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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Leistungssystem und insbesondere ein Leistungssystem mit dynamischer Lastverteilung.
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Hintergrund
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Seefahrzeuge umfassen oft mehrere Motoren, die verschaltet sind, um eine oder mehrere primäre Lasten (z. B. Schrauben) und verschiedene Zusatzlasten (z. B., HLK, Beleuchtung, Pumpen etc.) anzutreiben. Die Motoren können mechanisch mit den Lasten verbunden sein, oder elektrisch mit den Lasten über Generatoren verbunden sein. In einigen Anwendungen können die Lasten eines Schiffs sowohl mechanisch als auch elektrisch in einer Hybridanordnung angetrieben werden.
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In typischen marinen Anwendungen werden alle Motoren gleichzeitig betrieben, um in etwa dieselbe Leistungsmenge zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein bestimmtes Seefahrzeug vier identische Motoren aufweisen, die jeweils in der Lage sind, etwa 5.000 kW zu erzeugen. Während des Betriebs können alle Motoren auf demselben Niveau (z. B. etwa 20 % der Kapazität) betrieben werden, um die Lasten gleichmäßig zu verteilen (z. B. eine Last von 4.000 kW gleichmäßig zu verteilen). In manchen Situationen kann jedoch eine gleichmäßige Verteilung der Lasten zwischen den Motoren nicht optimal sein. Zum Beispiel kann das Betreiben von vier Motoren bei 20 % Kapazität weniger kraftstoffeffizient sein, eine weniger gute Ansprache zeigen und/oder mehr Emissionen erzeugen als das Betreiben nur eines der Motoren bei etwa 80 % Kapazität oder das Betreiben von zwei Motoren bei 30 % Kapazität und eines Motors bei 20 % Kapazität.
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Ein Versuch, die Effizienz der Leistungserzeugung zu verbessern, ist in der veröffentlichten US-Patentanmeldung 2013/0342020 von Blevins et al. offenbart, die am 26. Dezember 2013 veröffentlicht wurde (”die ’020-Veröffentlichung”). Insbesondere offenbart die ’020-Veröffentlichung ein Leistungsnetz mit einem Satz von steuerbaren Generatoren und einem Netzsteuergerät. Das Netzsteuergerät ist ausgebildet, eine Lastteilungskonfiguration für den Satz von Generatoren bereitzustellen, die ein Kraftstoffverbrauchs-Gesamtziel, eine Zielantwortzeit oder ein Stabilitätsziel erreicht. Die Lastteilung wird aus Leistungskennzahlmodellen bestimmt, die auf der Grundlage von Leistungskurven, die vom Generatorhersteller bereitgestellt werden, Wartungsdaten, Leistungsüberwachungsdaten und Umgebungsdaten entwickelt werden.
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Obwohl es als eine Verbesserung gegenüber bestehenden Technologien propagiert wird, kann das Leistungsnetz der ’020-Veröffentlichung weniger als optimal sein. Insbesondere können die Leistungskurven der unterschiedlichen Generatoren nicht öffentlich verfügbar oder vorhanden sein. Das heißt, die Hersteller der Generatoren sind unter Umständen nicht gewillt, die notwendigen und eigentumsrechtlich geschützten Leistungskurven zur Verwendung durch einen dritten Wettbewerber zu veröffentlichen. Andererseits kann die Erstellung der Kurven auf der Grundlage gemessener Daten zeitaufwändig, teuer und ungenau sein. Des Weiteren kann das Leistungsnetz der ’020-Veröffentlichung kann nur auf stationäre Leistungsnetze mit statischen Betriebsbedingungen anwendbar sein (z. B. Betreiber, Anwendungen, Umweltbedingungen, etc.). Und schließlich kann es möglich sein, dass sich Leistungsziele auf der Grundlage eines veränderten Betriebs des Leistungsnetzes ebenfalls ändern, doch stellt das Leistungsnetz der ’020-Veröffentlichung keinen Weg bereit, um solche Typen der Änderung zu ermöglichen.
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Das offenbarte Leistungssystem zielt auf eine Verbesserung gegenüber bestehenden Systemen ab.
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Zusammenfassung
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In einem beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Leistungssystem. Das Leistungssystem kann eine Vielzahl von Leistungsquellen umfassen, wobei zumindest ein Leistungsverbraucher durch die Vielzahl von Leistungsquellen angetrieben wird, sowie eine Eingabevorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Signal zu erzeugen, das einen gewünschten Ausgang des zumindest einen Leistungsverbrauchers angibt. Das Leistungssystem kann auch eine Lastverwaltung umfassen, die dem zumindest einen Leistungsverbraucher zugeordnet und dazu ausgebildet ist, eine Leistungsanforderung für die Vielzahl von Leistungsquellen auf der Grundlage des Signals und eines tatsächlichen Ausgangs des Leistungsverbrauchers zu erzeugen, sowie ein Steuergerät in Kommunikation mit der Lastverwaltung und der Vielzahl von Leistungsquellen. Das Steuergerät kann dazu ausgebildet sein, eine Vielzahl von Leistungszielen für die Vielzahl von Leistungsquellen zu bestimmen, eine Priorität für die Vielzahl von Leistungszielen zu bestimmen, von jeder der Vielzahl von Leistungsquellen ein Leistungskennfeld abzufragen, das einem jeden der Vielzahl von Leistungszielen entspricht, und selektiv die Leistungsanforderung zwischen jeder der Vielzahl von Leistungsquellen auf der Grundlage des Leistungskennfelds und auf der Grundlage der bestimmten Priorität zu verteilen.
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Nach einem weiteren beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Steuerungsnetzwerk für ein Leistungssystem mit einer Vielzahl von Motoren, einer Vielzahl von Generatoren, die durch die Vielzahl von Motoren angetrieben werden, und zumindest einer elektrischen Last, die durch die Vielzahl von Generatoren angetrieben werden. Das Steuerungsnetzwerk kann eine Lastverwaltung umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen Eingang von einem Bediener des Leistungssystems zu empfangen, der einen gewünschten Ausgang der zumindest einen elektrischen Last angibt, und in Ansprechen darauf eine Leistungsanforderung für die Vielzahl von Generatoren auf der Grundlage des Eingangs und eines tatsächlichen Ausgang der zumindest einen elektrischen Last zu erzeugen. Das Steuerungsnetzwerk kann auch ein Motorsteuergerät umfassen, das einem jeden der Vielzahl von Motoren zugeordnet ist, sowie ein Leistungssystem-Steuergerät in Kommunikation mit der Lastverwaltung und dem Motorsteuergerät eines jeden der Vielzahl von Motoren. Das Leistungssystem-Steuergerät kann dazu ausgebildet sein, zumindest ein Leistungsziel für die Vielzahl von Motoren zu bestimmen, das zumindest dem Kraftstoffverbrauch und/oder den Emissionen und/oder dem transienten Ansprechen zugeordnet ist; und von dem Motorsteuergerät eines jeden der Vielzahl von Motoren ein Leistungskennfeld entsprechend dem zumindest einen Leistungsziel abzufragen. Das Leistungssystem-Steuergerät kann auch dazu ausgebildet sein, selektiv die Leistungsanforderung ungleichmäßig zwischen einem jeden der Vielzahl von Motoren auf der Grundlage des Leistungskennfelds und auf der Grundlage der Priorität zu verteilen.
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Nach noch einem weiteren beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Steuerung eines Leistungssystems. Das Verfahren kann das Betreiben einer Vielzahl von Motoren zum Antrieb einer Schraube und von Zusatzlasten eines Seefahrzeugs, das Empfangen eines Signals, das einen gewünschten Ausgang der Schraube und der Zusatzlasten angibt, und das Erzeugen einer Leistungsanforderung für die Vielzahl von Motoren auf der Grundlage des Signals und einer tatsächlichen Leistungsabgabe umfassen. Das Verfahren kann auch das Bestimmen einer Vielzahl von Leistungszielen für die Vielzahl von Motoren umfassen, die zumindest dem Kraftstoffverbrauch und/oder den Emissionen und/oder dem transienten Ansprechen zugeordnet sind; das Priorisieren der Vielzahl von Leistungszielen; das Abrufen eines Leistungskennfelds von einem jeden der Vielzahl von Motoren, das der Vielzahl von Leistungszielen entspricht; und selektives Verteilen der Leistungsabgabe auf ungleichmäßige Weise zwischen einem jeden der Vielzahl von Motoren auf der Grundlage des Leistungskennfelds und einer Priorität der Vielzahl von Leistungszielen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine isometrische Veranschaulichung einer beispielhaften offenbarten Maschine;
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2 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten Leistungssystems, das in Verbindung mit der Maschine von 1 verwendet werden kann; und
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes offenbartes Verfahren zum Betreiben des Leistungssystems von 2 abbildet.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht ein Seefahrzeug (”Schiff”) 10 mit einem Leistungssystem 12, das ausgebildet ist, um Leistung an einen oder mehrere Verbraucher oder Lasten 14 zu liefern. Das Leistungssystem 12 kann an einer Plattform 16 innerhalb eines Rumpfs 18 des Schiffs 10 verankert sein, und zumindest zum Teil von einer Brücke 20 aus (oder einer anderen Position an Bord oder von Bord des Schiffs 10) gesteuert werden. Die Lasten 14 können beliebige Geräte oder Vorrichtungen umfassen, die mechanische und/oder elektrische Leistung verbrauchen, und, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Motoren (nicht dargestellt), die Schrauben des Schiffs 10 antreiben, und elektrische Beleuchtung, HLK-Systeme, Wasserpumpen und weitere Zusatzlasten umfassen, die normalerweise auf einem herkömmlichen Seefahrzeug zu finden sind.
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2 veranschaulicht ein Leistungssystem 12 während drei unterschiedlicher Betriebsvorgänge: einem Schleppbetrieb, einem dynamischen Positionierungs- oder DDP-Betrieb sowie einem Anlandungsbetrieb. Wie in 2 zu sehen, kann das Leistungssystem 12 unter anderem eine Vielzahl von Leistungsquellen 22, eine Lastverwaltung 24 und ein Leistungssystem-Steuergerät 26 umfassen. Leistungsquellen 22 können eine mechanische und/oder elektrische Leistungsabgabe erzeugen. Die Lastverwaltung 24 kann eine Leistungsanforderung für Leistungsquellen 22 auf der Grundlage eines von der Brücke 20 empfangenen Eingangs und einem tatsächlichen Ausgang oder Leistung der Lasten 14 bestimmen. Das Leistungssystem-Steuergerät 26 kann selektiv den Betrieb der Leistungsquellen 22 auf unterschiedliche Weisen einstellen, um die Anforderung von der Lastverwaltung 24 zu erfüllen.
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Die Leistungsquellen 22 können beliebige Anzahlen und Typen von Verbrennungsmotoren verkörpern, die alle oder zum Teil mit entsprechenden Generatoren verbunden sind, um Generatoraggregate zu bilden. Die mechanischen Ausgänge der Verbrennungsmotoren können direkt an die Lasten 14 geleitet werden (z. B. mechanisch an die Schrauben geleitet werden) und/oder indirekt über die Generatoren (z. B. elektrisch an die Motoren der Schrauben und die anderen Zusatzlasten). In der offenbarten Ausführungsform umfasst das Leistungssystem 12 vier unterschiedliche Leistungsquellen 22, die zwei Paare im Wesentlichen identischer Generatoraggregate umfassen. Diese Paare umfassen zwei größere Generatoraggregate mit mittlerer Drehzahl sowie zwei Generatoraggregate mit hoher Drehzahl. Die größeren Generatoraggregate mit mittlerer Drehzahl können in der Lage sein, eine höhere Leistungsabgabe bei höherer Kraftstoffeffizienz (d. h. niedrigerem Kraftstoffverbrauch) und/oder geringeren Emissionen bereitzustellen. Die kleineren Generatoraggregate mit hoher Drehzahl können jedoch in der Lage sein, ein schnelleres transientes Ansprechen und einen hocheffizienten Betrieb bei niedrigen Lasten bereitzustellen. Durch die Einbeziehung einer Mischung unterschiedlicher Typen und/oder Größen von Generatoraggregaten können jeweils die mit den unterschiedlichen Aggregaten verbundenen Vorteile realisiert werden. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass ein bestimmtes Schiff 10 falls gewünscht identische Generatoraggregate, lauter verschiedene Generatoraggregate, oder eine beliebige andere Konfiguration von Generatoraggregaten umfassen kann. Es wird auch in Betracht gezogen, dass andere Leistungsquellen als Motoren und Generatoren verwendet werden können, um das Schiff 10 zu versorgen, zum Beispiel Batterien oder andere Leistungsspeichereinrichtungen.
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Die Lastverwaltung 24 kann dazu ausgebildet sein, einen tatsächlichen Ausgang des Leistungssystems 12 mit einem gewünschten Ausgang zu vergleichen (z. B. gewünschte Fahrgeschwindigkeit, gewünschte Schraubendrehzahl, gewünschte Schiffsposition etc.), und auf der Grundlage der Differenz eine Leistungsanforderung zu erzeugen. In dem offenbarten Beispiel ist die Lastverwaltung 24 ein Generator-Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, eine tatsächliche Busspannung mit einer gewünschten Spannung zu vergleichen, und in Ansprechen darauf einen Befehl zur elektrischen Leistungsversorgung auf der Grundlage der Differenz zu erzeugen. In dem Beispiel von 2 werden die Schrauben des Schiffs 10 elektrisch von einem gemeinsamen Bus angetrieben und direkt von der Brücke 20 aus gesteuert. In diesem Beispiel kann der Kapitän des Schiffs 10 (oder ein anderer Bediener) einen Drosselklappenhebel (nicht dargestellt) bewegen, um dem Schiff 10 (und/oder einer bestimmten Schraube) zu befehlen, sich mit einer gewünschten Drehzahl zu bewegen. Wenn die Signale von der Brücke 20 die Schrauben veranlassen, sich einzuschalten, schneller zu drehen, langsamer zu werden oder sich abzuschalten, können die den Schrauben zugeordneten Motoren mehr oder weniger Elektrizität von dem gemeinsamen Leistungsbus verbrauchen. Diese Veränderung im Leistungsverbrauch können eine entsprechende Spannungsschwankung in dem Bus verursachen, und die Lastverwaltung 24 kann die Spannungsschwankung überwachen und in Ansprechen darauf den Befehl erzeugen, mehr oder weniger elektrische Leistung durch die Generatoraggregate an den Bus zu liefern.
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In einem weiteren Beispiel kann die Lastverwaltung 24 eine unabhängige Komponente sein und dazu ausgebildet sein, eine tatsächliche Fahrgeschwindigkeit des Schiffs oder eine tatsächliche Schraubendrehzahl mit einer gewünschten Geschwindigkeit oder einer gewünschten Schraubendrehzahl zu vergleichen und einen Befehl für eine Veränderung in der Leistung (mechanisch und/oder elektrisch) auf der Grundlage der Differenz zu erzeugen. In noch einem weiteren Beispiel kann die Lastverwaltung eine tatsächliche Schiffsposition und/oder Orientierung mit einer gewünschten Stellung oder Orientierung vergleichen und einen Befehl für eine Veränderung in der Leistung auf der Grundlage der Differenz zu erzeugen. Auch weitere Vergleiche können von der Lastverwaltung 24 angestellt werden, und die Lastverwaltung 24 kann eine beliebige herkömmliche Konfiguration, die im Stand der Technik bekannt ist, zur Erzeugung der Leistungsanforderung annehmen. Die von der Lastverwaltung 24 erzeugten Signale, die die Leistungsanforderung angeben, können zur weiteren Verarbeitung an das Steuergerät 26 geleitet werden.
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Das Steuergerät 26 kann herkömmliche bekannte Komponenten umfassen, die zusammenwirken, um die Leistungsanforderung von der Lastverwaltung 24 unter den unterschiedlichen Leistungsquellen 22 zu verteilen. Das Steuergerät 26 kann unter anderem einen einzelnen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalverarbeitungseinheiten (DSPs) etc. umfassen, die Mittel zur Steuerung eines Betriebs des Leistungssystems 12 einschließen. Zahlreiche kommerziell verfügbare Mikroprozessoren können dazu ausgebildet sein, die Funktionen des Steuergeräts 26 auszuführen. Es sollte klar sein, dass das Steuergerät 26 einfach einen Mikroprozessor verkörpern kann, der separat von jenem ist, der die anderen schiffs- und motorbezogenen Funktionen steuert, oder dass das Steuergerät 26 in den Schiffsmikroprozessor integriert und in der Lage sein kann, zahlreiche Funktionen und Betriebsmodi zu steuern. Als ein separater Mikroprozessor kann das Steuergerät 26 mit dem/den allgemeinen Mikroprozessor(en) und/oder Motorsteuergeräten über Datenverbindungen oder andere Verfahren verbunden sein. Verschiedene weitere bekannte Schaltkreise können dem Steuergerät 26 zugeordnet sein, was Stromversorgungsschaltungen, Signalaufbereitungsschaltungen, Stellglied-Treiberschaltungen (d. h. Schaltungen, die Elektromagnete, Motoren, oder Piezostellglieder versorgen), und Kommunikationsschaltungen umfasst.
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Das Steuergerät 26 kann eine gegebene Leistungsanforderung von der Lastverwaltung 24 ungleichmäßig zwischen den unterschiedlichen Leistungsquellen 22 auf der Grundlage unterschiedlicher Leistungsziele verteilen. Zum Beispiel kann das Steuergerät 26 die Leistungsanforderung auf eine erste Art verteilen, wenn das Leistungsziel die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs (bremsspezifischen Kraftstoffverbrauchs oder BSFC) ist, auf eine zweite Art, wenn das Leistungsziel die Bereitstellung einer hohen transienten Ansprache ist, auf eine dritte Art, wenn das Leistungsziel die Erzeugung von geringeren Emissionen ist, und auf eine vierte Art, wenn das Leistungsziel die Verringerung des Verschleißes der Leistungsquellen 22 ist. Zum Beispiel kann das Steuergerät 26 für eine gegebene Leistungsanforderung von der Lastverwaltung 24 die größeren Generatoraggregate anweisen, einen größeren Teil der Anforderung zu erfüllen, wenn das Leistungsziel niedriger Kraftstoffverbrauch und/oder geringe Emissionen sind. Für dieselbe Anforderung kann das Steuergerät 26 die kleineren Generatoraggregate mit mittlerer Drehzahl anweisen, einen größeren Teil der Anforderung zu erfüllen, wenn das Leistungsziel mit der transienten Ansprache oder dem Verschleiß in Verbindung steht.
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In der beispielhaften Ausführungsform können die Leistungsziele manuell ausgewählt oder auf der Grundlage eines aktuellen Betriebs des Schiffs 10 automatisch bestimmt werden. Insbesondere kann der Kapitän des Schiffs 10 in der Lage sein, über eine oder mehrere Eingabeeinrichtungen (nicht dargestellt), die sich auf der Brücke 20 befinden, auszuwählen, ob Kraftstoffverbrauch, transientes Ansprechen, Emissionen, Verschleiß oder eine andere Leistungskennzahl als Ziel zur Verwendung in der Verteilung der Leistungsanforderung festgelegt werden soll. Alternativ kann der aktuelle Betrieb des Schiffs 10 (Schleppen, DDP, Anlandung) einem oder mehreren bestimmten Leistungszielen entsprechen.
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In manchen Anwendungen können mehrere Leistungsziele gleichzeitig verwendet werden, um die Leistungsanforderung von der Lastverwaltung 24 zwischen den unterschiedlichen Leistungsquellen 22 zu verteilen. In diesen Anwendungen können die Leistungsziele priorisiert werden, und die Priorität der Ziele vom Steuergerät 26 verwendet werden, um die Verteilung der Leistungsanforderung zu gewichten. Zum Beispiel kann der Kapitän den niedrigen Kraftstoffverbrauch als das Leistungsziel mit höchster Priorität wählen, niedrige Emissionen als das zweite, und eine hohe transiente Ansprache als das dritte. Und auf der Grundlage dieser Prioritäten der Leistungsziele kann das Steuergerät 26 die Leistungsanforderung unterschiedlich verteilen als bei anders gereihten Prioritäten. In ähnlicher Weise können unterschiedliche Betriebsvorgänge des Schiffs 10 einem anderen Satz von priorisierten Zielen entsprechen. Zum Beispiel können DDP-Betriebsvorgänge einer hohen transienten Ansprache als erstem Ziel entsprechen, gefolgt von niedrigem Kraftstoffverbrauch, und dann niedrigen Emissionen; Schleppvorgänge können einem niedrigem Kraftstoffverbrauch als erstem Ziel entsprechen, gefolgt von einer hohen transienten Ansprache, und dann niedrigen Emissionen; und Anlandungsvorgänge können niedrigen Emissionen als erstem Ziel, gefolgt von niedrigem Kraftstoffverbrauch, und dann hoher transienter Ansprache entsprechen.
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Das Steuergerät 26 kann die Leistungsanforderung von der Lastverwaltung 24 auf der Grundlage der Priorität der Leistungsziele und auf der Grundlage unterschiedlicher Steuerungskennfelder, die jeder Leistungsquelle 22 zugeordnet sind, verteilen. Insbesondere kann das Steuergerät 26 von jeder Leistungsquelle 22 (z. B. von einer jedem Motor oder jedem Generator zugeordneten Steuereinheit) zumindest ein Kennfeld abfragen, das den Leistungszielen zugeordnet ist. Zum Beispiel kann das Steuergerät 26 ein Kraftstoffverbrauchskennfeld, ein Emissionskennfeld, ein Kennfeld der transienten Ansprache, ein Verschleißkennfeld oder ein beliebiges anderes, im Stand der Technik bekanntes Kennfeld umfassen. Diese Kennfelder können normalerweise von den Steuergeräten der verschiedenen Leistungsquellen verwendet werden, um die Kraftstoffzufuhr (z. B. den Start des Einspritztakts, die Einspritzdauer, den Einspritzdruck, die Einspritzmenge, das Ende des Einspritztakts, die Anzahl der Einspritzstöße etc.) der unterschiedlichen Motoren und/oder die Feldaufteilung der unterschiedlichen Generatoren bei einer gegebenen Motordrehzahl zu regeln. Das Steuergerät 26 kann jedoch diese Kennfelder einsetzen, um eine kombinierte Leistung aller Leistungsquellen 26 bei unterschiedlichen möglichen Verteilungskonfigurationen zu bestimmen und dann eine bestimmte Konfiguration auszuwählen, die das/die ausgewählte(n) Ziel(e) erreicht. Es wird in Betracht gezogen, dass je nach Bedarf die Kennfelder für jede Leistungsquelle und/oder für jeden unterschiedlichen Typ von Leistungsquelle unterschiedlich sein können.
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Wenn zum Beispiel das ausgewählte Leistungsziel niedriger Kraftstoffverbrauch ist, kann das Steuergerät 26 ein Kraftstoffverbrauchskennfeld von dem Motorsteuergerät jeder Leistungsquelle 22 abfragen. Das Steuergerät 26 kann dann unterschiedliche Verteilungen der Leistungsanforderung von der Lastverwaltung 24 mit dem Kraftstoffverbrauchskennfeld vergleichen, um die bestimmte Konfiguration von Verteilungen zu bestimmen, die insgesamt den niedrigsten möglichen Kraftstoffverbrauch aller Leistungsquellen 22 liefert. In einigen Ausführungsformen kann dies zu einer gleichmäßigen Verteilung der Leistungsanforderung zwischen den unterschiedlichen Leistungsquellen 22 führen. In den meisten Fällen kann die Verteilung jedoch ungleichmäßig sein. In der Tat können in einigen Fällen eine oder mehrere der Leistungsquellen 22 betrieben werden, um einen Großteil der Leistungsanforderung zu erfüllen, und eine oder mehrere der anderen Leistungsquellen 22 können einen nur kleinen Teil der Anforderung liefern oder überhaupt abgeschaltet werden.
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Werden mehrere Leistungsziele gleichzeitig ausgewählt (manuell durch den Kapitän oder automatisch auf der Grundlage von Schiffsbetriebsvorgängen), kann das Steuergerät 26 mehrere Leistungskennfelder von den Motorsteuergeräten abfragen. Das Steuergerät 26 kann dann die verschiedenen Kennfelder auf der Grundlage einer Priorität der ausgewählten Ziele referenzieren. In einigen Ausführungsformen kann das Steuergerät 26 die Kennfelder überlagern oder auf andere Weise kollektive dreidimensionale Kennfelder (siehe 2) erzeugen, die den unterschiedlichen Leistungszielen zugeordnete Parameter betreffen. Das Steuergerät 26 kann dann die Prioritätsgewichtungen mit den kollektiven Kennfeldern referenzieren, um die Verteilungen zu bestimmen, die die Leistungsanforderung auf eine Weise erfüllen, die auf der Priorität der ausgewählten Ziele basiert. Zum Beispiel kann das Steuergerät 26 die Prioritätsgewichtungen als Skalierungsfaktoren bei der Verteilung der Leistungsanforderung verwenden. Es kann möglich sein, dass, wenn mehrere Ziele ausgewählt sind, das Ergebnis des ersten Leistungsziels nicht das bestmögliche Ergebnis sein kann, da das Ergebnis der zweiten und dritten Leistungsziele einen gewissen Einfluss auf das Ergebnis des ersten Leistungsziels haben kann.
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In manchen Anwendungen kann es möglich sein, dass die Leistung einer bestimmten Leistungsquelle 22 mit der Zeit von den Steuerungskennfeldern wegdriftet, die innerhalb der entsprechenden Motorsteuergeräte gespeichert sind. Zum Beispiel kann es möglich sein, dass ein älterer Motor eine verringerte Leistung auf Grund von Verschleiß aufweist, oder dass Systemeingänge (z. B. die Kraftstoffqualität, Windströmung, Meeresströmung, Umgebungslufttemperatur, etc.) von angenommenen oder erwarteten Werten abweichen. In diesen Situationen kann das Steuergerät 26 in der Lage sein, die bestehenden Steuerungskennfelder auf der Grundlage der überwachten Motorleistung zu modifizieren. Im Besonderen kann das Steuergerät 26 in der Lage sein, die Motorleistung zur zukünftigen Verwendung bei der Verteilung der Leistungsanforderung zu überwachen, zu verarbeiten und aufzuzeichnen.
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Das Steuergerät 26 kann auf unterschiedliche Sensoren zurückgreifen, wenn es die Motorleistung überwacht und/oder die bestehenden Steuerungskennfelder modifiziert. Diese Sensoren können zum Beispiel einen oder mehrere Kraftstoffflussmesser, die jedem Motor zugeordnet sind, Drehzahlsensoren, Drehmomentsensoren, Emissionssensoren (z. B. NOx-Sensoren), Temperatursensoren, Drucksensoren, Spannungssensoren, Stromsensoren, Kraftstofffüllstandssensoren, DEF-Füllstandssensoren (Diesel-Abgasfluid), DEF-Flussmesser, und andere Leistungssensoren umfassen. Das Steuergerät 26 kann auch in der Lage sein, verschiedene Aspekte der Motor- und/oder Generatorleistung auf der Grundlage gemessener Parameter zu berechnen. Zum Beispiel kann das Steuergerät 26 in der Lage sein, das Motordrehmoment, Emissionen, und/oder den Verschleiß auf der Grundlage der gemessenen Umdrehungen, der Kraftstoffflussraten, Temperaturen, und/oder Drücke zu berechnen. Das Steuergerät 26 kann dann die erforderlichen Steuerungskennfelder direkt auf der Grundlage der gemessenen Parameter und/oder auf der Grundlage der berechneten Parameter aktualisieren und/oder erzeugen. Es wird in Betracht gezogen, dass das Steuergerät 26 nur die Leistungsdrift von den Steuerungskennfeldern weg auf der Grundlage der gemessenen/berechneten Parameter bestimmen, und dann dem Kapitän des Schiffs 10 erlauben kann, Anpassungen für die Drift wie gewünscht zu implementieren oder zu ignorieren.
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In manchen Anwendungen kann das Steuergerät 26 auch selektiv die Leistungsanforderung zwischen den unterschiedlichen Leistungsquellen 22 auf der Grundlage einer gewünschten Leistungsreserve verteilen. Insbesondere kann der Kapitän des Schiffs 10 wünschen, dass eine bestimmte Leistungsmenge als Reserve von den bestimmten Leistungsquellen 22 behalten wird, und diese Leistungsreserve kann die Art begrenzen, auf die das Steuergerät 26 die Leistungsanforderung verteilen kann.
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In ähnlicher Weise kann das Steuergerät 26 Umweltfaktoren berücksichtigen, wenn es die Leistungsanforderung zwischen den Leistungsquellen 22 verteilt. Zum Beispiel kann das Steuergerät 26 Windströmungen, Wasserströmungen, die GPS-Position des Schiffs 10 (z. B. innerhalb eines Hafens oder entfernt vom Hafen), Schiffsverkehr (z. B. die Anzahl anderer Schiffe im umliegenden Bereich auf der Grundlage von Radarinformationen) berücksichtigen und selektiv bestimmte Leistungsquellen 22 anzuweisen, einen größeren oder kleineren Anteil der Leistungsanforderung auf der Grundlage dieser Faktoren zu erfüllen.
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3 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Betrieb des Leistungssystems 12 abbildet. 3 wird in dem folgenden Abschnitt erläutert, um das offenbarte System und seinen Betrieb noch weiter zu veranschaulichen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das offenbarte Leistungssystem kann auf eine beliebige mobile Maschine mit mehreren Leistungsquellen anwendbar sein. Das offenbarte Leistungssystem kann jedoch in erster Linie auf ein seegängiges und/oder Erdölbohrschiff anwendbar sein, wobei die Leistungsquellen zusammenwirken, um unter variierenden Bedingungen das Schiff vorzutreiben und Zusatzlasten zu versorgen. Das offenbarte Leistungssystem kann eine verbesserte Leistung durch Optimierung ausgewählter Ziele in einer Priorität erlauben, die manuell von dem Kapitän ausgewählt wird oder automatisch auf der Grundlage eines aktuellen Betriebs des Schiffs ausgewählt wird. Der Betrieb des Leistungssystems 12 wird nun im Detail beschrieben.
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Wie in 3 dargestellt, kann der Betrieb des Leistungssystems 12 damit beginnen, dass das Steuergerät 26 eine Leistungsanforderung von der Lastverwaltung 24 erhält (Schritt 300). Die Leistungsanforderung kann zum Beispiel auf der Grundlage einer Reduktion der Spannung an einer gemeinsamen Busleitung basieren, die Leistung an eine oder mehrere Lasten 14 (z. B. an Schrauben und ein HLK-System) des Schiffs 10 liefern. In Ansprechen auf die Reduktion in der Spannung kann die Lastverwaltung 24 eine höhere Leistungsabgabe verlangen, zum Beispiel eine Abgabe von etwa 10.500 kW. In diesem Beispiel kann das Leistungssystem 12 in der Lage sein, etwa 15.000 kW mit vier Leistungsquellen 22 abzugeben (d. h., mit zwei größeren Generatoraggregaten mittlerer Drehzahl bei jeweils 5.000 kW, und zwei kleineren Generatoraggregaten hoher Drehzahl bei jeweils 2.500 kW).
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Zur selben Zeit kann das Steuergerät 26 einen aktuellen Betrieb des Schiffs 10, eine Liste priorisierter Leistungsziele, und/oder eine gewünschte Leistungsreserve (Schritt 310) bestimmen. Der aktuelle Betrieb kann manuell von dem Kapitän des Schiffs 10 und/oder automatisch durch das Steuergerät 26 auf der Grundlage einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Parameter bestimmt werden (z. B. auf der Grundlage der aktuellen Position, der aktuellen Drehzahl, des aktuellen Steuermanövers etc.). In einem Beispiel kann der aktuelle Betrieb entweder ein DDP-Betrieb, ein Schleppbetrieb oder ein Anlandungsbetrieb sein. Während des DDP-Betriebs ist das Schiff 10 vom Hafen entfernt, und seine Position wird automatisch durch Verwendung der Schrauben auf der Grundlage von Signale von Referenzsensoren, Windsensoren, Stromsensoren, Bewegungssensoren, Kompasssensoren etc. gehalten. Während des Schleppbetriebs ist das Schiff 10 vom Hafen entfernt und bewegt sich auf ein Ziel zu. Während des Anlandungsbetriebs ist das Schiff stationär oder bewegt sich mit niedriger Geschwindigkeit unter regulierten Bedingungen innerhalb einer Hafenumgebung. Die Liste der priorisierten Ziele und die gewünschte Leistungsreserve können in ähnlicher Weise manuell erhalten oder automatisch bestimmt werden. Insbesondere kann der Kapitän des Schiffs 10 aus einer Liste verfügbarer Ziele in einer priorisierten Reihenfolge auswählen und kann auch eine gewünschte Leistungsreserve festsetzen. Alternativ können die priorisierten Ziele und die Leistungsreserve mit dem aktuellen Betrieb des Schiffs 10 verknüpft sein.
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Nach Erhalt der Leistungsanforderung von der Lastverwaltung 24 und nach Bestimmung des aktuellen Betriebs, der priorisierten Liste der Ziele und der gewünschten Leistungsreserve kann das Steuergerät 26 die zugehörigen Leistungskennfelder erhalten (d. h., abfragen und/oder erstellen) (Schritt 320). Wie oben erläutert kann das Steuergerät 26 dieselben Leistungskennfelder von den Steuergeräten (d. h., von den Motor- und/oder Generatorsteuergeräten) der Leistungsquellen 22 abfragen, die normalerweise zur Regelung des Betriebs (z. B., Kraftstoffzufuhr, Verstärkung etc.) der zugehörigen Motoren und/oder Generatoren verwendet werden. Diese Kennfelder können Kraftstoffverbrauchskennfelder, Emissionskennfelder, Kennfelder der transienten Ansprache, Verschleißkennfelder oder beliebige andere, im Stand der Technik bekannte Kennfelder umfassen. Wenn diese Kennfelder nicht länger exakt sind, kann das Steuergerät 26 die Kennfelder auf der Grundlage der überwachten Leistung erstellen und aktualisieren.
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Das Steuergerät 26 kann dann die Leistungsanforderung, die von der Lastverwaltung 24 erhalten wurde, unter den Leistungsquellen 22 auf der Grundlage der abgerufenen Kennfelder und auf solche Weise verteilen, dass die priorisierten Ziele erreicht und die gewünschte Leistungsreserve beibehalten werden (Schritt 330). Wenn zum Beispiel bestimmt wird, dass der aktuelle Betrieb der Schleppbetrieb ist (entweder auf der Grundlage einer manuellen Eingabe oder automatisch auf der Grundlage der überwachten Schiffsleistung), kann das Steuergerät 26 bestimmen, dass die Liste der priorisierten Ziele niedriger Kraftstoffverbrauch, gefolgt von einer hohen transienten Ansprache und dann niedrige Emissionen sein sollte. Für diese Priorisierung und auf der Grundlage der Leistungsanforderung von 10.500 kW kann das Steuergerät 26 die Leistungsanforderung wie in dem oberen Beispiel von 2 dargestellt verteilen. Insbesondere kann das Steuergerät 26 die Leistungsanforderung zwischen nur einem der kleineren Generatoraggregate mit hoher Drehzahl und beiden größeren Generatoraggregaten mit mittlerer Drehzahl verteilen. Diese Verteilung kann verlangen, dass das kleinere Generatoraggregat mit hoher Drehzahl bei etwa 20 % seiner Kapazität arbeitet, und beide größeren Generatoraggregate mit mittlerer Drehzahl bei etwa 100 % ihrer Kapazitäten arbeiten. Dies würde in den kleineren Generatoraggregaten mit hoher Drehzahl eine kombinierte Leistungsreserve von etwa 4.500 kW belassen.
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Ist der aktuelle Betrieb stattdessen ein DDP-Betrieb, ist die Leistungsanforderung wahrscheinlich geringer als bei einem Schleppbetrieb, und das Steuergerät 26 kann bestimmen, dass die Liste der priorisierten Ziele eine hohe transiente Ansprache, gefolgt von niedrigem Kraftstoffverbrauch und dann geringe Emissionen sein soll. Und für diese Priorisierung kann das Steuergerät 26 alternativ die geringere Leistungsanforderung unter den unterschiedlichen Leistungsquellen 22 wie im mittleren Beispiel von 2 dargestellt verteilen. Insbesondere kann diese Verteilung erfordern, dass die kleineren Generatoraggregate mit hoher Drehzahl eine größere Menge der Leistungsanforderung bereitstellen. Zum Beispiel können die kleineren Generatoraggregate mit hoher Drehzahl bei etwa 50 % ihrer Kapazitäten arbeiten, und nur eines der größeren Generatoraggregate mit mittlerer Drehzahl kann bei etwa 100 % seiner Kapazität arbeiten, um eine Gesamtleistung von etwa 7.500 kW zu ergeben. Dies würde in dem verbleibenden größeren Generatoraggregat mit mittlerer Drehzahl und in den kleineren Generatoraggregaten mit hoher Drehzahl eine Leistungsreserve von etwa 7.500 kW belassen.
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Ist der aktuelle Betrieb stattdessen ein Anlandungsbetrieb, ist die Leistungsanforderung wahrscheinlich ebenfalls geringer als bei einem Schleppbetrieb, und das Steuergerät 26 kann bestimmen, dass die Liste der priorisierten Ziele geringe Emissionen, gefolgt von niedrigem Kraftstoffverbrauch und dann eine hohe transiente Ansprache sein soll. Und für diese Priorisierung kann das Steuergerät 26 alternativ die Leistungsanforderung unter den unterschiedlichen Leistungsquellen 22 wie im unteren Beispiel von 2 dargestellt verteilen. Insbesondere kann diese Verteilung erfordern, dass die kleineren Generatoraggregate mit hoher Drehzahl jeweils bei etwa 85 % und 30 % ihrer Kapazität arbeiten, und eines der größeren Generatoraggregate mit mittlerer Drehzahl bei etwa 100 % seiner Kapazität arbeitet, um eine Gesamtleistung von etwa 7.875 kW zu ergeben. Dies würde in dem verbleibenden größeren Generatoraggregat mit mittlerer Drehzahl und in den kleineren Generatoraggregaten mit hoher Drehzahl eine Leistungsreserve von etwa 7.125 kW belassen.
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Nach dem Bestimmen der geeigneten Verteilung der Leistungsanforderung unter den verfügbaren Leistungsquellen 22 kann das Steuergerät 26 dann den entsprechenden Betrieb der Leistungsquellen 22 anweisen und veranlassen, dass die ausgewählte Verteilungskonfiguration innerhalb der Brücke 20 angezeigt wird (Schritt 340). Durch Anzeigen der Verteilungskonfiguration innerhalb der Brücke 20 kann der Kapitän die Gelegenheit haben, die Konfiguration falls gewünscht einzustellen oder zu übergehen.
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Das Leistungssystem 12 bietet zahlreiche Vorteile. Da das Steuergerät 26 die Leistungskennfelder direkt von den Leistungsquellen 22 abfragen kann, kann es zum Beispiel wahrscheinlich sein, dass die Kennfelder auf Stand gehalten werden und alle Informationen enthalten, die notwendig sind, um die Leistungsquellen 22 korrekt zu betreiben. Mit anderen Worten ist es nicht erforderlich, dass die Leistungsquelle 22 ausschließlich mit öffentlich verfügbaren Informationen betrieben wird. Des Weiteren kann das Leistungssystem 22 erlauben, dass mehrere Leistungsziele ausgewählt und gleichzeitig auf unterschiedliche Weise verbessert werden, in Abhängigkeit von einer Priorisierung der Ziele. Darüber hinaus kann das Leistungssystem 22 erlauben, dass wechselnde Betriebsvorgänge, Umweltbedingungen, Kapitäne etc. Einfluss auf die Art haben, wie die Leistungsanforderungen verteilt werden. Aus diesen Gründen kann das Leistungssystem 22 eine erweiterte Anwendbarkeit auf viele unterschiedliche Situationen finden.
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Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Varianten an dem offenbarten Leistungssystem gemacht werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung des hierin offenbarten Leistungssystems deutlich werden. Die Beschreibung und die Beispiele sollen als rein beispielhaft betrachtet werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen angezeigt wird.
