Realistisch ontwerpen voor offshore

Nu windturbines steeds verder op zee komen te staan wordt ook de engineering stukken moeilijker. Vooral als het gaat om de hijstechniek. Met Model Based Engineering kunnen proeven ook via simulatie worden uitgevoerd.

Model Based Engineering (MBE) stond centraal tijdens een gebruikersdag voor de offshoresector, in juni in Rotterdam. Vier bedrijven die MBE gezamenlijk omarmen lieten op die dag zien hoe je met MBE complexe nieuwe toepassingen kan ontwikkelen. Deze vier zijn High Wind, Controllab, Bachmann, en Bakker Sliedrecht. High Wind ontwikkelde de ‘Boom Lock’, een systeem dat gemonteerd wordt op een kraan en toestaat windturbines te plaatsen in hogere windsnelheden. Voor ondersteuning van deze ontwikkelingen deed High Wind beroep op specialisten op het gebied van besturingssystemen, modelvorming en simulatie. Voor deze laatst moeten we zijn bij Christian Kleijn. Kleijn is de oprichter en directeur van Controllab, een spin-off van de Universiteit Twente, gestart in 1995 en inmiddels uitgegroeid tot een ontwikkelbedrijf met tien hoogopgeleide engineers.

Wat is MBE?
Wat is Model Based Engineering? Christian Kleijn: “Model Based Engineering of MBE moet je zien als extra gereedschap in het ontwerpproces. Essentieel bij MBE zijn de modellen en simulaties. Deze beschrijven het dynamische gedrag van elektrische, mechanische en hydraulische systemen. In het vroege voorontwerp worden deze modellen vooral gebruikt om alternatieven voor het ontwerp te vergelijken en specificaties te verfijnen. Tijdens het detailontwerp wordt meer gekeken naar het doorrekenen van belastingen, optimalisatie van het systeem en stabiliteit van de besturing. In de latere fasen van het ontwerp leggen we de nadruk op het testen van de specificaties. Via simulaties kunnen we allerlei scenario’s doorrekenen en die vergelijken met de gewenste uitkomsten. Bij Hardware-in-the-Loop of HIL-simulatie bijvoorbeeld, koppelen we een geïmplementeerde besturing aan een simulatie van het mechanische systeem. Door deze HIL-simulatie te koppelen met 3D-animatie en een handmatige bediening kan je bijvoorbeeld een trainingssimulator ontwikkelen. Waarmee je dan weer operators kan opleiden, maar ook testen.”

 

Argumenten voor MBE

• Tot zover het principe. Hoe en waarom werk je in de praktijk met MBE? Kleijn: “Neem als voorbeeld de ontwikkeling van de Boom Lock. De Boom Lock is in feite een mechanisme waarmee je een hijsblok van een kraan fixeert aan de giek. Even voor het goede begrip: we hebben het over een hijsblok van 2,50 meter hoog, 3 meter breed en een gewicht van twintig ton. De kraan zelf staat op een ponton dat ook kan varen en hijst van daaruit de onderdelen van de mast en de rotorbladen tot een hoogte van 80 meter. Als je een veilige hijsbesturing voor zoiets wil ontwikkelen, is simulatie veel aantrekkelijker dan enkel praktijktesten op volle zee. Alleen al de veiligheidsrisico’s en de arbeidskosten zijn een voldoende argument ten gunstige van MBE.
• Een tweede argument is de extreem korte doorlooptijd van een project met MBE, in vergelijking met de conventionele aanpak dan. MBE kun je op elk moment uitvoeren; praktijktesten op zee zijn alleen mogelijk bij ideale weersomstandigheden. En die zijn er op de Noordzee zelden. De druk vanuit de opdrachtgever om nieuwe oplossingen steeds sneller te ontwikkelen, heeft ook te maken met de harde concurrentie in de markt. Wie eerder met een nieuwe oplossing op de markt komt kan namelijk ook een betere prijs vragen. De druk is dus groot. MBE maakt simulaties mogelijk die praktijkproeven overbodig masken en versnelt daarmee de productontwikkeling.
• Mijn derde argument is dat we dankzij MBE High Wind konden assisteren bij het ontwikkelen van een oplossing waar de offshore-sector ook echt behoefte aan heeft. Met de Boom Lock kan het hijsbedrijf namelijk veel langer doorwerken bij harde wind. Zonder Boom Lock lig de maximale windsnelheid bij hijswerk voor windturbines bij 10-12 m/s. Dat betekent dat in slechts 30% van het jaar gewerkt kan worden. Een verhoging van de maximaal toelaatbare windsnelheid naar 12 m/s betekent echter dat er 50% van de tijd gewerkt kan worden. Voor het hijsbedrijf betekent zoiets een enorme reductie van verloren uren. Op dit moment laat het gebruik van de Boom Lock een maximale windkracht toe van maar liefst 15 m/s. Voor de landrotten onder ons: windkracht 7 ligt tussen 13,9-17,1 m/s. Het grote voordeel van de Boom Lock is dus duidelijk: met de zelfde kraan kan er significant langer en goedkoper gewerkt worden. Een stijging van de veilige werktijd met 25% met de Boom Lock is dus makkelijk haalbaar.De basis is een synchrone besturing van een negen-assige aandrijving, verzorgd door Bachmann PLC’s. Deze PLC’s worden trouwens zowel tijdens de simulatie als in de praktijk op zee gebruikt. En natuurlijk ook voor het trainen van de kraanmachinisten.
• Het vierde argument tenslotte heeft te maken met onzekerheid en flexibiliteit, iets dat bij het ontwikkelen van innovatieve oplossingen van groot belang is. En in dit geval werd het systeem ook echt in één jaar van de tekentafel naar de realiteit gebracht! Het probleem is dat in zulke gevallen het ontwerpen van de besturingssystemen simultaan dient te gebeuren met het mechanische ontwerp, en wijzigingen en onduidelijkheden tijdens het ontwerpproces regelmatig voorkomen. De grote vrijheid van het werken met modellen komt juist dan goed van pas. Door de eerste modellen goed te bespreken met de opdrachtgever komen die onduidelijkheden snel naar boven en kun je tijdig het ontwikkelproces bijsturen.”

 

Werken volgens Scrum
Werken met MBE biedt dus grote voordelen. Maar hoe gaat dat in de praktijk? Hoe doet Controllab dat zelf? Kleijn: “In plaats van de veel gebruikte watervalmethode hebben wij het project benaderd vanuit de Scrum-methode, een vorm van Agile werken. Scrum werkt met kleine teams waarin iedereen dagelijks in 15 minuten verslag doet van resultaten, blokkades en werkzaamheden voor de komende dag. In die methode ga je er vanuit dat je niet alle data hebt, maar dat je door kleine stappen te zetten toch je doel kan bereiken. Door de regelmatige korte rapportage en het werken in kleine stappen hou je overzicht op de voortgang.

Je start dus met een voorlopig ontwerp met een bescheiden doel en stelt dat doel stap voor stap bij. Zo werk je toe naar een hoger niveau. Ook de simulatiemodellen van de Boom Lock hebben we ontworpen in kleine stappen. De start was een voorlopig mechanisch ontwerp met een berekening van de belasting. We wisten al snel dat de plaats van de catcher, het gedeelte van de Boom lock dat de hijshaak moet opvangen, erg belangrijk was. De simulatie liet ook zien dat het hijsblok tijdens het hijsen door scheeftrek klem kon komen te zitten in de catcher. Vervolgens heeft ons team het gedrag van het hijsblok in verschillende contactmomenten gesimuleerd. Op basis daarvan hebben we met 20-sim berekend waar het hijsblok het eerste contact moet maken met de Boom Lock. parallel hieraan werden door High Wind modeltesten op schaal 1:4 uitgevoerd. Door de wisselwerking tussen model en werkelijke beproeving ontstond een optimaal ontwerp.”

 

Hijsen vanuit beeldschermen
“Ook de bediening van de hijskraan door de machinist hebben we gesimuleerd. Net zoals de positie van de vier camera’s boven de Boom Lock. Omdat het hijsen zich afspeelt op 70 meter hoogte heeft die machinist een beperkt zicht. De kraan wordt verder bediend met drie joysticks. Eentje dient  voor het op- en aftoppen van de giek, de tweede voor het hijsen van het hijsblok, en de derde voor het draaien van de last. Daarnaast heeft de machinist de beschikking over een beeldscherm met allerlei informatie over de kraan.

Belangrijk is de procedure waarbij het hijsblok in de catcher wordt gehesen. De catcher is een balkenconstructie die vast zit aan de giek en verbonden is aan een rail. De catcher kan net als de last omhoog en omlaag gehesen worden. Maar ook een horizontale verplaatsing van voren naar achteren is mogelijk. Deze verplaatsing is mogelijk zonder de giek van de kraan te bewegen. Een belangrijk onderdeel van de catcher zijn verder twee parallel geplaatste lepels of  balken waartussen het hijsblok wordt gehesen. Het hijsblok wordt echter pas gefixeerd wanneer het in een conisch gevormde uitsparing tussen vier stalen platen wordt gehesen. Deze conische vorm voorkomt dat het hijsblok tijdens het hijsen gaat scheefhangen of zelfs geklemd kan raken. Tevens is het hijsblok voorzien van twee massief stalen balken die passen in uitsparingen in de Boom Lock. Zowel voor de hijsbeweging als de synchronisatie van de tuidraden van de catcher werd een automatische regeling ontwikkeld. De verplaatsing van het hijsblok wordt volledig geregeld via de joystick.”

 

De stand van zaken
En wat is nu de stand van zaken? Kleijn: “De boom Lock is succesvol geïnstalleerd, voorzien van de besturing en getest. Inmiddels zijn er deze zomer 15 windturbines succesvol met de Boom Llock geplaatst. Wat mij zeer positief stemt is dat de machinisten het systeem volop gebruikt hebben en er goed mee overweg kunnen. In de praktijk zie je vaak dat een nieuwe technologie niet snel omarmd wordt door de gebruikers ter plekke. Dat hebben we hier kunnen voorkomen door al tijdens het ontwerp machinisten te laten oefenen op de trainingssimulator. Hun inbreng hebben we gebruikt om het systeem te verbeteren, waardoor het in de praktijk veel makkelijker geaccepteerd is.”