschte Schiffsgeschwindigkeit nur dadurch zu erreichen
ist, indem der Schiffsführer über manuelle Korrektur des Fahrhebels die Störgrößen
ausgleicht.
[0004] Der Erfindung liegt insofern die Aufgabe zu Grunde, die Bedienung eines Schiffsantriebs
zu vereinfachen.
[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den
Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu dargestellt.
[0006] Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass neben der Drehzahl-Regelung des Motors,
entsprechend einer ersten Betriebsart, in einer zweiten Betriebsart zusätzlich ein
Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis zur Schiffsgeschwindigkeits-Regelung aktiviert
wird. Der Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis wirkt auf den Drehzahl-Regelkreis ein.
Der Schiffgeschwindigkeits-Regelkreis wiederum wird maßgeblich von der Stellung des
Fahrhebels bestimmt. Mit anderen Worten: In der ersten Betriebsart wird in Abhängigkeit
der Stellung des Fahrhebels eine entsprechende Drehzahl des Motors eingestellt. In
der zweiten Betriebsart wird ebenfalls über den Fahrhebel die Schiffsgeschwindigkeit
vorgegeben.
[0007] Die erfindungsgemäße Lösung und deren Ausgestaltungen bieten den Vorteil, dass ausschließlich
über ein Bedienelement, also der Fahrhebel, der Schiffsantrieb entsprechend eingestellt
werden kann. Über die Regelung der Schiffsgeschwindigkeit werden die äußeren Einflüsse
mitberücksichtigt, so dass ein manuelles Nachführen des Fahrhebels entfällt. In Konsequenz
ergibt sich somit eine wesentlich vereinfachte Bedienung. Bei einem Schiffsantrieb
mit mehreren Motoren wird über die Sollwert-Vorgabe der Sollwert für alle Motoren
sowie Verstellpropeller vorgegeben. Bei der Berechnung des Sollwerts wird hierbei
die verfügbare Antriebsleistung der Motoren mitberücksichtigt. Hierdurch ergibt sich
der Vorteil, dass die Motoren gleichmäßig ausgelastet werden.
[0008] In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
- Figur 1
- ein Blockschaltbild;
- Figur 2
- Blockschaltbild der Sollwert-Vorgabe;
- Figur 3
- ein Programmablaufplan
[0009] In Figur 1 ist ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer Antriebsanlage für ein
Schiff dargestellt. Der Propeller 7 ist hierbei als Verstellpropeller ausgeführt.
Dementsprechend ist ein Drehzahl-Regelkreis, bestehend aus dem Motordrehzahl-Regler
3 und Motor 4, und ein Verstellpropeller-Regelkreis, bestehend aus dem Verstellpropeller-Regler
5 und Propeller-Verstelleinrichtung 6, dargestellt. Selbstverständlich ist die Erfindung
auch bei einer Antriebsanlage mit einem Festpropeller anwendbar. In diesem Fall würde
der Verstellpropeller-Regelkreis entfallen. In Figur 1 ist ein Fahrhebel 1 dargestellt.
Bekanntermaßen gibt der Schiffsführer über diesen Fahrhebel 1 die Fahrrichtung und
über die Stellung FS den Leistungswunsch vor. Zusätzlich weist der Fahrhebel 1 eine
Auswahleinrichtung zur Auswahl der Betriebsart, Signal MOD, auf. Beide Signale FS
und MOD werden auf eine Sollwert-Vorgabe 2 geführt. Die Sollwert-Vorgabe 2 erhält
als weiteres Eingangssignal den Schiffsgeschwindigkeits-lstwert vIST. In der Praxis
wird dieser Schiffsgeschwindigkeits-lstwert vIST von einem Schiffs-Log oder dem GPS
bereitgestellt. Die Sollwert-Vorgabe 2 besitzt als Ausgangsgrößen einen Sollwert nSW,
entsprechend einem Drehzahlwert, und einen Sollwert PhiSW, entsprechend einer Steigung
für den Verstellpropeller. Der Sollwert nSW ist somit die Führungsgröße für den Drehzahl-Regelkreis.
Die Drehzahl-Regelung des Motors 4 erfolgt in bekannter Weise indem aus dem Sollwert
nSW und dem Drehzahl-Istwert nIST eine Regelabweichung bestimmt wird. Aus dieser Regelabweichung
bestimmt der Motordrehzahl-Regler 3 eine Stellgröße, welche dem Motor 4 zugeführt
wird. Die Drehzahl des Motors 4 entspricht sodann dem Drehzahllstwert nIST. Parallel
hierzu wird aus dem Steigungswinkel-Sollwert des Verstellpropellers PhiSW und dem
Steigungswinkel-Istwert PhiIST eine Regelabweichung bestimmt. Aus dieser Regelabweichung
berechnet der Vorstellpropeller-Regler 5 eine Stellgröße für die Propeller-Verstelleinrichtung
6. Die Ausgangsgröße der Propeller-Verstelleinrichtung 6 wiederum entspricht dem Steigungswinkel-Istwert
PhiIST des Verstellpropellers.
[0010] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei einer Antriebsanlage mit mehreren Motoren
4 die Sollwert-Vorgabe 2 den Sollwert nSW(i) und PhiSW(j) für alle Motoren vorgibt,
wobei die Laufvariable i der Anzahl der Motoren 4 entspricht und j der Anzahl der
Propeller 7 entspricht. Bei der Berechnung des Sollwerts wird hierbei die Antriebsleistung
mitberücksichtigt. Wenn beispielsweise die momentan verfügbare Antriebsleistung nicht
ausreicht, um die gewünschte Schiffsgeschwindigkeit zu erreichen, wird über die Verringerung
des Sollwerts PhiSW(j) die Steigung des Propellers reduziert, und gleichzeitig über
die Erhöhung des Sollwerts nSW(i) die Motordrehzahlen erhöht.
Als Motor 4 kann selbstverständlich auch ein Elektromotor oder eine Gasturbine als
Schiffsantrieb verwendet werden. Statt eines Fest- oder Verstellpropellers kann auch
ein Waterjet verwendet werden.
[0011] In Figur 2 ist ein Blockschaltbild der Sollwert-Vorgabe 2 dargestellt. Die Eingangsgrößen
sind: Die Stellung FS des Fahrhebels 1, der Schiffsgeschwindigkeits-lstwert vIST und
das Signal MOD, dessen Wert den ersten Betriebsmodus MOD1 bzw. zweiten Betriebmodus
MOD2 kennzeichnet. Die Ausgangsgrößen der Sollwert-Vorgabe 2 sind: Der Sollwert nSW
und der Sollwert PhiSW. Bei einer Antriebsanlage mit mehreren Motoren und mehreren
Propellern 7 stellt die Sollwert-Vorgabe 2 eine entsprechende Anzahl an Sollwerten
nSW(i) bzw. PhiSW(j) bereit, wobei die Laufvariable i der Anzahl der Motoren 4 entspricht
und j der Anzahl der Propeller 7 entspricht. In Figur 2 ist diese Ausführungsform
durch zwei Pfeile bezeichnet. Als weitere Ausgangsgröße der Sollwert-Vorgabe 2 ist
eine Anzeige 12 dargestellt. Dem Schiffsführer wird der Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert
vSW permanent darstellt, d. h. unabhängig vom ausgewählten Betriebsmodus. Die Anzeige
12 kann im Fahrhebel 1 integriert sein. Mittels dieser Anzeige 12 kann der Schiffsführer
bereits vor Aktivierung des zweiten Betriebsmodus MOD2 die gewünschte Schiffsgeschwindigkeit
einstellen. Die Sollwert-Vorgabe 2 weist folgende Funktionsblöcke auf: Kennlinie 8,
Pl-Glied 9, Vergleicher 10 und Kennfeld 11. Über die Kennlinie 8 wird aus der Stellung
FS des Fahrhebels 1 der Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert vSW berechnet. Bei der Berechnung
des Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert vSW wird die Anzahl der sich im Betrieb und im
eingekuppelten Zustand befindenden Motoren mitberücksichtigt. In der Anzeige 12 wird
dem Schiffsführer derjenige Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert vSW dargestellt, welcher
mit der aktuellen Antriebs-Konfiguration (Motor an und eingekuppelt) erreichbar ist.
Aus dem Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert vSW und dem Schiffsgeschwindigkeits-Istwert
vIST wird eine Schiffsgeschwindigkeits-Abweichung dv bestimmt. Aus dieser Schiffsgeschwindigkeits-Abweichung
dv wird mittels des PI-Glieds 9 ein erster Fahrhebel-Wert FS1 bestimmt. Der erste
Fahrhebel-Wert FS1 sowie die Stellung FS des Fahrhebels 1 und das Signal der Betriebsart,
entsprechend MOD1 oder MOD2, stellen die Eingangsgrößen des Vergleichers 10 dar. Der
Vergleicher 10 bestimmt in Abhängigkeit der Betriebsart einen zweiten Fahrhebel-Wert
FS2 als Ausgangsgröße. Dieser ist auf das Kennfeld 11 geführt. Über das Kennfeld 11
wird aus dem zweiten Fahrhebel-Wert FS2 die Sollwerte nSW und PhiSW bzw. nSW(i) und
PhiSW(j) berechnet.
[0012] In der ersten Betriebsart MOD1 setzt der Vergleicher 10 den zweiten Fahrhebel-Wert
FS2 auf den Wert entsprechend der Stellung FS des Fahrhebels 1. In der ersten Betriebsart
MOD1 sind somit die Sollwerte nSW und PhiSW unmittelbar an die Stellung FS des Fahrhebels
1 gekoppelt, d. h. der Drehzahl-Regelkreis ist aktiv. In der zweiten Betriebsart MOD2
wird der zweite Fahrhebel-Wert FS2 in Abhängigkeit der Stellung FS des Fahrhebels
1 und dem ersten Fahrhebel-Wert FS1 berechnet. In der zweiten Betriebsart MOD2 ist
somit zusätzlich zum Drehzahl-Regelkreis der Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis aktiv.
Bei einer Antriebsanlage mit Verstellpropeller berechnet die Sollwert-Vorgabe 2 den
Sollwert für den Drehzahlregelkreis nSW und den Sollwert PhiSW für den Verstellpropeller-Regelkreis
in Abhängigkeit der verfügbaren Antriebsleistung. Wenn beispielsweise die momentan
verfügbare Antriebsleistung nicht ausreicht, um die gewünschte Schiffsgeschwindigkeit
zu erreichen, wird über die Verringerung des Sollwerts PhiSW die Steigung des Propellers
reduziert, und gleichzeitig über die Erhöhung des Sollwerts nSW die Motordrehzahlen
erhöht.
[0013] In Figur 3 ist ein Programmablaufplan dargestellt. Nach der Initialisierung eines
elektronischen Steuergeräts wird bei Schritt S1 die Betriebsart MOD abgefragt. Wird
die erste Betriebsart MOD 1 detektiert, so wird der Programmablauf mit den Schritten
S2 bis S4 durchlaufen. Wird die zweite Betriebsart MOD2 festgestellt, so wird der
Programmablauf mit den Schritten S5 bis S19 durchlaufen.
[0014] In der ersten Betriebsart MOD1 wird bei Schritt S2 die Drehzahl-Regelung aktiviert.
Bei einer Antriebsanlage mit einem Verstellpropeller wird zusätzlich die Steigungswinkel-Regelung
Phi aktiviert. Im·Schritt S3 wird der zweite Fahrhebelwert FS2 auf den Wert entsprechend
der Stellung FS des Fahrhebels 1 gesetzt. Bei Schritt S4 wird in Abhängigkeit des
zweiten Fahrhebel-Werts FS2 der Sollwert nSW bzw. PhiSW berechnet. Danach verzweigt
der Programmablauf zum Punkt A und fährt mit dem Schritt S 1 fort.
[0015] In der zweiten Betriebsart MOD2, entsprechend der Schiffsgeschwindigkeits-Regelung,
wird bei Schritt S5 neben der Drehzahl-Regelung die Schiffsgeschwindigkeits-Regelung
nach Prüfung auf Zulässigkeit aktiviert. Die Aktivierung der Schiffsgeschwindigkeits-Regelung
ist dann zulässig, wenn der Schiffsgeschwindigkeits-lstwert vIST einen plausiblen
Wert aufweist. Bei einem nicht plausiblen Schiffsgeschwindigkeits-Istwert vIST, beispielsweise
weil auf Grund einer Störung kein Wert vorliegt, wird der erste Betriebsmodus MOD1
aktiviert. Ergänzend kann geprüft werden, ob der Fahrhebel 1 sich im Vorausfahrbereich
befindet. Beispielsweise beim Manövrieren im Hafen, ist eine Schiffsgeschwindigkeits-Regelung
nicht sinnvoll. Bei Schritt S6 wird sodann die Fahrhebelstellung FS eingelesen. Bei
Schritt S7 wird aus der Stellung FS des Fahrhebels 1 ein Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert
vSW mittels der Kennlinie 8 berechnet. Parallel wird hierzu eine Prüfung auf Zulässigkeit
durchgeführt. Bei der Berechnung des Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert vSW wird die
Anzahl der sich im Betrieb und im eingekuppelten Zustand befindenden Motoren mitberücksichtigt.
Bei Schritt S8 wird der Schiffsgeschwindigkeits-lstwert vIST eingelesen. Der Schiffsgeschwindigkeits-Istwert
kann hierbei von einem Schiffs-Log oder vom GPS bereitgestellt werden. Bei Schritt
S9 wird aus dem Soll- und Istwert der Schiffsgeschwindigkeit eine Schiffsgeschwindigkeits-Abweichung
dv berechnet. Bei Schritt S10 wird geprüft, ob die Schiffsgeschwindigkeits-Abweichung
dv größer einem Grenzwert GW ist. Bei positivem Prüfergebnis wird bei Schritt S11
zusätzlich eine Fehlermeldung an den Schiffsführer ausgegeben und das Programm bei
Schritt S12 fortgesetzt. Die Fehlermeldung kann beispielsweise als akustischer oder
visueller Alarm ausgeführt sein. Bei negativem Prüfergebnis im Schritt S10, wird bei
Schritt S12 aus der Schiffsgeschwindigkeits-Abweichung dv ein erster Fahrhebel-Wert
FS1 bestimmt. Danach wird bei Schritt S13 geprüft, ob der erste Fahrhebel-Wert FS1
innerhalb eines Toleranzbandes, entsprechend dargestellt durch die Grenzwerte GW1
und GW2, liegt. Ist dies nicht der Fall, so wird bei Schritt S14 der erste Fahrhebel-Wert
FS1 auf einen festen Wert limitiert und das Programm bei Schritt S 15 fortgesetzt.
Wird bei Schritt S13 festgestellt, dass der erste Fahrhebel-Wert FS1 innerhalb des
Toleranzbandes liegt, so wird bei Schritt S15 in Abhängigkeit der Stellung FS des
Fahrhebels 1 und des ersten Fahrhebel-Werts FS 1 ein zweiter Fahrhebel-Wert FS2 berechnet.
Danach wird bei Schritt F16 geprüft, ob dieser zweite Fahrhebel-Wert FS2 innerhalb
eines Toleranzbandes, entsprechend dargestellt durch die beiden Grenzwerte GW1 und
GW2, liegt. Ist dies nicht der Fall, so wird bei Schritt S17 dieser zweite Fahrhebel-Wert
auf einen Festwert begrenzt. Bei positivem Prüfergebnis im Schritt S16 wird dann bei
Schritt S18 in Abhängigkeit des zweiten Fahrhebel-Werts FS2 der Sollwert nSW bzw.
PhiSW mittels des Kennfelds 11 berechnet. Danach verzweigt der Programmablauf zum
Punkt A und das Programm beginnt wieder bei Schritt S1.
Bezugszeichenliste
[0016]
- 1
- Fahrhebel
- 2
- Sollwert-Vorgabe
- 3
- Motordrehzahl-Regler
- 4
- Motor
- 5
- Verstellpropeller-Regler
- 6
- Propeller-Verstelleinrichtung
- 7
- Propeller
- 8
- Kennlinie
- 9
- PI-Glied
- 10
- Vergleicher
- 11
- Kennfeld
- 12
- Anzeige
1. Regelsystem für einen Schiffsantrieb mit einem Fahrhebel (1) dessen Stellung (FS)
einen Leistungswunsch repräsentiert, mit einer Sollwert-Vorgabe (2) zur Vorgabe eines
Sollwerts (nSW, PhiSW) in Abhängigkeit der Stellung (FS) des Fahrhebels (1) und mit
einem Drehzahl-Regelkreis (3, 4) zur Drehzahl-Regelung eines Motors (4) anhand des
Sollwerts (nSW), dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Betriebsart (MOD1) der Drehzahl-Regelkreis (3, 4) aktiviert wird,
in einer zweiten Betriebsart (MOD2) zusätzlich ein Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis
(8 bis 11) zur Schiffsgeschwindigkeits-Regelung aktiviert wird, wobei der Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis
(8 bis 11) auf den Drehzahl-Regelkreis (3, 4) einwirkt und der Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis
(8 bis 11) wiederum maßgeblich von der Stellung (FS) des Fahrhebels (1) bestimmt wird.
2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Aktivierung der zweiten Betriebsart (MOD2) geprüft wird, ob ein Schiffsgeschwindigkeits-Istwert
(vIST) einen plausiblen Wert aufweist und bei einem nicht plausiblen Wert der erste
Betriebsmodus (MOD1) aktiviert wird.
3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich geprüft wird, ob der Fahrhebel (1) sich im Vorausfahrbereich befindet.
4. Regelsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis (8 bis 11) Bestandteil der Sollwert-Vorgabe
(2) ist.
5. Regelsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwert-Vorgabe (2) eine Kennlinie (8), ein PI-Glied (9), einen Vergleicher
(10) und ein Kennfeld (11) aufweist.
6. Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kennlinie (8) aus der Stellung (FS) des Fahrhebels (1) ein Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert
(vSW) berechnet wird (vSW=f(FS)), eine Schiffsgeschwindigkeits-Abweichung (dv) aus
dem Schiffsgeschwindigkeits-Sollwert (vSW) und dem Schiffsgeschwindigkeits-lstwert
(vIST) berechnet wird (dv=vSW-vIST) und mittels des PI-Glieds (9) aus der Schiffsgeschwindigkeits-Abweichung
(dv) ein erster Fahrhebel-Wert (FS1) berechnet wird (FS1=f(dv)).
7. Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Schiffsgeschwindigkeits-Sollwerts (vSW) die Anzahl der sich
im Betrieb und eingekuppelten Zustand befindenden Motoren (4) mitberücksichtigt wird.
8. Regelsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiffsgeschwindigkeits-Abweichung (dv) mit einem Grenzwert (GW) verglichen wird
und bei positivem Ergebnis (dv>GW) zusätzlich eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
9. Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob der erste Fahrhebel-Wert (FS1) innerhalb eines Toleranzbandes (GW1,
GW2) liegt und bei einem nicht zulässigen ersten Fahrhebel-Wert (FS1) dieser auf eine
Vorgabewert begrenzt wird.
10. Regelsystem nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Vergleichers (10) aus der Stellung (FS) des Fahrhebels (1) und dem ersten
Fahrhebel-Wert (FS1) ein zweiter Fahrhebel-Wert (FS2) berechnet wird (FS2=f(FS, FS1)).
11. Regelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsart (MOD1) der zweite Fahrhebelwert (FS2) auf den Wert entsprechend
der Stellung (FS) des Fahrhebels (1) gesetzt wird (FS2=FS).
12. Regelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsart (MOD2) der Wert entsprechend der Stellung der (FS) des
Fahrhebels (1) und der erste Fahrhebel-Wert (FS1) miteinander verglichen werden.
13. Regelsystem nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob der zweite Fahrhebel-Wert (FS2) innerhalb eines Toleranzbandes (GW1,
GW2) liegt und bei einem nicht zulässigen zweiten Fahrhebel-Wert (FS2) dieser auf
einen innerhalb des Toleranzbandes liegenden Vorgabewert begrenzt wird.
14. Regelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Kennfelds (11) aus dem zweiten Fahrhebel-Wert (FS2) der Sollwert (nSW,
PhiSW) berechnet wird.
15. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Antriebsanlage mit mehreren Motoren (4) und mehreren Verstellpropellern
(7) der Sollwert (nSW(i), i =1, 2, 3...; PhiSW(j), j = 1, 2, 3...) für alle Motoren
(4) von der Sollwert-Vorgabe (2) vorgegeben wird.
16. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Antriebsanlage mit Verstellpropeller (7) der Sollwert für den Drehzahlregelkreis
(nSW, nSW(i)) und der Sollwert (PhiSW, PhiSW(j)) für einen Verstellpropeller-Regelkreis
(5, 6) in Abhängigkeit der verfügbaren Antriebsleistung (P) von der Sollwert-Vorgabe
(2) berechnet wird.
17. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (MOD1) oder zweite Betriebsart (MOD2) mittels einer im Fahrhebel (1) integrierten
Auswahleinrichtung aktiviert wird.