Steuerung von 70 Tonnen schweren Greiferarmen zur Errichtung von Offshore-Windkraftanlagen mithilfe von NI LabVIEW und NI CompactRIO

"Die Kombination aus LabVIEW und CompactRIO lieferte die Rechenleistung für die maschinennahe Steuerung und die Berechnungen der Kinematik mit dem Determinismus und der Zuverlässigkeit, die für unsere sicherheitskritische Funktionslogik nötig waren."

- Pawel Majecki, Industrial Systems and Control

Die Aufgabe:

Erstellung eines intuitiven, zuverlässigen Systems für den Einsatz, die Positionierung und das Verstauen hydraulischer Greiferarme, die für die Installation der Monopiles (Bestandteile der Fundamente von Offshore-Windkraftanlagen) verwendet werden

Die Lösung:

Entwicklung eines integrierten Steuersystems, das ein NI-CompactRIO-System und die Software NI LabVIEW verwendet, um Datenerfassung in Echtzeit, Überwachung und einen Positionssteueralgorithmus auszuführen

 

Bei der Errichtung von Offshore-Windparks müssen 65 Meter lange, aus Stahl gefertigte Monopiles mit großem Durchmesser in den Meeresboden gerammt werden. Spezielle Hubschiffe (Jack-up-Schiffe) verfügen über große Kräne, die die Pfähle befördern und ins Wasser absenken, bevor sie diese in Tiefen von bis zu 40 m in den Meeresboden rammen. Die Pfähle dienen dann als Fundament für die Installation der Türme. Von entscheidender Bedeutung ist es, den Pfahl senkrecht zu halten, während er mithilfe eines Hydraulikhammers eingerammt wird. Bei starken Strömungen und Wellen ist dies besonders schwierig. Nachdem die Pfähle einmal eingebracht wurden, ist eine Korrektur von Abweichungen der Monopile-Position extrem kostspielig und erfordert ihr vollständiges Entfernen und erneutes Einrammen. Die Tagesraten für das Chartern von Installationsschiffen sind ein sehr bedeutender Kostenfaktor in der Branche. Daher ist das Reduzieren von Verzögerungen ein wichtiges Kriterium für technische Verbesserungen.

 

Die Lösung für dieses Problem ist ein Pfahlführungswerkzeug („Pile Gripper Arms“, PGA, in Abbildung 1). Dieser Pfahlgreiferarm hält und sichert die vertikale Position des Pfahls während der Rammarbeiten. Houlder Ltd entwickelte das Greiferkonzept und den mechanischen Entwurf. Dabei wurde das Unternehmen von der Schiffsverwaltung der Firmen MPIC und MPI Offshore für das Offshore-Schiff MPI Discovery tatkräftig unterstützt.

 

Nach der erfolgreichen Umsetzung einer hydraulisch stabilisierten Zugangsbrücke zu Offshore-Windkraftanlagen war ISC von Beginn des Projekts an beteiligt. Zu Beginn bewerteten wir mittels dynamischer Simulationen, inwieweit zusätzliche Regelung parallel zu hydraulischen Ausgleichsventilen zur Erhöhung der Positionsgenauigkeit des Gesamtsystems beitragen kann. Die Steuerungssoftware implementierten wir unter Einsatz der Software NI LabVIEW und des LabVIEW Real-Time Module, des LabVIEW FPGA Module, des LabVIEW MathScript RT Module und des LabVIEW Touch Panel Module. Vor der Verbindung mit dem eigentlichen System haben wir die Funktionalität der Algorithmen mithilfe eines detaillierten Softwareemulators gründlich getestet.

 

Anschließend führten wir die Werksinbetriebnahme und Tests mit den verfügbaren Teilen des echten Systems durch. Nicht vorhandene Teile wurden dabei simuliert. In dem Rahmen untersuchten wir die Leistungsfähigkeit der einzelnen Zylinderregelkreise sowie die gesamte Bewegung entlang der x-y-Achse. Aufgrund der Größe der mechanischen Bauteile konnten wir die Greiferarme im Werk nicht vollständig zusammenbauen. Deshalb stellten wir das erwartete Gesamtverhalten mithilfe des Emulators virtuell dar. Darauf folgten Aufbau und Tests auf dem Schiff und kurz danach erfolgreich verlaufende Probefahrten.

 

Pfahlgreiferarme

Die hydraulisch angetriebenen Greifer unterstützten die Handhabung großer Monopiles, die ein Gewicht von bis zu 700 Tonnen erreichen, 75 Meter lang sind und einen Durchmesser von 7 Metern haben.

 

Drei Haupthydraulikzylinder bewegen einen Greiferarm. Ein Zylinder wird aus der verstauten Position (vertikal) angehoben und abgesenkt und die zwei anderen erlauben Bewegungen entlang der x-y-Achse. Wir können die Arme einzeln oder synchron lenken und so die vertikale Neigung des Pfahls justieren.

 

Das Steuersystem muss unbedingt verhindern können, dass die Backen des Greifers den Pfahl zerdrücken. Darum ist eine Auflage über einen voreingestellten Mindestspalt jederzeit einzuhalten. Eine zusätzliche Herausforderung war die unglaubliche Größe des Systems. Siebzig Tonnen schwere Arme bewegen in der Regel einen 630 Tonnen schweren Pfahl. Das hieß also, dass wir das endgültige Steuersystem nur komplett testen konnten, nachdem es vollständig auf dem Schiff installiert war.

 

Komponenten für das Steuersystem

Wir entwickelten das Steuersystem für den Greiferarm (GACS), damit ein zuverlässiger Einsatz, die Lagerung und die Positionierung der Greifer auf horizontaler Ebene über einen Joystick sichergestellt sind, den der Bediener in einem mobilen Bedienpanel vor sich trägt.

 


 

Mit LabVIEW und der Hardware NI CompactRIO entwickelten wir das vollständige systemübergreifende Steuersystem für den Greiferarm. Wir entwarfen einen Algorithmus, der die direkte und die inverse Kinematik beider Greiferbacken kombinierte, um die Längen des Hydraulikzylinders zu berechnen, die für die Bewegung des Arms in eine bestimmte Richtung nötig sind. Eine einfache PI-Regelung verringert Fehler bei der Zylinderposition. Logik zum Umgang mit Einschränkungen sorgt für ein adäquates Verhalten an den Grenzen des Betriebsbereichs, ermöglicht das Einfahren des Arms zum Verstauen und schränkt den erlaubten Backendurchmesser ein, um Schäden am Pfahl zu verhindern.

 


 

Betriebslogik, Überwachungs- und Fehleraktionen werden ebenfalls im CompactRIO ausgeführt. Zugriff besteht über einen Touchpanel-Computer (TPC) mit einem Joystick und einer Reihe von Schaltern und LEDs, die in ein mobiles Bedienpanel integriert sind. Der NITPC, der Windows XP ausführt, wird zu Bereitstellung der GACS-Bedienoberfläche verwendet, die gleichfalls mit LabVIEW erstellt wurde.

 

Der Embedded-Controller CompactRIO ist mit zahlreichen I/O-Modulen (Input/Output) ausgestattet, um eine Schnittstelle zu den Sensoren, Aktoren und dem mobilen Bedienpanel herstellen zu können. Der CompactRIO-Controller wurde von Det Norske Veritas (DNV) in Bezug auf Sicherheits-, elektromagnetische Verträglichkeits- und Umweltvorschriften für Meeresumgebungen zugelassen.

 

Die Struktur der GACS-Software beinhaltet die Hauptechtzeitanwendung, ein FPGA-Programm einschließlich eines Watchdogs, die HMI-Software auf dem Touchpanel-Computer und den PC-basierten Emulator, der nur während der Entwicklung und Inbetriebnahme verwendet wurde.

 

Der Emulator wurde entwickelt, um die Funktionslogik und die Fehlerreaktion vor den echten Werks- bzw. Schiffserprobungen umfassend zu testen. Er wird auf einem Computer ausgeführt, der über Ethernet mit dem CompactRIO-System verbunden ist. Für den Austausch von Daten zwischen dem Emulator und der Hauptanwendung wurden Netzwerk-Umgebungsvariablen definiert. Darüber hinaus ersetzte der Emulator all jene Komponenten, die während des Werkstests nicht physisch vorhanden waren.

 

Funktionen des Steuersystems

Das Steuersystem für den Greiferarm übernimmt den Einsatz und das Verstauen der Arme und nutzt dazu zwei Hydraulikaktoren für Hebebewegungen. Zwei Paar Hydraulikzylinder führen die Steuerung der x-y-Position durch, die der Bediener mithilfe des Joysticks lenkt. Die GACS-Software beinhaltet folgende Funktionen:

 

Inverse Kinematik: Damit werden die Zylinderlängen berechnet, die zur Bewegung der Greiferarme an ein bestimmte Position auf horizontaler Ebene erforderlich sind. Wir implementierten dies zuerst mit MathScript Nodes, später jedoch implementierten wir den Programmcode direkt in LabVIEW, um die Ausführungsgeschwindigkeit zu optimieren.

  • Direkte Kinematik:  Damit werden die einzelnen und die relativen Greiferpositionen überwacht, um Systemeinschränkungen (Bereich und Pfahlspalt) einzuhalten und die Anzeige auf dem Touchpanel-Computer umzusetzen.
  • Echtzeitsteuerung: Sie interpretiert die Bewegungen des Joysticks als vorgegebene Richtung und Geschwindigkeit der Armbewegung. Dieser „Geschwindigkeitsbefehl“ wird intern in die Sollwerte der x-y-Position umgerechnet. Dazu werden inverse Kinematik und die aktuellen x-y-Positionen der Arme herangezogen. Die Sollwerte werden in ihrer Geschwindigkeit begrenzt und anschließend über inverse Kinematik in die entsprechenden Zylinderlängen umgerechnet, wobei ihre Unter- und Obergrenzen berücksichtigt werden. Zum Schluss verarbeiten die dynamischen Regler für die einzelnen Zylinderlängen (PID-Regler) die Steuersignale, um für den Antrieb der entsprechenden hydraulischen Servoventile zu sorgen. Die Regler für die einzelnen Zylinder bieten zudem Pfade zur Verbesserung der Nachverfolgungsleistung. Dadurch können auch unterschiedliche Verstärkungen für das Aus- und Einfahren der Zylinder angewendet werden.
  • Betriebsfunktionen: Sie sind als Codearchitektur des LabVIEW-Zustandsautomaten implementiert, die verschiedene Betriebsmodi und untergeordnete Betriebsfunktionen (Initialisierung, inaktiv, einsetzen/verstauen, einzelner Arm, synchron) ermöglicht.
  • Überwachung: Sie erlaubt die umfangreiche Überwachung von Analog-I/O, Digital-I/O und internen Zuständen, und Berechnungen stellen sicher, dass Fehler abgefangen werden sowie eine zügige und geeignete Reaktion erfolgt, ob in Form eines an den Bediener gerichteten Alarms oder eines durch das System ausgelösten Not-Aus. Eine externe Sicherheitsrelaisschaltung reagiert auf externe Not-Aus-Schalter und auf Fehler, die vom Steuersystem für den Greiferarm ausgelöst werden.
  • Watchdog-Timer: Er löst automatisch einen Nothalt aus, sollte die Embedded-Steuerungssoftware nicht mehr reagieren. Dies implementierten wir mithilfe des FPGAs auf dem CompactRIO-Controller, um für einen Betrieb mit hoher Integrität zu sorgen. Ein zweiter Watchdog überwacht die Netzwerkverbindung zwischen dem CompactRIO-System und dem Touchpanel-Computer.
  • Bedienoberfläche: Sie ist als eigenständig ausführbare LabVIEW-Datei ausgelegt, die auf dem Touchpanel-Computer ausgeführt wird, und bietet einen integrierten Joystick sowie diverse Schalter und LEDs. Der Touchpanel-Computer kommuniziert über Umgebungsvariablen via Ethernet mit der CompactRIO-Steuerungssoftware.

 

Ergebnisse der Probefahrten

Sobald der Greiferarm und die zugehörige Software auf der MPI Discovery installiert und in Betrieb genommen waren, machte sich das Schiff auf den Weg zum Windpark Humber Gateway Offshore Wind Farm, wo die vier Monopiles und die Übergangsstücke (das sichtbare, gelbe Fundament von Offshore-Windkraftanlagen) installiert werden sollten. Dieser Windpark befindet sich 8 km vor der Küste nahe Grimsby (UK), in Wassertiefen von bis zu 18 m. Der Standort soll bei der Fertigstellung 2015 73 Windräder umfassen.

 


 

Ingenieure von ISC waren bei der erfolgreichen Errichtung der ersten zwei Monopiles vor Ort. Dabei muss der Greiferarm die Pfähle für das langwierige Rammen positionieren und senkrecht halten, was mehrere Stunden dauert.  Das System funktionierte gut und entsprach den Erwartungen aus den Werksprüfungen. Nur wenige Einzelheiten mussten am Tag selbst noch genauer abgestimmt werden.

 

Schnelle Entwicklung, flexible Oberfläche

Die Entwicklung des Steuersystems war sehr erfolgreich. Wir konnten in nur wenigen Monaten von einem leeren Blatt Papier zur Implementierung, zur Werksprüfung und schließlich zur erfolgreichen Erprobung auf See übergehen.

 

While discussing the successful implementation of the Gripper Arm system, Frederic Perdrix, Chief Technical Officer at Houlder, stated “the result combines heavy duty structural, mechanical and hydraulic engineering with precision control”.

 


 

Die Kombination aus LabVIEW und CompactRIO lieferte die gesamte Rechenleistung für die maschinennahe Steuerung und die Berechnungen der Kinematik mit dem Determinismus und der Zuverlässigkeit, die für unsere sicherheitskritische Funktionslogik nötig waren. Durch ihre geringe Größe und den allgemein geringen Stromverbrauch des CompactRIO und der Touchpanel-Computerbildschirme eignen sie sich gut für die Meeresumgebung und bieten eine sehr flexible Schnittstelle zur für diese Anwendung erforderlichen I/O.

 

Der Greiferarm arbeitet jetzt mit echten Monopiles und unter Bedingungen auf See.

 

 

Informationen zum Autor:

Pawel Majecki
Industrial Systems and Control
Culzean House, 36 Renfield Street
Glasgow G2 1LU
United Kingdom
Tel: 0141 225 0124
pawel@isc-ltd.com

Abb. 1: CAD-Konzept des Pfahlgreifers von Houlder Ltd
Abb. 2: Steuerung der Greiferarme über ein mobiles Bedienpanel
Abb. 3: Hauptsteuerschrank mit CompactRIO
Abb. 4: Positionierung des ersten Monopiles im Windpark Humber Gateway Wind Farm
Abb. 5: Pfahlgreiferarme auf dem Schiff MPI Discovery (Quelle: Houlder)