1 von 44

3-D-Simulationen und Animationen zur schiffstechnischen Betriebsführung

Fachhochschule Flensburg Flensburg University of Applied Sciences

Kanzleistraße 91-93 24943 Flensburg Telefon: +49 (0461) 805-01 Telefax: +49 (0461) 805-1300

Prof. Dr.-Ing. HOLGER WATTER - www.fh-flensburg.de/watter -

2 von 44

Inhaltsverzeichnis 3-D-Simulationen und Animationen zur schiffstechnischen Betriebsführung .................................................. 1

1. Einführung ................................................................................................................................................. 3 2. Systembeschreibung.................................................................................................................................. 3 3. Aufgabenstellung ....................................................................................................................................... 5 4. Durchführung ............................................................................................................................................ 5 5. Ergebnissicherung/Dokumentation ........................................................................................................... 6

Quellenhinweise ................................................................................................................................................ 6 ANHANG ............................................................................................................................................................ 7

A1 Auszug aus dem Web-Auftritt UNITEST ................................................................................................... 7 Engine Room Simulator ............................................................................................................................. 7 Marine Training Software ........................................................................................................................ 12

A2 Systemübersicht ..................................................................................................................................... 15 2.1 Maschinenraum mit langsamlaufendem 2-Takt-Maschine - LER3D v1.1 .......................................... 15 2.2 Maschinenraum mit mittelschnellaufender 4-Takt-Maschine - MED3D v1.4 ................................... 20 2.3 Auxiliary Steam Boiler ........................................................................................................................ 21 2.4 Biological Sewage Treatment Plant ................................................................................................... 22 2.5 C.P.Propeller Installation ................................................................................................................... 23 2.6 Diesel Engine Generators .................................................................................................................. 24 2.7 Diesel Engines .................................................................................................................................... 26 2.8 Fixed Delivery Pump Steering Gear Inst. ........................................................................................... 27 2.9 Variable Delivery Pump Steering Gear .............................................................................................. 28 2.10 Fuel Oil Treatment Plant .................................................................................................................. 28 2.11 Hydrophore Installation ................................................................................................................... 29 2.12 Marine Diesel Engine Monitoring Systems ...................................................................................... 29 2.13 Oily Water Separator ....................................................................................................................... 30 2.14 Comb. Oil Fired and Exhaust Gas Boiler .......................................................................................... 30 2.15 Freshwater Generator ..................................................................................................................... 31 2.16 Marine Pumps ................................................................................................................................. 32 2.17 R.C.S. for MAN B&W LMC engines .................................................................................................. 33 2.18 R.C.S. for SULZER RTA Engines ......................................................................................................... 33 2.19 Refrigeration Plant ........................................................................................................................... 34 2.20 Reverse Osmosis Desalination System ............................................................................................ 35 2.21 S-type Separation System ................................................................................................................ 36 2.22 Electric Power Plant ......................................................................................................................... 36 2.23 Fuel Conditioning Module 3D .......................................................................................................... 37 2.24 Marine Compressors ....................................................................................................................... 37 2.25 Emergency Power Plant 3D ............................................................................................................. 38 2.26 Marine Heat Exchangers .................................................................................................................. 38 2.27 Rotary Vane Steering Gear .............................................................................................................. 39 2.28 Air Conditioning Plant 3D ................................................................................................................ 39 2.29 EcoStream ........................................................................................................................................ 40 2.30 Freshwater Generator 3D ................................................................................................................ 41 2.31 Hydrophore Installation 3D ............................................................................................................. 42 2.32 Marine Hydraulic Machinery ........................................................................................................... 43 2.33 Refrigeration Plant 3D ..................................................................................................................... 43

A3 Formatvorgaben für den Erfahrungsbericht .......................................................................................... 44 1. Überschrift/behandeltes Thema ......................................................................................................... 44 2. Datum und Namen der Teilnehmer ..................................................................................................... 44 3. Erfahrungsbericht ................................................................................................................................ 44 4. Zusammenfassung/Bewertung ............................................................................................................ 44

3 von 44

1. Einführung Computerunterstützter Ausbildung (CUA) bzw. Computer Based Training (CBT) steht für Systeme (Lernsoftware), die als Lernprogramme genutzt werden, die der Lernende vor Ort auf seinem Computer gespeichert hat. Sie sind die meistgenutzte Form des elektronischen Lernens [1 … 5]. Komplexe Sachverhalte können multimedial in Form von Text, Bild, Ton, Video und Animation anschaulich dargestellt werden. Dabei können auch aufwändigere, große Programme eingesetzt werden, da man auf Direktströme verzichten kann. Je nach Grad der Interaktivität unterscheidet man:

Simulationssysteme: Sachverhalte können spielerisch durch den Lernenden gelöst werden, z. B. Planspiele.

Tutorielle Systeme: Der oder die Lernende tätigt Eingaben, das System reagiert darauf und greift unterstützend ein.

Präsentationssysteme: Ein Lernprogramm läuft multimedial in Modulen ab. Der Lernende wird durch ein vorgefertigtes Programm geführt, z. B. digitale Bücher.

Der große Nachteil von CBT-Programmen, die als CD-ROM verteilt wurden, war die Isolation der Lernenden. Den Durchbruch kann das E-Learning erst jetzt schaffen, weil Lernen immer öfter über das Intranet oder Internet in Form von WBT-Kursen stattfindet. Web Based Training (WBT) werden über das Internet verbrei-tet und bieten den Mehrwert durch Aktualität und Vernetzung (vgl. Learning Management System).

2. Systembeschreibung Bei dem System UNITEST1 handelt es sich um eine PC-basierte 3-D-Simulation des Maschinenraumes sowie um zahlreiche Lernprogramme (CBT) zur Schiffsbetriebstechnik. Nachfolgend wird eine kurze Einführung gegeben. Umfangreiche Systembeschreibungen befinden sich auf der Lernplattform. Die 3-D-Simulation des Maschinenraumes steht zur Verfügung als Komplettsimulation mit einem

langsamlaufenden 2-Takt-Antriebsmotor (LER3D v1.1) sowie mit einem

mittelschnelllaufenden 4-Takt-Antriebsmotor (MED3D v1.4). Zwischen der 3-D-Ansicht und den Systemkreisläufen wird mit „rechtem Mausklick“ hin und hergeschaltet.

Programmbeschreibung Verzeichnis-Pfad

1. LER3D v1.1 LER3D

2. MED3D v1.4 MED3D

1 http://www.unitest.pl/products_MER-MEC.html

4 von 44

Davon losgelöst werden Lernprogramme (CBTs) zu den nachfolgenden Themenkomplexen bereitsgestellt:

Programmbeschreibung Verzeichnis-Pfad

3. Auxiliary Steam Boiler Installation CBT part 1 & 2

4. Biological Sewage Treatment Plant CBT part 1 & 2

5. C.P.Propeller Installation CBT part 1 & 2

6. Diesel Engine Generators CBT part 1 & 2

7. Diesel Engines CBT part 1 & 2

8. Fixed Delivery Pump Steering Gear Inst. CBT part 1 & 2

9. Fuel Oil Treatment Plant CBT part 1 & 2

10. Hydrophore Installation CBT part 1 & 2

11. Marine Diesel Engine Monitoring Systems CBT part 1 & 2

12. Oily Water Separator CBT part 1 & 2

13. Variable Delivery Pump Steering Gear CBT part 1 & 2

14. Comb. Oil Fired and Exhaust Gas Boiler CBT part 3

15. Freshwater Generator CBT part 3

16. Marine Pumps CBT part 3

17. R.C.S. for MAN B&W LMC engines CBT part 3

18. R.C.S. for SULZER RTA Engines CBT part 3

19. Refrigeration Plant CBT part 3

20. Reverse Osmosis Desalination System CBT part 3

21. S-type Separation System CBT part 3

22. Electric Power Plant CBT part 4

23. Fuel Conditioning Module 3D CBT part 4

24. Marine Compressors CBT part 4

25. Emergency Power Plant 3D CBT part 5

26. Marine Heat Exchangers CBT part 5

27. Rotary Vane Steering Gear CBT part 5

28. Air Conditioning Plant 3D CBT part 6

29. EcoStream CBT part 6

30. Freshwater Generator 3D CBT part 6

31. Hydrophore Installation 3D CBT part 7

32. Marine Hydraulic Machinery CBT part 7

33. Refrigeration Plant 3D CBT part 7

Ausführliche Beschreibungen befinden sich als „Manual“ auf der Lernplattform. Bitte geben Sie jeweils zu Beginn einen Gruppennamen ein, damit der Lernfortschritt aufgezeichnet werden kann. Die Löschung erfolgt automatisch beim nächsten Start, so dass der Lernfortschritt vertraulich behan-delt wird. Die Abbildungen im Anhang A2 sollen Bedienungshinweise und einen Überblick zu dem System geben.

5 von 44

3. Aufgabenstellung Im Rahmen der Lehrveranstaltungen

Instandhaltung (SBT4)

Schiffstechnik (SNL4) und Systemüberwachung (SNL5),

Anlagentechnik (SBT7) sowie

Schiffsbetrieb/Schiffsmaschinensimulation (SMB6/SBT7) sind Einzelelemente der Lernsoftware zu analysieren und zu bewerten. Die Erfahrungen und die Lernergeb-nisse sind den Kommilitonen in geeigneter Weise über StudIP zugänglich zu machen. Bitte beachten Sie hier auch formale Vorgaben und Qualitätsstandards für ingenieurwissenschaftliche Berichte und Dokumentati-onen [ 7].

4. Durchführung Dazu ist wie folgt zu verfahren:

1. Diese Arbeitsanweisung wird über den Downloadbereich des Dozenten2 und über StudIP3 zugäng-lich gemacht.

2. Die Studierenden bilden Gruppen von ca. 3 Personen. Gruppeneinteilung und thematische Ab-stimmung erfolgt über das „Forum“ der dazugehörigen Lehrveranstaltung in StudIP. Jede Gruppe bearbeitet ein Thema aus den Bereichen 3-D-Simulation oder den CBTs. Thematische Überschnei-dungen sollten dabei vermieden werden, sind jedoch kein Ausschlusskriterium und somit hin-nehmbar. Es wird ein Zeitumfang von ca. 2 x 90 Min. empfohlen.

3. Terminvereinbarung und Terminfestlegung erfolgt über Frau Dipl.-Ing. Möller4. Bitte führen Sie die-se Terminabstimmung frühzeitig herbei um Terminengpässe am Semesterende zu vermeiden.

4. PC und Bildschirm einschalten; starte „Benutzer1“.

Benutzerpfad: C:\Dokumente und Einstellungen\All Users\Startmenü\Programme\Unitest

2 ergänzende Lehrunterlagen unter http://www.fh-flensburg.de/watter/lehre.htm

3 Stud.IP steht für "Studienbegleitender Internetsupport von Präsenzlehre“, siehe https://elearning.fh-flensburg.de

4 Die Kontaktdaten finden Sie über das Personenverzeichnis der Hochschul-Web-Seite:

http://www.fh-flensburg.de/fhfl/315.html?&tx_fhflpersonen_pi1[person]=moeller

6 von 44

5. Im Rahmen der Bearbeitung ist ein Bericht in WORD zu erstellen. Dazu ist direkt auf der Bearbei-

tungsplattform ein Word-Dokument anzufertigen und unter „Eigene Dateien“ zu speichern. Der Be-richt sollte enthalten (vgl. Anlage A3):

Überschrift/behandeltes Thema

Namen der Teilnehmer

Screenshots und Bewertungskommentare zur Lernsoftware/CBT

Erfahrungsberichte zur Bedienbarkeit und zur Qualität der Lernplattform

Empfehlungen für zukünftige Lerngruppen

Verbesserungsvorschläge für diese Handlungsanweisung und zukünftige Planungen. 6. Der Bericht ist in StudIP oder auf einem USB-Stick abzuspeichern, die Version unter „Eigene Datei-

en“ sollte dann gelöscht werden.

5. Ergebnissicherung/Dokumentation

7. Um den Qualitätsstandards der Ingenieurwissenschaften gerecht zu werden, sollte der Bericht noch einem „Feinschliff“ i.S. von [7] unterzogen werden. Dazu wird empfohlen, den Rohentwurf per Web-Mail oder USB zu exportieren und nachzubearbeiten. Die so aufbereitete Version ist in StudIP unter „Dateien“ einzustellen und der gesamten Gruppe zugänglich zu machen.

Quellenhinweise

[1] Dreher, Ralph; Watter, Holger: Hypertext und Entscheidungssimu-lation in der Dampftechnikausbildung, SCHIFFSBETRIEBSTECHNIK FLENSBURG 1/1997, Seite 6 - 10.

[2] Dreher, Ralph; Watter, Holger: Computerunterstützte Ausbildung (CUA): Effektive Option, DEUTSCHE SEESCHIFFAHRT 6/97, Seite 18 - 19.

[3] Watter, Holger: "Besondere Lernumgebungen zur Instandhal-tungsausbildung in der Schiffsbetriebstechnik" in: Pahl, Jörg-Peter (Hrsg.): Lern- und Arbeitsumgebungen zur Instandhaltungsausbil-dung, Kallmeyer'sche Verlagsbuchhandlung, Seelze-Velber, 1997.

[4] Obst, Christian: Implementation einer Lernsoftware zur compu-terunterstützten Ausbildung am Beispiel des Themenkomplexes „Brennstoffsysteme u. Brennstoffaufbereitung“, Diplomarbeit, FH Hamburg, 1997.

[5] http://de.wikipedia.org/wiki/Rechnerunterstützter_Unterricht, Stand: 04.02.2011.

[6] Watter, Holger: DOWNLOAD-Bereich zu den Lehrveranstaltungen von Prof. Dr.-Ing. HOLGER WATTER, http://www.fh-flensburg.de/watter/lehre.htm, Stand: 04.02.2011.

[7] Staben, Volker: Die Thesis – das unbekannte Wesen, Handreichung, FH Flensburg, 2009 (verfügbar über StudIP Fachbereich Technik Dateien).

[8] Unitest: Engine Room Simulator/Marine Training Software: http://www.unitest.pl/products_MER-MEC.html, Stand: 04.02.2011.

7 von 44

ANHANG

A1 Auszug aus dem Web-Auftritt UNITEST5

Engine Room Simulator

General description and application

The UNITEST MS Engine Room Simulator

has been based on typical solutions,

being presently used in medium-sized

engine rooms (two four-stroke type

main engines with reduction gear and

CPP - controllable pitch propeller).

This simulator is designated for training

students of maritime academies as well

as for different types of marine voca-

tional training centres. The simulator

has universal features and may be used

both for training merchant and navy

fleet crew.

The main purpose of the simulator is the practical preparation of the trainee for engine room op-

eration, and more particularly:

- familiarization with the basic engine room installation (compressed air system, fresh and sea

water cooling system, lubricating and fuel oil system, gear and CPP hydraulic system);

- acknowledgment with main engines and auxiliary equipment starting procedure;

- propulsion system manoeuvring (main engines - reduction gear - CPP).

The simulator has been equipped with a desktop type realistic console that enables main engines,

gear and CPP operation and control. A general view of the console has been presented.

5 http://www.unitest.pl/products_MER-MEC.html, Stand: 04.02.2011

8 von 44

Two versions of engine room simulator with medium-speed main engines are available:

- full version (console and software)

- software version (without console)

The software allows for the simulation of opening/closing of basic valves and auxiliary equipment

operation in engine room installations. The software also generates the main engine room's

sound.

The simulator contains a special instructor station software which allows for:

- system set-up (liquid levels in the tanks and pressure setting)

- freeze simulator

- manoeuvring command

9 von 44

Instructor station is connected by phone with the trainee station.

Software of instructor's station (in multi-station version only) enables also the observation of the

following trainee's station indications

- systems alarm

- shaft revolution

- alarm log

Simulation model

The simulator is based on an engine room composed of two medium-speed diesel ME and three

diesel engine generators.

The propulsion system includes two ME, driving through reduction gear the controllable pitch pro-

peller (CPP). Propeller's revolutions and pitch are controlled simultaneously.

The simulator is divided into the following modules:

Main Engine propulsion Fuel system

10 von 44

Cooling system Lubricating system

Compressed Air system Power plant

Bilge and ballast system Steering gear

11 von 44

Fire fighting system Sanitary water system

Refrigerating system

Check List

The main purpose of this option is to :

- standardise operation procedures and training;

- ensure that faults due to improper operation procedures are avoided.

The check list can be especially used for teaching proper engine room operation in stand-alone

mode without instructor.

The check list is based on the concept consisting in a division of the whole engine room operation

into various smaller, typical tasks. A specific checklist covers all these tasks. Each checklist is

based on the following principles:

- each checklist begins with a certain engine room setup, typical for that checklist;

- a checklist properly completed should lead to another specific engine room setup, which is the

target of this particular procedure;

- clear instruction what to do and how to do it, is provided for every single checklist step;

- the checklists are linked in such a way that the target setup of one checklist is an entry setup for

the next checklist in almost every case. This means that the completion of all checklists proce-

dures results in the knowledge of the whole engine room operation at basic level.

12 von 44

Marine Training Software

The marine training software package's aim is to teach the basic

principles of how to operate marine power plant equipment. The

programmes offered are intended for training cadets and marine

engineers. The educational package is based on the solutions be-

ing actually used on ships. The machinery and system in the simu-

lation exercises are realistic to allow acquisition of real skills.

The Marine Training Software consists of the following training 2D

and 3D simulators:

Air Conditioning Plant 3D

Auxiliary Steam Boiler Installation

Biological Sewage Treatment Plant

C.P.Propeller Installation

Comb. Oil Fired and Exhaust Gas Boiler

Diesel Engine Generators

Diesel Engines

EcoStream

Emergency Power Plant 3D

Electric Power Plant

Fixed Delivery Pump Steering Gear Inst.

Freshwater Generator

Freshwater Generator 3D

Fuel Conditioning Module 3D

Fuel Oil Treatment Plant

Hydrophore Installation

Hydrophore Installation 3D

Marine Compressors

Marine Diesel Engine Monitoring Systems

Marine Heat Exchangers

13 von 44

Marine Hydraulic Machinery

Marine Pumps

Oily Water Separator

R.C.S. for MAN B&W LMC engines

R.C.S. for SULZER RTA Engines

Refrigeration Plant

Refrigeration Plant 3D

Reverse Osmosis Desalination System

Rotary Vane Steering Gear

S-type Separation System

Variable Delivery Pump Steering Gear

The above mentioned training simulators are interactive i.e. they enable the realistic presentation

of the marine power plant equipment functioning. The simulators are equipped with control panels

and system installation diagrams. The control panels contain push-buttons, switches, pressure

gauges as well as control and alarm lamps. The control panels and the main switchboard were

intentionally designed to be as close as possible to the real equipment design.

Some programs offer the possibility to realise regulations of the system parameters. In case of

faulty operations the simulators will react identically as it happens during normal operations, in-

14 von 44

cluding alarms, shut-downs, tanks overfilling etc.

All operations on the PC screen such as hand-operated valve opening/closing, pump start-

ing/stopping, etc. are effectuated by mouse-clicking. The automatic valves are controlled by the

control panel.

The programs enable the visualisation of the set values of the respective gauges as the diagrams

not only show the flow presence but indicate the liquid level in the tanks as well.

Graphic symbols which are used in simulation programs are described in the legend.

Simulator programs are sound generated.

All CBT modules made in 3D technology offer the possibility to move around with a help of the

state of the art Zoom Technology. The user can select a 3D yellow frame which appears when the

mouse cursor points the selected machinery object. The mouse click moves the user close to the

selected object with the possibility to watch the gauges and to control a position of the valves,

pushbuttons and switches.

Programs are secured by individual Hardlocks or by a single network hardlock for whole class

room.

15 von 44

A2 Systemübersicht

2.1 Maschinenraum mit langsamlaufendem 2-Takt-Maschine - LER3D v1.1

Abb. 1: LER3D v1.1

Abb. 2: Durch Mausklick Objekt auswählen …

16 von 44

Abb. 3: … und bedienen.

Abb. 4: Mit rechtem Mausklick kann zwischen 3-D-Ansicht und Selektionsmenü hin- und auch zurück gewählt wer-

den.

17 von 44

Abb. 5: … zur Haupmaschine.

Abb. 6: … zur Zylinderstation

18 von 44

Abb. 7: … Bedienung der Ventile oder Schalter

Abb. 8: Druckluftstation

19 von 44

Abb. 9: Im rechten unten Bereich „C“-aktiviert (Control) führt zum Leitsystem

Abb. 10: …. hier ist auch die Alarmübersicht verfügbar.

20 von 44

Abb. 11: „D“ führt zurück zur 3-D-Ansicht bzw. der Systemübersicht.

2.2 Maschinenraum mit mittelschnellaufender 4-Takt-Maschine - MED3D v1.4

Abb. 12: Die Funktionalitäten des Maschinenraumes mit mittelschnelllaufender Maschine sind ähnlich.

21 von 44

Abb. 13: Maschinenkonfiguration

2.3 Auxiliary Steam Boiler

22 von 44

2.4 Biological Sewage Treatment Plant

23 von 44

2.5 C.P.Propeller Installation

24 von 44

2.6 Diesel Engine Generators

25 von 44

26 von 44

2.7 Diesel Engines

27 von 44

2.8 Fixed Delivery Pump Steering Gear Inst.

28 von 44

2.9 Variable Delivery Pump Steering Gear

2.10 Fuel Oil Treatment Plant

29 von 44

2.11 Hydrophore Installation

2.12 Marine Diesel Engine Monitoring Systems

30 von 44

2.13 Oily Water Separator

2.14 Comb. Oil Fired and Exhaust Gas Boiler

Loginname erforderlich für den Lernfortschritt, wird beim nächsten Start gelöscht.

31 von 44

2.15 Freshwater Generator

32 von 44

2.16 Marine Pumps

33 von 44

2.17 R.C.S. for MAN B&W LMC engines

2.18 R.C.S. for SULZER RTA Engines

34 von 44

2.19 Refrigeration Plant

35 von 44

2.20 Reverse Osmosis Desalination System

36 von 44

2.21 S-type Separation System

2.22 Electric Power Plant

37 von 44

2.23 Fuel Conditioning Module 3D

2.24 Marine Compressors

38 von 44

2.25 Emergency Power Plant 3D

2.26 Marine Heat Exchangers

39 von 44

2.27 Rotary Vane Steering Gear

2.28 Air Conditioning Plant 3D

40 von 44

2.29 EcoStream

41 von 44

2.30 Freshwater Generator 3D

42 von 44

2.31 Hydrophore Installation 3D

43 von 44

2.32 Marine Hydraulic Machinery

2.33 Refrigeration Plant 3D

44 von 44

A3 Formatvorgaben für den Erfahrungsbericht

1. Überschrift/behandeltes Thema

2. Datum und Namen der Teilnehmer

3. Erfahrungsbericht

Screenshots und Bewertungskommentare zur Lernsoftware/CBT

Erfahrungsberichte zur Bedienbarkeit und zur Qualität der Lernplattform

Empfehlungen für zukünftige Lerngruppen

Verbesserungsvorschläge für diese Handlungsanweisung und zukünftige Planungen.

…

4. Zusammenfassung/Bewertung