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Scheepsengineering
Belgische Marine waardeert simulator op
version française
Dat onze multidisciplinaire Belgische ingenieurs knappe staaltjes van technisch
vernuft uit hun mouw kunnen toveren, staat algemeen bekend. Toch is de
opwaardering van de Vosper-simulator met ondermeer FactoryLink 7.0 van USDATA,
er een prima voorbeeld van. Een beknopt verslag van scheepsengineering op zijn
best.
Enige tijd geleden besliste de Belgische Marine om de Vosper Simulator - een
systeem voor het simuleren van het voortstuwingssysteem van haar fregatten – te
moderniseren. Bedoeling was met name de hard- en software van het systeem op te
waarderen, inclusief levering van technische documentatie, tekeningen, training
en het installeren van een recorder voor datalogging.
Werkingsprincipe
Om het project in te schatten, allereerst een woordje toelichting over het
werkingsprincipe van het voortstuwingsysteem van een fregat. Deze gebeurt door
twee schroeven met verstelbare “pitch”, die of elk individueel kunnen
aangedreven worden door een dieselmotor, of beide samen door één gasturbine. De
motoren zijn aan de schroefassen gekoppeld via reductiekasten met vaste
overbrengingsverhouding en koppelingen. Al deze componenten worden aangestuurd
door de ECU (Electronic Control Unit) van de firma Vorper Thornycraft Ltd. De
bediening gebeurt via een controle- en instrumentatiepaneel in het CCS (Central
Control Station) van de machinekamer of van op de brug of via een noodbediening
in het CIC (Combat Information Centre). De simulator te Zeebrugge bestaat uit
drie grote delen. De MCC (Machinery Control Console) is een verzameling van de
drie controle- en instrumentatiepanelen in één paneel, waarin ook de volledige
ECU ondergebracht. De MSMR (Machinery Space Mounting Rack) op zijn beurt is een
verzameling van machineonderdelen die zich normaal op verschillende locaties op
het fregat bevinden (bijv. pneumatische controle unit van de
wrijvingskoppelingen, tacho’s voorterugkoppeling van de as- en motorsnelheden
naar de ECU, ..). Tenslotte is er het computersysteem dat via mathematische
modellen zorgt voor de simulatie van het dynamisch gedrag van de
voortstuwingsmachines. Via dit computersysteem kunnen tevens fouten geïnjecteerd
worden door ofwel onderbreking (m.b.v. een relais) van een stuursignaal, ofwel
door een machinefout te simuleren via het mathematisch model. De computer
simuleert het dynamisch gedrag van de propulsiemachines, wat resulteert in
outputsignalen(statusmeldingen, as- en motorsnelheden, schroefstand,
scheepssnelheid, …). Deze worden teruggekoppeld naar de ECU, waar de
stuurelektronica zorgt voor de gepaste reactie (statusled’s op het
instrumentatiepaneel, bijstelling van stuursignalen, …). Het doel van de
simulator is enerzijds om opleiding te geven over de bediening en de werking van
het voortstuwingssysteem, maar anderzijds ook over het onderhoud en de
storingsanalyse. Daarnaast laat de opstelling ook toe om (herstelde)
elektronische modules van de ECU te testen.
Exit Digital PDP
De opgave bestond uit het vervangen van het computersysteem. Aan de MCC en
MSMR, inclusief verbindingskabels met het computersysteem, mocht niets gewijzigd
worden. Het doel van de nieuwe Dynamic Data Recorder (DDR) bestaat er in een
aantal controlemetingen op de elektronische modules van de ECU gelijktijdig uit
te voeren, en deze gegevens op te slaan in een bestand voor latere analyse met
Excel. De DDR diende een draagbare opstelling zijn, zodat hij bruikbaar is op
elk van de drie Belgische fregatten. De bestaande computer (Digital PDP) werd
vervangen door een PLC en een PC met SCADA-software. Als PLC werd geopteerd voor
een toestel uit de Simatic S7-400 reeks van Siemens. Dit omwille van de grote
vereiste rekencapaciteit en snelle bewerking van data. De standaard digitale en
analoge in- en uitgangsmodules van de PLC zorgen voor een eenvoudige koppeling
met de bestaande hardware. Als SCADA-software werd FactoryLink 7.0 van USDATA
gebruikt, met een snelle Ethernetverbinding voor de communicatie tussen PC en
PLC. Voor de data recorder viel, omwille van de uniformiteit inzake onderhoud en
opleiding, de keuze op Simatic interface modules (standaard digitale en analoge
ingangsmodules) die via een snelle Profibus-koppeling verbonden werden met een
draagbare PC. Op deze PC draait een PLC emulatie programma (WinAC van Siemens)
en een op maat ontwikkelde Visual Basic applicatie, die via OPC (OLE for Proces
Control) de gemeten waarden ophaalt, op het scherm visualiseert en wegschrijft
in een logfile. Om de data in Excel te kunnen verwerken, wordt de logfile
weggeschreven in CSV. Deze aanpak heeft verschillende voordelen. Zoals blijkt
uit voorgaande beschrijving, kon gewerkt worden met standaard componenten, die
zowel voor industriële als maritieme doeleinden gecertificeerd zijn. Het concept
van zowel datarecorder als simulator is modulair. Dit betekent dat uitbreidingen
of aanpassingen in de toekomst veel eenvoudiger (en kostprijsefficiënter) kunnen
doorgevoerd worden. Vergeleken met vroeger, is de gebruikersinterface (GUI) veel
gebruiksvriendelijker. En, last but not least: de draagbare PC kan dubbel
gebruikt worden: voor data-opslag van de scheepsdata én als tool voor
programmatie, configuratie, diagnose en onderhoud van de PLC.
Mathematisch model
Het mathematisch model, dat het dynamisch gedrag van de
voortstuwingsmachines simuleert, is eveneens modulair opgebouwd. Elke module
simuleert het dynamische gedrag van één bepaald onderdeel (gasturbine, diesel,
koppelingen,scheepsromp, schroef, …). De data worden tussen de modules
uitgewisseld via datablokken, waarin elke module haar rekenresultaten aflegt, en
die door de andere modules geraadpleegd kunnen worden. De waarden van de
uitgangen, voor communicatie met de commandoconsole (ECU), worden tevens uit
deze datablokken opgevraagd. De bestaande simulatiecomputer was geprogrammeerd
in Fortran en Assembler. De mathematische modellen werden geherprogrammeerd in
SCL - een Pascal-achtige hogere programmeertaal voor de Simatic S7 PLC’s). De
voorkeur voor SCL heeft te maken met de eis dat de programma’s in een ‘klaar’
leesbare programmeertaal moesten geschreven worden. De keuze om de mathematische
modellen in de PLC i.p.v. in de PC te programmeren werd gemaakt omwille van de
snelle berekeningscyclus die nodig was voor de integratie van assnelheden en
scheepssnelheid. Het SCADA-systeem werd eveneens modulair opgebouwd, waarbij de
instructeur kan inzoomen vanaf het overzicht van het voortstuwingssysteem, via
een beeld dat het blokschema van één bepaalde module weergeeft, naar een window
waarin details van de berekening getoond worden (formules, constanten,
tussenresultaten). Via deze laatste windows kunnen de constanten welke in de
berekening gebruikt worden ook aangepast worden, zodat het model kan ‘getuned’
worden zonder dat de PLC programma’s moeten gehercompileerd worden. De logging
van de verschillende sets van constanten op SQL-database werd eveneens voorzien.
Een andere (standaard) functie van het SCADA systeem is de trendanalyse, waarbij
alle in- en uitgangskanalen op een trendpagina kunnen weergegeven worden. En dit
zowel on-line als voor historische data. <<
Ingénierie navale
La marine belge revalorise un simulateur
Les prouesses réalisées par nos ingénieurs belges multidisciplinaires ne
surprendront plus personne. Pourtant, la revalorisation du simulateur Vosper
avec notamment FactoryLink 7.0 de USDATA, constitue un autre superbe exemple.
Petit résumé de l’ingénierie navale dans toute sa splendeur.
Il y a quelque temps, la marine belge décida de moderniser le simulateur Vosper,
un système destiné à la simulation de la propulsion de ses frégates. L’objectif
était plus précisément de revaloriser le matériel et le logiciel du système et
de fournir la documentation technique, les schémas, la formation et
l’installation d’un enregistreur pour l’acquisition chronologique des données.
Principe de fonctionnement
Afin d’évaluer le projet, nous vous donnons d’abord une petite explication
sur le principe de fonctionnement du système de propulsion d’une frégate. La
propulsion est assurée par deux hélices dotées d’un ‘tangage’ réglable, pouvant
être chacune entraînée individuellement par un moteur diesel ou toutes les deux
ensemble par une seule turbine à gaz. Les moteurs sont reliés aux arbres
d’hélice via des réducteurs à rapport de transmission fixe et des accouplements.
Tous ces composants sont pilotés par l’ECU (Electronic Control Unit) de la
société Vorper Thornycraft Ltd. La commande passe par un pupitre de contrôle et
d’instrumentation placé dans la CCS (Central Control Station) de la chambre des
machines ou sur le pont ou via une commande d’urgence présente dans le CIC
(Combat Information Centre). Le simulateur de Zeebruges se compose de trois
grandes pièces. La MCC (Machinery Control Console) est un ensemble des trois
pupitres de contrôle et d’instrumentation rassemblés en un seul pupitre, dans
lequel est également hébergé l’ECU complète. Le MSMR (Machinery Space Mounting
Rack) est, quant à lui, un ensemble de pièces de machine réparties normalement à
différents endroits de la frégate (par exemple l’unité de contrôle pneumatique
des accouplements de friction, les tachymètres pour le retour d’informations des
vitesses d’arbre et de moteur à l’ECU…). Finalement, il y a le système
informatique qui assure, via des modèles mathématiques, la simulation du
comportement dynamique des machines de propulsion. Ce système informatique
permet aussi d’injecter des pannes, soit en interrompant (au moyen d’un relais)
un signal de commande, soit en simulant un défaut de machine via le modèle
mathématique. L’ordinateur simule le comportement dynamique des machines de
propulsion, ce qui se traduit par des signaux de sortie (notification d’état,
vitesses d’arbre et de moteur, état de l’hélice, vitesse du bateau …). Ceux-ci
sont renvoyés à l’ECU, où l’électronique de commande assure la réaction adéquate
(LED d’état sur le pupitre d’instrumentation, ajustage des signaux de
commande…). Le simulateur doit permettre d’assurer une formation, d’une part sur
la commande et le fonctionnement du système de propulsion et, d’autre part, sur
l’entretien et l’analyse des pannes. La disposition permet par ailleurs de
tester les modules électroniques (réparés) de l’ECU.
Exit le Digital PDP
La mission consistait à remplacer le système informatique. Rien ne pouvait
être modifié à la MCC et au MSMR, même pas les câbles de connexion au système
informatique. L’objectif du nouveau Dynamic Data Recorder (DDR) consiste à
effectuer simultanément plusieurs mesures de contrôle sur les modules
électroniques de l’ECU et à stocker ces données dans un fichier pour une analyse
ultérieure avec Excel. Le DDR devait être portable afin de pouvoir être utilisé
sur chacune des trois frégates belges. L’ordinateur existant (Digital PDP) a été
remplacé par un PLC et un PC chargé d’un logiciel SCADA. Comme PLC, le choix
s’est porté sur un appareil de la série Simatic S7-400 de Siemens, en raison de
la grande capacité de calcul et de la rapidité de traitement des données
requises. Les modules d’entrées et de sorties numériques et analogiques standard
du PLC assurent une connexion simple avec le matériel existant. Le logiciel
SCADA utilisé est FactoryLink 7.0 de USDATA avec une connexion Ethernet rapide
pour la communication entre le PC et le PLC. Pour l’enregistreur de données, le
choix fut donné, en raison de l’uniformité en matière de maintenance et de
formation, aux modules d’interface Simatic (modules d’entrées numériques et
analogiques standard) reliés via une connexion Profibus rapide à un PC portable.
Sur ce PC tourne un programme d’émulation PLC (WinAC de Siemens) et une
application développée sur mesure en Visual Basic qui retire via OPC (OLE for
Process Control) les valeurs mesurées, les visualise et les enregistre dans un
fichier journal. Afin de pouvoir traiter les données en Excel, ce fichier
journal est enregistré en format CSV. Cette approche offre différents avantages.
Comme le montre la description précédente, on pouvait travailler avec des
composants standard qui étaient certifiés tant à des fins industrielles que
maritimes. Tant le concept d’enregistreur de données que celui de simulateur est
modulaire. Cela signifie une simplification (et une plus grande efficacité en
termes de prix) des futures extensions ou adaptations. L’interface utilisateur
(GUI) est nettement plus conviviale que la solution précédente. Et finalement,
le PC portable peut être doublement utilisé: pour le stockage des données
marines et comme outil de programmation, configuration, diagnostic et
maintenance du PLC.
Modèle mathématique
Le modèle mathématique, qui simule le comportement dynamique des machines de
propulsion, présente une construction modulaire. Chaque module simule le
comportement dynamique d’un composant précis (turbine à gaz, moteur diesel,
accouplements, coque, hélices…). Les données sont échangées entre les modules
via des blocs de données, dans lesquels chaque module dépose ses résultats de
calcul. Ces blocs de données peuvent être consultés par les autres modules. Les
valeurs des sorties, nécessaires à la communication avec la console de commande
(ECU), sont également retirées de ces blocs de données. L’ordinateur de
simulation existant était programmé en Fortran et Assembler. Les modèles
mathématiques ont été reprogrammés en SCL (un langage de programmation supérieur
de type Pascal pour les PLC Simatic S7). La préférence pour le SCL est liée au
fait que les programmes devaient être écrits dans un langage de programmation
lisible et ‘clair’. Le choix de programmer les modèles mathématiques dans le PLC
plutôt que dans le PC résulte de la nécessité d’un temps de calcul rapide pour
intégrer les vitesses d’arbre et du bateau. Le système SCADA présente lui aussi
une structure modulaire. L’instructeur peut zoomer à partir de l’aperçu du
système de propulsion, via une image qui visualise le schéma de bloc d’un
certain module, vers une fenêtre dans laquelle sont affichés les détails du
calcul (formules, constantes, résultats intermédiaires). Via cette dernière
fenêtre, les constantes utilisées dans le calcul peuvent également être
adaptées, de sorte que le modèle peut être ‘finement adapté’ sans devoir
recompiler les programmes PLC. La journalisation des différents sets de
constantes dans la base de données SQL a également été prévue. L’analyse des
tendances est une autre fonction (standard) du système SCADA. Tous les canaux
d’entrée et de sortie peuvent ainsi être représentés sur une page de tendances,
ceci tant en ligne qu’avec les données historiques.<<
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