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
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.”