Improved Monitoring and Control of a Marine Propulsion Test Setup Through PLC and HMI Integration

Abstract

Through legislation the marine industry is moving towards more climate friendly solutions through electrification and hybridization of vessels and harbor operations. Batteries, frequency converters and shaft generators are installed in vessels to enable the operations with combustion engines or through fully electrical means. This increases the need for test setups at companies to be able to do research and development on the manufactured products, for example frequency converters.

At Danfoss Drives Vaasa there exists a test setup that simulates a marine propulsion system. The problem with this setup was that it was difficult to control and monitor from one place. The setup was controlled from panels, different buttons and switches that were not properly marked. Additionally, the setup consists of both Danfoss iC7 drives and Vacon NXP drives, which also had different methods of controlling and monitoring the testing.

The goal of this thesis is to develop a PLC program that is controlled and monitored through an HMI. This thesis aims to speed up the testing process and make the use of the setup easier.

This thesis results in a Beckhoff PLC that has been programmed to control all the variable frequency drives in the setup. From the TwinCAT HMI the variable frequency drives are controlled and their states are visible. Process data from the VFDs are also displayed in the HMI and communication between the PLC and devices in the setup is through fieldbus.

Genom lagstiftningar och beslut hamnar sjöfartsindustrin att hitta mera klimatvänliga lösningar till sina fartyg och hamnverksamheter. Allt flera fartyg elektrifieras eller utrustas med hybridsystem genom att installera batterier, frekvensomriktare, elmotorer och axelgeneratorer för att kunna kombinera eldrift med förbränningsmotorer. Detta ökar behovet hos företag som levererar till exempel frekvensomriktare att utveckla smartare lösningar och konkurrenskraftiga produkter. Detta kräver produktutveckling och testande, vilket i sin tur skapar behov för testsetupper för att simulera marina propulsionssystem.

Vid Danfoss i Vasa finns en testsetup som simulerar ett marint propulsionssystem. Problemet med denna setup var att den inte gick att styra och övervaka från ett gemensamt ställe. Frekvensomriktarna och kontaktorerna styrs från olika ställen via knappar som var otydligt märkta. Eftersom setuppen även består av både Danfoss iC7 och Vacon NXP seriens frekvensomriktare har de även olika sätt att övervaka och styra enheterna.

Detta examensarbete har som mål att skapa ett PLC program som styrs och övervakas via en HMI. Kontrollen ska försnabba testandet och användningen av testsetuppen.

Resultatet för detta slutarbete är en Beckhoffs PLC som programmerats för att styra alla frekvensomriktare i setuppen. Programmet styrs och övervakas via TwinCAT HMI där processdata och statusar över systemet visas. Via HMIn är det även möjligt att styra alla frekvensomriktarna via fältbus.

Lakimuutosten ansiosta merenkulunteollisuus joutuu muuttamaan merenkulun sekä satamatoimintaansa enemmän ympäristöystävälliseksi. Yhä enemmän laivoja hybridisoidaan tai sähköistetään akkujen avulla, jotta laivoja pystytään käyttämään sähköllä tai polttomoottorilla. Tämä lisää kysyntää esimerkiksi taajuusmuuntajille, yritykset, jotka valmistavat näitä joutuvat silloin kehittämään testausympäristöjä tuotekehityksen tehostamiseksi.

Vaasassa Danfossilla on testijärjestelmä, joka simuloi laivan propulsiojärjestelmää. Järjestelmän ongelma oli, että sitä oli hyvin vaikea ohjata ja monitoroida, eikä koko järjestelmää pystynyt ohjata tai tarkkailla yhdestä paikasta. Järjestelmää ohjattiin napeilla, kytkimillä, taajuusmuuntajien paneelien tai sovellusten avulla. Koska testijärjestelmä koostuu Danfoss iC7 sekä Vacon NXP taajuusmuuntajista täytyi niitä myös ohjata eri paikoista.

Tämän lopputyön tavoitteena on ohjelmoida PLC ohjelma, jota ohjataan sekä valvotaan HMIn kautta. Tavoitteena on parantaa sekä nopeuttaa testausmahdollisuuksia.

Tämän opinnäytetyön lopputulos on Beckhoffin PLC, joka on ohjelmoitu pystymään ohjaamaan kaikkia taajuusmuuntajia järjestelmässä. Ohjelmaa ohjataan ja seurataan TwinCAT HMIn kautta missä prosessidataa ja järjestelmän statuksia näytetään. HMIn kautta on siis mahdollista ohjata kaikkia järjestelmän taajuusmuuntajia kenttäväylän kautta.