70-tonns gripearmer sørger for skånsom og pålitelig håndtering av fundamentrør på inntil 700 tonn, 75 meters lengde og diameter opptil 7,5 meter.
70-tonns gripearmer sørger for skånsom og pålitelig håndtering av fundamentrør på inntil 700 tonn, 75 meters lengde og diameter opptil 7,5 meter.

Styrer 70-tonns gripearmer

Å bygge offshore vindmøllefarmer innebærer å drive brede, 65 meter lange stålrør ned i havbunnen.

Tekst: Pawel Majecki, Industrial Systems and Control (ISC)

Foto: Houlder Ltd.

Spesialiserte oppjekkbare skip med store kraner frakter og senker disse fundamentrørene ned i vannet før de hamres ned i havbunnen ved vanndybder opp til 40 meter.

Holder fundamentrør vertikalt

Rørene tjener som fundament for selve tårnet til vindturbinen.

Å holde rørene vertikale samtidig som de drives ned av en hydraulisk hammer, er en stor utfordring, spesielt ved sterk strøm og store bølger. Når fundamentrørene er på plass er det ekstremt kostbart å justere eventuelle unøyaktigheter. Da må røret opp igjen, justeres og drives ned på nytt. Dagsprisen for et installasjonsfartøy er en vesentlig kostnad for industrien, så det å redusere forsinkelser er et viktig argument for tekniske forbedringer.

Utviklet nytt kontrollsystem

Løsningen på denne utfordringen er et gripeverktøy for fundamentrør. Det kalles Pile Gripper Arms (PGA). Verktøyets gripearmer holder og opprettholder fundamentrørets vertikale posisjon mens det drives ned i havbunnen.

Houlder Ltd. utviklet gripearm-konseptet og det mekaniske designet for offshorefartøyet MPI Discovery, med støtte fra MPIC og MPI Offshore vessel management. ISC har utviklet et nytt kontrollsystem for PGA ved å bruke National Instruments konfigurasjonsverktøy Labview og hardwareplattformen CompactRIO.

Rør på 700 tonn

 

De hydrauliske gripearmene hjelper til med å håndtere de store fundamentrørene som kan veie opp til 700 tonn, være 75 meter lange og ha en diameter på 7 meter. På grunn av størrelsen på de mekaniske delene, er det ikke mulig å montere gripearmene i fabrikken.

En detaljert software-emulator måtte utvikles for å undersøke effekten av å bruke responskontroll i parallell med hydrauliske motvektventiler, noe som er en potensiell kilde til reguleringsproblemer.

Varsom håndtering

Så snart algoritmen var testet i emulatoren, ble igangsetting og testing av tilgjengelige deler i det virkelige systemet gjort på fabrikken, mens deler som ikke var med, ble simulert. Dette ble gjort for å undersøke ytelsen til de individuelle sylinder-kontrollsløyfene, samt hele X-Y-bevegelsen.

Kontrollsystemet må hindre at gripeklørne ødelegger fundamentrøret. En forhåndsbestemt, minimum gripeåpning overvåkes til enhver tid. På grunn av den fysiske størrelsen på systemet kunne det endelige kontrollsystemet bli testet først når det var installert ombord på fartøyet.

Styring med joystick

Gripearmenes kontrollsystem, utviklet for å sikre en pålitelig utplassering, oppbevaring og posisjonering av gripearmene i horisontalplanet, manøvreres via en joystick på operatørens bærbare kontrollpanel.

Det komplette kontrollsystemet for gripearmene er utviklet med LabVIEW, NI CompactRIO hardware og en touchpanel-pc. Det er godkjent av Det Norske Veritas (DNV) for sikkerhet, EMC (elektromagnetisk kompabilitet), og drift i maritime miljøer.

Avansert algoritme

 

ISC utviklet en algoritme ved å kombinere forover- og bakover-bevegelser i begge gripearmer for å beregne lengden på de hydrauliske sylindrene. Dette er nødvendig for å få armene til å bevege seg i ønsket retning.

En enkel, PI-regulering (proporsjonal-integral) minimerte feil i sylinderens posisjon. Logikk for begrensningshåndtering sørget for riktig oppførsel i grenseland for driftsområdet, la til rette for tilbaketrekking av armen for oppbevaring, og begrenset minste tillatte gripeåpning for å hindre skade på fundamentrøret.

Vellykket prøve til havs

Så snart gripeverktøyet og softwaren var installert og godkjent ombord på MPI Discovery, gikk ferden mot Humber Gateway Offshore Wind Farm (den synlige, gule basen på vindturbiner til havs) for å installere fire fundamentrør og overgangsstykker. Denne vindmøllefarmen ligger 8 km fra kysten nær Grimsby i England, i en dybde på opp til 18 meter. Anlegget vil bestå av 73 turbiner når det er ferdig i 2015.

Ingeniører fra ISC var tilstede under den vellykkede installasjonen av de to første fundamentrørene, noe som krever at gripearmene jobber med å posisjonere rørene og holde dem vertikale under hele operasjonen, som kan ta flere timer.

Kontrollsystemet ble designet fra bunnen til endelig prøve-sjøsetting i løpet av noen få måneder.

Presisjonskontroll

Da den vellykkede implementeringen av gripearmsystemet ble diskutert, slo Frederic Perdrix, teknisk sjef hos Houlder, fast at resultatet kombinerer kraftige mekaniske strukturer, mekanisk- og hydraulisk ingeniørarbeid med presisjonskontroll.

- Systemet leverer nok datakraft til våre kontroll- og kinematikkberegninger, i tillegg til forutsigbarheten og påliteligheten som kreves i vår sikkerhetskritiske operasjonslogikk.

Gripearmene jobber nå på regelmessig basis med virkelige fundamentrør og under virkelige havforhold.