Die anwendung von selbststeuerverfahren auf binnenschiffen als regelement zur optimierung der fahrweise

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ARCHIEF

Die Anwendung von Selbststeuerverfahren auf

Binnenschiffen als Regelelement zur Optimierung

der Fahrweisel

Lab.

_v.

Scheepsbouwkun6t-Technische Hogeschoof

Delft

Dr.-Ing. E. Edible und cant Ing. W. Glywotz

1. Elnleltung

Vom See- und Luftverkehr her sind Selbst-steuergerate allgemein bekannt. Sie sollen eine vollautomatische, geradlinige Portbe-wegung des Fahrzeugs nach vorgegebenem Kurs enniiglichen. In der Nautik auf der Erdoberflache bezieht man sich dabei stets auf die dradeinteilung der Windrose. Vor-aussetzung dafiir ist, daB der Pahrbereich, innerhalb dessen der Kurs gehalten werden

soil, frei

von jedwedefi Hindernissen

bleibt.

Wenn emnsolches Selbststeuergerat, vor

al-lem auf hoher See, mehrere Stunden

(Wachperiode) einwancifrei funktioniert,

bedeutet das eine nennenswerte

Einsparung von Kraftstoff

so-wie eine physische und psychi

sche

EntlastungdesnautischenPer-sonals. Beispielsweise ist in der Luftfahrt em n Verkehr ohne Autopilot" schon nicht mehr denkbar.

Seit geraumer Zeit werden Oberlegungen angestellt, auf welche Weise Schiffsfiihrer, vor allem die der groBen Binnen-Trans-porteinheiten, auch durch Selbststeueran-lagen entla.stet werden konnen, nachdem von meclizinischen Sachverstandigen nach-gewiesen wurde, daB kein Fahrzeugfiihrer, gleich welcher Fahrzeugart, in einem solch hohen MaBe belastet ist, wie beispielsweise der Schiffsfiihrer eines Schubverbands, der Wasserverdrangungen bis zu 18 000 m3 auf-weisen kann.

Nun sind aber die Fahrtbedingungen im Binnenland v011ig anders als auf See oder in

der Luft. Vor allem ist die Fahrwasserbrei-te vergleichsweise extrem schmal. Man kann keine geraden Kurse fahren, wech-selnde Querkrafte, resultierend aus Stro-mungs- und Windeinfliissen, konnen nicht vorausberechnet werden. Dariiberhinaus

verlauft die Fahrrinne nicht aquidistant

zum FluBufer. Das sind Bedingungen, die eine Obernahme des spezifischen Selbst-steuerprinzips aus der See- und Luftfahrt ausschlieBen.

Da das Binnenschiff im Grunde genommen standig auf gekranunter Balm fahrt, ist in

absehbarer Zeit em n vollautomatischer

Fahrbetrieb mit vertretbaren Mitteln nicht erreichbar. Ein Enti.vicklungskonzept in dieser Richtung scheidet vorerst also aus. Wie Vorversuche bewiesen, 15.13t sich dage-gen em n halbautomatischer nautischer Be-*)Die Ergebnisse konnten nur gekiirzt

abge-druckt werden. Der Originalbericht (Nr. 1117) kann gegen Erstattung der Selbstkosten zuziig-lich Porto von der Versuchsanstalt für

Binnen-schiffbau e. V., Klocknerstr. 77, 4100 Duis-burg 1, bezogen werden.

227. Mitteilung der Versuchsanstalt fiir Binrienschiffbau e. V., Duisburg

Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule, Aachen

Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen e. V., ICOln

trieb realisieren, wenn man als Regelsignal die WinkelgeschwindigIceit 11) verwendet. Diese Bezugskornponente ist in Form von

kreiselgesteuerten Anzeigeinstrumenten

auf 13innenschiffen fiir die Radarfahrt ein-gefiihrt. Dieser sogenannte Wendezeiger wird bei Radarfahrt dann wichtigstes Beur-teilungselement, wenn die Eigenbewegun-gen des Schiffes optisch direkt nicht mehr erkennbar sind. Dann wird das Schiff nur noch nach dem Kursstrahl auf dem Radar-bild und dem angezeigten V-Betrag gesteu-ert. Die Steuerung selbst erfolgt jedoch durch unmittelbare Betatigung des Schiffs-ruders. Da hierffir Eignung, Qualitat und

Ausbildung, Erfahrung, Routine und

Streckenkenntnis die wesentlichste Rolle spielen, ist leicht nachzuweisen, dal3 es gro-Be Unterschiede in der Fahrweise gibt, die nicht nur einen wesentlichen EinfluB auf den Leistungsbedarf und die Verkehrssi-cherheit haben, sondem auch den Repara-turanfall entscheidend beeinflussen.

2. Steuergerate

Sollen Schiffe den Kurs nach vorangegan-gener Definition und Betriebsweise auto-matisch verfolgen, ist das Zusammenwir-ken von den Geraten zur Kurseingabe, der Eingabeverarbeitung und der motorischen

fluderbewegung Voraussetzung. Diese

Gerate miissen hochprazise ausgefiihrt sein sowie stets einwandfrei funlctionieren. 2.1 Rudermaschine

Nur auf kleinen Schiffen wird das Ruder noch von Hand" betatigt. In den letzten

Jahrzehnten ist man von der

Dampfru-dennaschine bei Seeschiffen und groBen

tinnenschleppern (etwa bis 1940 bzw.

1960) ausgehend zu groBtenteils mit

hy-draulischem Druck arbeitenden Ruderrna-schinen iibergegangen, aber auch

E-An-triebe besonders für kleine Schiffe sind

fiblich und eignen sich fur die hier beschrie-benen Regelvorgange besonders gut, sind aber storanfalliger. Hydraulischer Druck und Olmenge bzw. Spannung und Strom liefem die Verstellkrafte.

Da die Ruderverstellwinkel bei geregelter Kursfahrt jedoch sehr klein sein miissen, werden hOchste Anforderungen an die me-chanischen oder elektrischen Verstelhne-chanismen der Krafterzeuger, also der Kol-ben oder E-Motore, gestellt. Sind these Grundsatze nicht gewahrleistet, effeicht man fiir die geregelte Kursfahrt nicht die erforderliche Feinfilliligkeit. Es kann sogar in das Gegenteil umschlagen und zu Kurs-unsicherheiten und erhohtem Energiebe-darf far den Vortrieb fuhren.

2.2 Kreiselgerat

Basis fur die Kursregelung des Schiffes ist em n Gerat, das imstande ist, die Drehbewe-gung um die Vertikalachse sinngemaB und prazise zu erfassen. Da die physikalische und daraus ableitbare mechanische Wir-kung eines Kreisels seit langer Zeit bekannt ist und es nach vielen Mil3erfolgen Her-mann Anschutz-Kampfe bereits 1905 ge-lang, den Kreisel statt MagnetkompaB zur Navigation auf den Weltmeeren unter er-schwerenden Seegangsbedingungen einzu-setzen, war es fast selbstverstandlich, einen Kreisel auch als Basis fur diese neue Aufga-be zu verwenden. Dafiir mu13 der

Kreisel-korper gewohnlich der Laufer eines

Dreh- oder Gleichstrommotors zunaChst

kraftefrei gelagert, aber das Lagergehause im Schiff so angeordnet mid eingespannt werden, daB

die Rotationsachse stets horizontal

liegt,

das bei Schiffsdrehung um die Hochach-se aufgrund der KreiHochach-selkrafte entstehende

Kippmoment abgefangen mid mittels

Linearfeder in krafteabhangigem Weg ver-wandelt wird.

Die durch die Feder begrenzte Wegstrecke wird in em n elektrisches Signal umgewan-delt, wobei danach eine lineare Abliangig-keit zur zeitlichen Rotation A Winkelbe-wegung des Schiffes zu erkennen ist.

Bezeiclinung: A _3.

Siehe hierzu auch Bild 1.

Kreiselgerate werden von vielen Firmen gefertigt. Ms unabdingbare Basis fur Kurs-steuerungen kommen nur

Praszisionskrei-sel hochSter Giiteklassen in Betracht, die/

bereits bei Winlcelgeschwindigkeiten von 1 °/min zuverlassig ansprechen, d. h. schon bei 0,1 °/min muB die Veranderung des elektrischen Signals auf einem angesehlos-senen Kathodenstrahl-Oszillografen er-kennbar sein.

2.3 Fahrstand

Wie in der Einleitung aufgefiihrt, ist der vorzugebende Kurs auf Binnenwasserstra-Ben keine Angabe in Winkelgraden

bezo-gen auf 3600 Gradnetz der Erde, dem das

Schiff langere Zeit zu folgen hat , sondem eine Winkelgeschwindigkeitsvorgabe zwi-schen 0z;_s- Geradeausfahrt und dem in der Praxis aus Fahrgeschwindigkeit und bahnradius sich ergebenden Grenzwert, z. B. 25 °/min.

Im Fahrstand des Schiffes bei

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Bild 1

Wird em horizontal gelagerter Kreisel K um die Vertikalaufhan- ring V geschwenkt, kippt seine Rotationsachse A um den Mittelpunkt M. Je nach Schwenkrichtung weicht sie nach oben oder unten ans. Die am Achslager entstehende Kraft F wird clinch zwei gehiinsefeste Federn kom-pensiert. Da sich die Hobe der Kraft linear zur Schwenkgeschwindigkeit verhiilt, entspricht these anch dem Federweg. Der Federweg viird unmittelbar auf den Schleifer eines Potentiome-ters fibertragen und so in lineare Widerstandsanderung umgesetzt. Damit wird es moglich, em elektrisches Regelsignal zu erzeugen, das in den Betrag tp[°/inin] geeicht werden

Bild 2

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b

Kreiselwirkung

1 Kardanische Aufhangung des Kreiselkorpers K 2 Rfickholfedern

3 Potentiometer

.05

im Ruder- oder Steuerhaus muB sich also

em Gerat befinden, mit dem em beliebiger Vorgabewert i, eingestellt werden kann. Aufgabe der Automatik" ist es, dafiir zu sorgen, dal3 das Schiff in seiner prehung urn die Hochachse diesem VorgabeWert folgt.

In welcher Weise und nach welchen Krite-hen these Aufgabe erfiillt wird, war Inhalt des experiementellen Teils dieser Untersu-chungen. Wie sich dies auch auf die

sinn-volle Erganzung der Fahrstande

I

also den

Arbeitsplatz des Nautikers ausvvirkt und

wie die Betitigungselemente beschaffen

und angeordnet sein sollten-, ist

Nebel-produkt in Erscheinung getreten. Dies wird irn Anhang des Berichtes behandelt.

3. Experlmente

Der von' Anfang einer solchen Gerateent-wicklung bestehende Kontakt zuni Herstel-ler ermoglichte die Installation eines inzvd-schen nach Industrienormen gefertigten Kreiselgerats der beschtiebenen lArt, wo-bei zur Sicherung des notwendigen Genau-igkeitsgrades Und Ziff feiziigigen Anpas-sung der Wirlckomponenten an die veran-derlichen Pararnter des Schiffes (Ifiefgang, Propellerdrehzahl, Ruderlegezeit) ent Mit diesen Komponenten prograrnmietbarer ReChner und em n ansprechender 4Tiller" der Hebel zur Vorgabe des V-Wertes, also

mit Gradskala VerSehen dazu gehorten.

Die Gesamtanlage wurde aut dein eigenen Forwhungsschiff Fritz -Horn" 'eingebaut und an die Vothandene elektrische Ruder-thaschine angeSchlossen ber tincierschaft bekam einen zusatzlichen Winiclellagenge, ber, ebenfalls in Prazisionsaudiihrung.

Die Systeinfunktion 1st Bud 2

zu

ent-nelunen. 3.1 MeStechnik

Zwecks genauer Registrierung der

Steuer-vorgange im Schiff wurde dieAOage in

Ei-genregie erganzt und darfiber hinaus durch einen weiteren Ruderantriebsmotor elektronischer Drehzahlregelung ermiig-licht, die Ruderlegegeschwindigkeit zvh-Schen 0 und 20/s Sinnvoll einzustellen. Wie sich spater zeigte, ist dies fiir die zeitliche Reduzierung der Regeleingriffe von be-trachtlicher Bedeutung.

Afle Bewegungskomponenten wurden mit-tels Papierschreiber analog registriert und sind durch markante Ausziige in den Anla-gen zu finden,

3.2 Megobjekte Solche waren

das schon genannte eigene Forschungs-boot Lyn, = 18,5 m BAQ = 3,5 m T = 0,96 m v = 27,2 rie em n rnoclernes GroBmotorschiff L = 108,5 m 13 = 11,4 m T = 3,2 in v = 3280 in' em Leichterverband L = 153 m B = 22,4 m T = 3,5 m v -= 11 628 m3

angetrieben von einem

3-Schrauben-Schubboot; L = 35,0 m.

Auch die Schiffseinheiten b) und c) hatten

1 Kreisel 6 Signalgeber fiir Rudersteuerung

2 Bediengeriit mit 4)-Anzeigeinstrnment 7 Soll-Istwert-Vergleichsregler

3 Soilwertgeber - 8 Istwert-Riickmelder

4 Recliner mit Eingabe der Schiffskonstanten 9 Ilandsteuerhebel

5 Funktionsumschalter Hand-Weg-Automatik

o

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5. Zusammenfassung

Ahnlich wie im Seeverkehr konnen ICrei-selsteuergerate auch zur Navigation von

Binnenschiffen eingesetzt werden. Dabei Bild 5

muB lediglich der Kreisel selbst anders auf-gehangt werden und zwar so, daB im Zu-sammenhang mit den physikalischen Ge-setzmaBigkeiten es ermog,licht wird, Win-kelgeschwindigkeiten zu messen. Dies ist Bedingung, weil BinnenwasserstraBen se-ten gerade verlaufen, sondem sich meist Kriimmung an Krummung reiht. Solange z. B. Radarsignale von Uferlinien oder von Fahrwasserbetonnungen nicht automatisch an der Kursregelung mitwirken !airmen, muB die bei der Fahrt zu erwartende, abzu-schatzende Winkelgeschwindigkeit manu-ell vorgegeben und an die automatische

Steuemg des Schiffes weitergeleitet

werden.

Es 1st also eine halbantomatische System-steuerung mit vollautomatischer, sinnvol-ler Betiitigang des !basinnvol-lers.

Untersucht wurden beeinflussende GrOBen und Randbedingungen auf 3 Schiffen sehr unterschiedlicher Verdrangung:

eigenes Forschungsboot: v = 27,2 m3 GroBmotorschiff: v = 3280 nf Schubverband: v = 11 628 m3

Dabei wurde die erste industriell entwik-kelte und gefertigte Kreiselsteueranlage verwendet. Die markanten MeBergebnisse sind zeichnerisch dargestellt und

interpre-tiert worden; Probleme wurden

be-schrieben.

Die inzwischen in mehreren Ausffihrungs-varianten anderer Firmen auf dem Markt befindlichen Gerate erfullen bei BerUck-sichtigung der beschriebenen Einbau- und Randbedingungen wohl ebenfalls die Vor-stellungen der Praxis.

Dabei ist die Anordnung der Bedienele-mente von Bedeutung, wobei es sinnvoll 1st, Ruderhandsteuerung und Automatik-steuerung mit em und demselben Hebel ausfiihren zu konnen. Em elektronischer Umschalter ist im Greifbereich I (rechts) des Einmann-Fahrstandes fur Motorschif-fe" daffir vorzusehen.

-Literaturangaben [11 Fa. Anschiitz, Kiel

Beschreibung iiber die FluB-Selbststeueranlage

Rivermat"

Apparatebau Gauting GmbH, Gauting Beschreibung iiber den FluBpiloten ST 4000 P Mireau, J.-W.

Em neues Adaptionsverfahren für Kursregler

Schiffstechnik, Bd. 30 1983

Hoffmann, E.

Schonende Ruderbetatigung durch Proportio-nalsteuerung Binnenschiffahrts-Nachrichten, Nr. 23/1982

Gronmotorschiff

Zweiflachen-Ruderanlage

"Automatik" i m Wellengang

np =392

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Hand zu nehmen und die Betatigung des der Fachhandel inzwischen anbietet. Der gleichzeitig Energiekosten einzusparen,

al-Ruders einem Automaten zu iiberlassen, verwendete Geratetyp zeigte dariiber hin- lein schon durch die Vielseitigkeit der

An-erfullen alle diesbeziiglichen Gerate, die

aus Eigenschaften, die auch dem Ziel,

passung an die Veranderlichen des Schiffes

selbst , die n e n .

Diese schon zur Beschaffenheit iiberleiten-den Voraussetzungen milssen erganzt wer-den durch einen zweckdienlichen Aufbau

der zu bedienenden Schalterelemente.

Bild 4

FS "FRITZ HORN"

Automatische Kursfahrt

Rudertyp: NACA 0012

np =400 m1n-1

Diese sollten zu solchen Baugruppen

besser sogar zu Einbaugruppen

zusam-mengefaBt werden, die sich im Ruderhaus in das Instrumentarium des Einmannfahr-stands" einfiigen und im Bereich der Ru-deranlage zuverlassig die

Beschleunigungs-werte der Vibrationen bis zu 10 g

ver-tragen. Diesbeziigliche robuste Ausfiih-rung und gute Montagemoglichkeiten sind vorzusehen. Fahrhebel (V-Vorgabe) sowie der Soll-Ist-Wertvergleich miissen vom Auge des Schiffsfiihrers zu jeder Zeit und Helligkeit der Umgebung erkannt und be-wertet werden konnen.

Die Bedienung, vor allem aber die Betati-gung des fiir die Praxis zum Steuerhebel" umfunktionierten Stellglieds zur Vorgabe des V-Wertes, muB moglich sein, ohne daB der Schiffsfiihrer seine Sitzstellung andert. Die Wirkung der automatisch arbeitenden Kreiselsteueranlage wurde erlautert mid

mittels einiger Originalschriebe

darge-stellt. Schon die dazu notwendigen Vorbe-reitungen und 'die Vorversuche lieBen er-kennen, claB die erwiinschte Wirkung nur erreicht werden kann, wenn Schiff, Ruder-anlage mid Steuerautomatik feinfiihlig auf-einander abgestimmt sind.

Nicht nur maschinen- und elektronische Einrichtungen sind anzupassen, sondern EinfluB nehmen auch Schiffsform, Ruder-art und das daraus resultierende Kursste-tigkeitsverhalten. Je nach dem Verhaltnis von Wellenlange zu Schiffslange wirlct das sog. Seegangsverhalten ebenso mit wie das Wassertiefen-Tiefgangsverhaltnis und die

Stromung. Bei Installation der

Kreisel-steueranlage miissen die wesentlichsten Bewegungsmerlcmale bekannt sein, ggf. vorher korrigiert werden. Die Regelelek-tronik im Gerat selbst muB Stellglieder be-sitzen, mit denen die Schiffskonstanten fest eingeregelt werden kOnnen, so daB der SchiffsfUhrer am Fahrstand nur den aktuel-len Tiefgang, den Ruderbegrenzungswin-kel und ggf. auch die Ruderlegezeit einzu-stellen braucht.

Bemerkungen

Wahrend der Bearbeitung dieses Versuchs-vorhabens wurden automatisch arbeitende

Kreiselsteueranlagen auch auf anderen

Schiffen besichtigt und getestet. Dabei fiel neben den beschriebenen Merkmalen be-sonders auf, daB einige markante Voraus-setzungen fur Einsatz und Nutzung der Au-tomatik nicht erffillt waren. Dazu gehOrten die fehlende Feinregelung der Ruder-maschine ;

die mangelhafte Befestigung des Krei-sels ;

die nicht mogliche Anpassung der Si-gnalregelung an die hydrodynamischen Be-dingungen des Schiffes;

die fehlende Schulung des Schiffsfiih-rers.

Werden solche Mange! nicht behoben,

konnen sogar gegenteilige Wirkungen ein-treten, was zu hOherem VerschleiB und Energieverbrauch ....,..:r -...--1--,

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(5)

die gleiche Kreiselsteueranlage installiert. Die Mehrflachenruder wurden mit hydrau-lischem Druck betrieben.

3.3 MeBergebnisse 3.3.1 Forschungsschiff

Das Forschungsschiff ermOglichte mehrere

Varianten, insbesondere den Vergleich

zwischen

Handsteuerung und Automatik Automatik-Steuerung bei verschiede-nen Drehzahlen;

Automatik-Steuerung unter starkem

WelleneinfluB;

Automatik Steuerung mit verschiede-nen Ruderprofilen im Glattwasser und bei Seegang (Ijsselmeer).

Aus der Fiille der Ergebnisse konnen hier leider nur 2 im Vergleich gezeigt werden. Die Wirkungen sind auf den Schrieben deutlich zu erkennen; Bild 3 und 4. Die Bezeichnungen bedeuten: 8 = Ruderwinkel

= Kurswinkel

= Winkelgeschwindigkeit

(Komponenten mit anderen Bezeichnun-gen werden hier nicht verwendet.) Die Besonderheiten sind jeweils auf den Anlagen angegeben und kurz beschrieben. 3.3.2 GroBmotorschiff

Die Messungen auf dem GroBmotorschiff erfolgten auf speziellen MeBstrecken im

hollandischen

Diep und

ermoglichten

Streckenfahrten mit unterschiedlichen Pro-pellerdrehzahlen. Die hydraulisch betrie-bene Ruderanlage und die Ruder bleiben natiIrlich konstant. Es konnten wiederum registriert werden

der Ubergang von Hand- zur

Auto-matik-Steuerung ;

Die Automatik-Steuerung bei verschie-denen Propellerdrehzahlen;

die Automatik-Steuerung im Wellen-gang.

Die Ergebnisse zeigen die Bilder 5 und 6, wobei die einzelnen Komponenten wieder-urn die vorn genannten Bezeichnungen tragen.

3.3.3 Schubverband

Ein zweigliedriger Zwillingsverband konn-te sowohl im boll. Diep wie auch bei Tal-fahrt auf dem Rhein von Koblenz bis Duis-burg untersucht werden. Auch hier gelang es, Unterschiede zu verdeutlichen.

zwischen Hand- und Automatik-Steue-rung ;

bei gestreckter Kursfahrt;

bei relativ hoher Geschwindigkeit und

wechselnden Propellerdrehzahlen in

Kriimmungen des Rheins.

Die Ergebnisse zeigen eine erheblich ver-besserte Kursstetigkeit auch in den Krum-mungen.

4. Bewertungen

Bei bewuBter Ausklammerung der inneren Geratetechnik und Elektronik gibt es fur den Anwender eine Reihe von Kriterien, die Auskunft iiber Sinn und QuaEtat von halbautomatisch arbeitenden Steueranla-gen fur Binnenschiffe geben. Sie lassen sich

aufteilen nach Zweck, Beschaffenheit,

Wirkung und praktische Anwendung. Aus Kostengriinden war es der VBD nur mOglich, den ersten auf dem Markt befind-lichen und industriell gefertigten Gerntetyp zu pnifen und bei diesem Typ zu bleiben,

d. h. auch die Schiffe neben dem eigenen

Forschungsschiff das GroBmotorschiff

und das Schubboot mit gleichen Anlagen

auszuwanlen.

Inzwischen gibt es 4 weitere Hersteller von

Kreiselsteueranlagen, die zwangslanfig die g,leichen Grundfunktionen erffillen, nur duBerlich etwas anders aufgebaut sind. Dem Zweck, die unmittelbare Kurssteue-rung des Schiffes dem Schiffsfuhrer aus der