een secundaire hydraulische regeling voor een heave

2012

Een secundaire hydraulische regeling

voor een heave compensation systeem

Auteur: J. de Bruin

Verslag van de afstudeeropdracht

uitgevoerd bij Hycos B.V.

In het kader van het eindexamen

aan de opleiding Mechatronica

06-06-2012

Begeleiders Hycos De heer L. van Leeuwen De heer C. Veroude Begeleider Avans De heer F. Boon

Een secundaire hydrauliek regeling voor een heave compensation systeem

Johan de Bruin

Print datum/tijd: 6-6-2012 10:55 1

Contactgegevens

Bedrijfsgegevens: Hycos Lissenveld 69 4941 VL Raamsdonksveer (0162) 58 2323 [email protected] Bedrijfsbegeleiding: Hydraulisch:

S. van Leeuwen(Sander) (0162) 751 259 [email protected] Elektrisch: C. Veroude(Corne) (0162) 751 182 [email protected] Onderwijsinstelling: Avans Hogeschool

Academie voor Technologie en Management

Adres: Lovensdijkstraat 61-63 4818AJ Breda Receptie (076) 525 05 00

Postadres: Avans Hogeschool Postbus 90.116 4800 RA Breda

Hogeschoolbegeleiding: F. Boon(Frie) [email protected] Student: J. de Bruin(Johan) Coreanna 21 4191 DA Geldermalsen (06) 316 444 54 [email protected]

mailto:[email protected]






Johan de Bruin


Voorwoord

Deze scriptie is tot stand gekomen naar aanleiding van het afronden van mijn opleiding Mechatronica aan de Avans Hogeschool te Breda. Hycos B.V. heeft mij de kans gegeven om gedurende een ruim half jaar onderzoek te verrichten naar een secundaire hydrauliek regeling voor een heave compensation systeem. Het opstellen van mijn scriptie is goed verlopen dankzij de prettige samenwerking met mijn begeleiders van Hycos en Avans Hogeschool en de nuttige feedback die zij gegeven hebben. Mijn kennis en vaardigheden die ik de afgelopen jaren tijdens mijn studie en bij Hycos heb opgedaan zijn in de praktijk toegepast. Deze scriptie is opgesteld voor Hycos waarbij het onderzoek en opgestelde aanbevelingen van toepassing zijn op het heave compensation systeem. Daarnaast wordt mijn scriptie beoordeeld door Avans Hogeschool in het kader van het afronden van mijn opleiding. Mijn dank gaat uit naar Hycos voor het bieden van een afstudeeropdracht en naar alle medewerkers die geholpen hebben tijdens het project. In de eerste plaats vanwege hun bijdrage aan mijn project en in de tweede plaats vanwege het beschikbaar stellen van de benodigde informatie, middelen en tijd. Graag wil ik mijn praktijkbegeleiders de heer van Leeuwen en de heer Veroude bedanken voor hun begeleiding en advies gedurende mijn afstudeerperiode. Ook mijn begeleider vanuit Avans, de heer Boon, wil ik bedanken voor de begeleiding en beoordeling. Tenslotte bedank ik mijn vriendin, ouders, broers en vrienden voor hun steun en feedback gedurende de moeilijkere momenten tijdens mijn afstuderen. Dankzij hun steun heb ik mijn afstuderen tot een goed einde weten te brengen. Raamsdonksveer, 6 juni 2012 Johan de Bruin Student Mechatronica Avans hogeschool, Breda Hycos B.V.


Johan de Bruin


Inhoudsopgave

CONTACTGEGEVENS ......................................................................................................................................... 1

VOORWOORD .................................................................................................................................................. 2

AFKORTINGEN .................................................................................................................................................. 5

SAMENVATTING ............................................................................................................................................... 6

INLEIDING ........................................................................................................................................................ 8

1. ORIËNTATIEFASE .................................................................................................................................... 9

1.1 SITUATIEBESCHRIJVING .............................................................................................................................. 9 1.1.1 Bedrijfskarakteristiek .................................................................................................................... 9

1.1.2 Product, dienst en assortiment ..................................................................................................... 9

1.1.3 Markt(en) ..................................................................................................................................... 9

1.1.4 Het beleid binnen Hycos................................................................................................................ 9

1.1.5 Probleemstelling voor het project ............................................................................................... 10

1.1.6 Projectgrenzen ........................................................................................................................... 10

1.2 DOELSTELLING ...................................................................................................................................... 11 1.2.1 Algemene doelstelling ................................................................................................................ 11

1.2.2 Mijlpalen- ................................................................................................................................... 12

1.3 EISEN (RANDVOORWAARDEN) ................................................................................................................... 12 1.3.1 Externe voorwaarden ................................................................................................................. 12

1.3.2 Functionele eisen ........................................................................................................................ 12

1.3.3 Bedrijfseigen beperkingen .......................................................................................................... 13

1.3.4 Risicoanalyse .............................................................................................................................. 13

1.4 KWALITEITSBEWAKING ............................................................................................................................ 13 1.5 TIJD (PLANNING).................................................................................................................................... 13 1.6 GELD .................................................................................................................................................. 14

2. DE DEFINITIEFASE ................................................................................................................................ 15

2.1 GOLVEN .............................................................................................................................................. 15 2.1.1 De golfdeining op zee: ................................................................................................................ 15

2.1.2 Bewegingen van het schip door golven ....................................................................................... 17

2.2 DE REGELING ........................................................................................................................................ 18 2.2.1 Voor een heave compensation project ........................................................................................ 18

2.2.2 Blokdiagram regeling ................................................................................................................. 19

2.2.3 Voor de testopstelling ................................................................................................................. 21

2.3 DE HYDRAULIEK ..................................................................................................................................... 22 2.3.1 Onderzoek primair en secundair hydraulisch systeem .................................................................. 22

2.4 DE TESTOPSTELLING ................................................................................................................................ 23 2.5 DE TE GEBRUIKEN COMPONENTEN VOOR TESTOPSTELLING: ............................................................................... 23

2.5.1 Mechanisch ................................................................................................................................ 24

2.5.2 Hydraulisch: ............................................................................................................................... 24

2.5.3 Elektrisch .................................................................................................................................... 26


Johan de Bruin


3. DE ONTWIKKELFASE ............................................................................................................................. 27

3.1 KEUZE VAN DE TESTOPSTELLING ................................................................................................................. 27 3.2 MECHANISCH SYSTEEM............................................................................................................................ 27

3.2.1 De lier ........................................................................................................................................ 27

3.2.2 Het bouwen van het systeem ...................................................................................................... 29

3.3 HYDRAULISCH SYSTEEM ........................................................................................................................... 30 3.3.1 Accumulator berekening ............................................................................................................. 30

3.3.2 Uitleg secundair hydraulische schema ......................................................................................... 31

3.3.3 Het aansluiten van het hydraulisch systeem ................................................................................ 33

3.4 ELEKTRISCH SYSTEEM .............................................................................................................................. 33 3.4.1 Elektrische schema’s ................................................................................................................... 33

3.4.2 Elektrische informatie ................................................................................................................. 34

3.4.3 Het aansluiten van het elektrisch systeem ................................................................................... 35

3.5 DE REGELING ........................................................................................................................................ 35 3.6 SOFTWARE PROGRAMMA ......................................................................................................................... 35

4. DE TESTFASE ........................................................................................................................................ 36

4.1 HET TESTEN VAN HET SYSTEEM .................................................................................................................. 36 4.1.1 Inleiding ..................................................................................................................................... 36

4.1.2 Mechanisch/hydraulisch testen................................................................................................... 36

5. CONCLUSIE & AANBEVELINGEN ........................................................................................................... 49

5.1 CONCLUSIE ........................................................................................................................................... 49 5.2 AANBEVELINGEN.................................................................................................................................... 50

6. LITERATUUR ......................................................................................................................................... 51

7. BIJLAGEN ............................................................................................................................................. 52


Johan de Bruin


Afkortingen

ATEX ATmosphères EXplosives, dit is een Franse benaming die als synoniem wordt

gebruikt voor twee Europese richtlijnen op het gebied van explosiegevaar onder

atmosferische omstandigheden.

B.V. Besloten Vennootschap, rechtspersoon waarvan het maatschappelijk kapitaal in

aandelen is verdeeld die niet vrij overdraagbaar zijn (aandelen staan op naam).

CAN Controller Area Network, is een standaard voor een seriële data bus.

CAO Collectieve Arbeidsovereenkomst, is een contract waarin zaken zijn geregeld zoals

de hoogte van het salaris, vakantiedagen, overwerk en pensioen.

CCW Counter Clock Wise, draairichting tegen de klok in.

CG Center of Gravity, dit is het zwaartepunt.

CW Clock Wise, draairichting met de klok mee.

DNV Det Norske Veritas, dit is een classificatiebureau en aanbieder van

risicomanagement diensten.

Hycos Hydraulics & Control Systems, ontwerpen, ontwikkelen, produceren en assembleren

van industriële- en besturingssystemen ten behoeve van hydraulische installaties.

mh Mechanisch-hydraulisch, deze afkorting wordt gebruikt bij een mechanisch-

hydraulisch rendement.

MKB Midden- en Kleinbedrijf, hiermee worden in het algemeen ondernemingen tot 250

werknemers bedoeld.

MP Measure Point, dit is de positie waar exact gemeten moet worden

MRU Motion Reference Unit, is speciaal ontworpen voor het meten van golfkenmerken in

maritieme toepassingen.

PID Proportioneel, Integrerend en Differentiërend, regelaar voor een procesregeling.

PLC Programmable Logic Controller, een elektronisch apparaat met een microprocessor

dat op basis van de informatie op zijn diverse ingangen, zijn uitgangen aanstuurt.

PWM Pulse With modulation, dit is een signaal waarbij de breedte van de puls wordt

aangepast.

SMART Specifiek, Meetbaar, Acceptabel, Realistisch en Tijdgebonden, voor het eenvoudig

en eenduidig opstellen en controleren van doelstellingen.

LCD liquid crystal display, dit is een plat beeldscherm met een laag energieverbruik.

LVDT Linear Variable Differential Transformer, is een elektromechanische omzetter

waarvan het elektrisch uitgangssignaal rechtstreeks evenredig is met de

verplaatsing van een afzonderlijk beweegbare kern.


Johan de Bruin


Samenvatting

Het onderzoek dat in deze scriptie centraal staat is in opdracht van Hycos B.V. uitgevoerd. Hycos is

een organisatie die zich richt op het ontwerpen, ontwikkelen, produceren en assembleren van

industriële- en besturingssystemen ten behoeve van industriële toepassingen. Met andere woorden

richt Hycos zich op het klant specifiek produceren van hydraulische- en besturingssystemen in de

maritieme sector. Het doel van deze scriptie is om een secundaire hydrauliek regeling voor een

heave compensation te onderzoeken, maken en testen. De probleemstelling die hierbij hoort is:

“Hoe kan er voor Hycos een secundaire hydraulische regeling, voor een hoog-dynamisch systeem,

gerealiseerd worden tegen een acceptabele kostprijs? En hoe verhouden de eigenschappen zich

dan tegenover een primaire hydraulische regeling voor een lier?”

Het probleem wordt behandeld, door alle verschillende onderdelen die met het probleem te maken

hebben te gaan bekijken. Zo wordt eerst bekeken hoe golven ontstaan, en hoe vaak ze

voorkomen. Uit de informatie betreffende windkrachten en de golfeigenschappen die daarbij horen,

worden een aantal sinussen van golven gemaakt. Vanuit de sinussen wordt bekeken wat de

belangrijke punten zijn voor de regeling, waarbij het voor de regeling het moeilijkst zal zijn. De

snelheid van de regeling is erg belangrijk. Daarbij moet gekeken worden naar de reactietijd van de

componenten die het systeem zullen moeten gaan regelen. Hierdoor wordt duidelijk dat de

componenten die een goede reactie tijd hebben dure componenten zijn. Deze componenten passen

niet in het plaatje om tegen een acceptabele kostprijs een systeem te ontwikkelen. Van daaruit

wordt er gekozen voor een onbekend systeem, met een Paker PV046 pomp en een Rexroth

A2FM23 motor, om de lier mee aan te drijven. Theoretisch gezien kan met dit systeem ook door de

“0” worden geregeld. Aan het einde van de definitiefase is er ook besloten om vanwege de

complexiteit van het geheel geen golfgenerator meer te ontwikkelen. Daarna zijn de componenten

bepaald voor de testopstelling bestaande uit een lier met een motorcombinatie.

Nadat alle componenten bepaalt waren, is er begonnen met het ontwikkelen van de testopstelling.

Aan de hand van de componenten die gebruikt zouden worden voor te testopstelling, is de

maximale snelheid van de lier berekend. Aan de hand daarvan is bepaald, met welke golfhoogte en

periodetijd er getest zal gaan worden. Na de snelheid wordt ook de maximale versnelling van de

golf uitgerekend. Door ook de maximale versnelling van de testopstelling te berekenen, kan er

gecontroleerd worden of deze de golf qua versnelling kan volgen. De versnelling van de

testopstelling wordt berekend aan de hand van de motorcombinatie, de lier en massatraagheden.

Hieruit blijkt dat de versnelling duidelijk niet de beperkende factor is. Daarna is de testopstelling

aan de hand van aangepaste en gemaakte onderdelen mechanisch opgebouwd. Voor het

hydraulische gedeelte is een accumulator berekening uitgevoerd om te bekijken hoeveel liter er

beschikbaar is bij een bepaalde minimum en maximum druk. Het hydraulisch schema is in stukken

uitgelegd, waarna het hydraulisch systeem is aangesloten aan de hand van hydraulisch schema.

Voor het elektrisch systeem zijn schema’s ontworpen om een kast te kunnen bouwen met alle

componenten. Om beter te begrijpen hoe de aansturing van de slagplaat werkt, is uitgelegd hoe

een PWM signaal werkt, waarna het elektrisch systeem, aan de hand van de elektrische schema’s is

aangesloten.

Nadat er is begonnen met de testfase, is eerst de LVDT sensor van de Parker PV046 pomp

afgesteld omdat deze verkeerde waarden teruggaf naar het WEST programma. Na verder testen

kwamen de volgende twee problemen naar voren:

1. De slagplaat blijft af en toe tijdens het regelen “hangen”.

2. Het systeem heeft een hele grote dode band.

Voor het blijven hangen van de slagplaat is getest met verschillende systeem drukken en externe

drukken. Ook is de interne werking van de pomp bekeken om de oorzaak van dit probleem

theoretisch te bepalen. Uiteindelijk bleek praktisch gezien dat als de externe druk 40 bar hoger is

dan de systeemdruk, dat de slagplaat dan niet meer bleef “hangen”. Theoretisch is het niet gelukt


Johan de Bruin


om het probleem te onderzoeken, daar er niet voldoende informatie over de PV046 bleek te zijn.

Het tweede probleem met de dode band is ook onderzocht. Hiervoor zijn eerst de exacte punten

bepaald waar de slagplaat bleef hangen. Daarna zijn de wrijvingskoppels van de verschillende

componenten bepaald, maar daar bleek het probleem niet in te zitten. Er bleek teveel hydraulische

kennis voor nodig om dit probleem nog te onderzoeken. Uiteindelijk is er nog geprobeerd om met

een software regeling het dode band probleem weg te werken. Dit had echter ook geen resultaat.

Als laatste volgt er nog een conclusie met daarbij een aantal aanbevelingen voor de toekomst. In

de conclusie wordt besproken dat een groot gedeelte van de doelstellingen niet is behaald, door de

problemen die naar voren zijn gekomen in de testfase. De oorzaak hiervan is, dat er voor systeem

gekozen is wat een acceptabele kostprijs had, waarbij niet bekend was of het wel daadwerkelijk

geschikt was voor dit systeem. In de aanbevelingen wordt kort uitgelegd hoe het in de toekomst

verder moet met het ontwikkelen van het systeem. Hierbij staat het oplossen van de problemen die

uit de testfase naar voren zijn gekomen voorop. Zo is het nog belangrijk om theoretisch het

probleem te onderzoeken waarom de slagplaat blijft “hangen”, en wordt er nog een test uitgelegd

waarmee hydraulisch het probleem van de dode band verder uitgezocht kan worden. Een derde

aanbeveling, voor als de problemen zijn verholpen, is het goed verdiepen in de positieregeling met

de snelheid als feed forward.-


Johan de Bruin


Inleiding

Deze scriptie staat in het teken van een ontwikkeling in het belang van Hycos. De geformuleerde

probleemstelling vanuit de oriëntatiefase staat centraal gedurende het onderzoek. De

probleemstellig luidt: “Hoe kan er voor Hycos een secundaire hydraulische regeling, voor een hoog-

dynamisch systeem, gerealiseerd worden tegen een acceptabele kostprijs? En hoe verhouden de

eigenschappen zich dan tegenover een primaire hydraulische regeling voor een lier?”

Het doel van deze scriptie is om een secundaire hydrauliek regeling voor een heave compensation

te onderzoeken, te maken en te testen. De resultaten die hieruit voortvloeien zullen in de toekomst

dienen ter ondersteuning voor een werkelijk project. Mijn doelstelling is als volgt geformuleerd: “Ik

wil een secundaire en een primaire hydraulische regeling realiseren tegen een acceptabele

kostprijs, waarmee het verschil in dynamische eigenschappen bepaald kan worden. Waarbij ik, qua

componenten keuze, geholpen wordt door de praktijkbegeleiders (hydrauliek en elektro). Het

resultaat moet aantoonbaar zijn door middel van een testopstelling en het project moet in een

periode van 7 maanden afgerond worden”.

Hoofdstuk 1 is de oriëntatiefase. Hierin wordt als eerste een algemeen beeld geschetst van Hycos.

Verder wordt de probleemsituatie bekeken. Hierin wordt de aanleiding van het onderzoek en de

uiteindelijke probleemstelling toegelicht. Aan de hand van de probleemstelling zal een doelstelling

opgesteld worden. Daarnaast worden ook de afbakening, randvoorwaarden, kwaliteitsbewaking en

voorcalculatie toegelicht.

Hoofdstuk 2 is de definitiefase. Het doel van deze fase is om te definiëren, dus bepalen, wat

belangrijk is om te weten, voordat er begonnen wordt met de ontwikkeling van een systeem.

Belangrijke punten die hierin zullen worden uitgewerkt zijn: golven, acceptabele kostprijs, regeling,

snelheid, testopstelling en de te gebruiken componenten.

Hoofdstuk 3 is de ontwikkelfase. In deze fase wordt de testopstelling ontwikkeld is, waarin als

eerste de keuze voor een testopstelling gemaakt zal worden. Daarna zullen opeenvolgend het

mechanisch systeem, het hydraulisch systeem en het elektrisch systeem worden besproken

Hoofdstuk 4 is de testfase. Dit is de fase waarin de testopstelling die ontwikkeld, getest zal worden.

De scriptie wordt afgesloten met de conclusie en aanbevelingen. Deze worden geformuleerd op

basis van de onderzoeksresultaten uit de testfase.


Johan de Bruin


1. Oriëntatiefase

1.1 Situatiebeschrijving

1.1.1 Bedrijfskarakteristiek

Hycos B.V. (hierna te noemen Hycos) is ontstaan uit het in 1988 opgerichte EBR Techniek B.V. Na

verkoop van de aandelen vond men het tijd voor een naamsverandering, EBR Techniek werd

Hycos. Sindsdien is Hycos een steeds groter wordende onderneming.

Hycos is een samentrekking van Hydraulic & Control systems, wat duidelijk maakt wat de twee

vakgebieden zijn, en is gespecialiseerd in maritieme hydrauliek. Hycos heeft altijd voorop gelopen

met het toepassen van nieuwe ontwikkelingen en was bijvoorbeeld één van de eersten die PLC

besturingen heeft toegepast aan boord van schepen. Ook bij het toepassen van bus systemen heeft

Hycos altijd voorop gelopen op de ontwikkelingen in de scheepsvaart sector.

Hycos is een relatief kleine organisatie waar ongeveer 25 werknemers actief zijn. Het bedrijf valt

onder de MKB (Midden en Klein Bedrijf). Het organogram, met toelichting, is terug te vinden in

bijlage 1. Volgens de gehanteerde CAO valt Hycos onder de Metaal en Techniek sector en behoort

hiermee tot de metaalbewerkings industrie (onder de categorie metaal en elektronische industrie).

1.1.2 Product, dienst en assortiment

Hycos richt zich op het ontwerpen, ontwikkelen, produceren en assembleren van industriële

systemen en besturingssystemen ten behoeve van industriële toepassingen. Het betreft

hydraulische installaties die klant specifiek worden geproduceerd, vooral in de maritieme wereld.

Daarnaast is Hycos actief in het modificeren, repareren en reviseren van hydraulische installaties,

ongeacht de oorspronkelijke leverancier.

Er worden veel diesel en elektrisch gedreven powerpacks gebouwd, in vermogens van 5 tot 1000

kW. Daarbij wordt er voldaan aan de meest uiteenlopende eisen, waaronder ATEX (explosie veilig),

Norsok (Noorse certificering) en DNV (een keuringsinstantie). De powerpacks worden breed

ingezet, onder andere voor aandrijving van pompen, lieren, heihamers, trilblokken en

boorstellingen. De diesel en elektrisch aangedreven systemen variëren van digitale hydraulische

systemen tot analoge hydraulische systemen, open-loop maar ook closed-loop positie en

drukregelingen. De interfaces die meestal worden gebruikt bij de verschillende besturingen zijn

LCD drukschermen met een CAN-open bus communicatie.

1.1.3 Markt(en)

De oorsprong van Hycos ligt in de baggerwereld, waarvoor al een groot aantal hydraulische

systemen zijn geleverd, vaak met bijbehorend besturingssysteem. De laatste jaren komen daar

veel systemen voor andere maritieme dienstverleners op bergings-, heavy lift en offshore gebied

bij.

1.1.4 Het beleid binnen Hycos

Het ondernemingsbeleid van Hycos is gericht op continuïteit van de organisatie. De directie is ervan

overtuigd dat deze continuïteit alleen gewaarborgd kan worden wanneer de zorg voor goede

arbeidsomstandigheden en kwaliteit een wezenlijk onderdeel zijn van het totale

ondernemingsbeleid. In dit beleid wordt tevens rekening gehouden met de mogelijk schadelijke

invloeden van het arbeidsproces op het milieu. Schadelijke invloeden zullen zoveel als

redelijkerwijs mogelijk is tot het minimum worden beperkt.

Jaarlijks worden de resultaten geëvalueerd en nieuwe doelstellingen vastgesteld. Er wordt daarbij

gestreefd naar continue verbetering.


Johan de Bruin


1.1.5 Probleemstelling voor het project

In dit paragraaf wordt de probleemstelling geformuleerd. Door het voeren van gesprekken binnen

de organisatie en door onderzoek is de probleemstelling opgesteld. De probleemstelling vormt de

aanleiding van de afstudeeropdracht.

Aanleiding tot de probleemstelling:

In het verleden, en nog steeds, worden er door Hycos hydraulische systemen geleverd voor de

aandrijving van een groot aantal toepassingen in de scheepvaart (sleeplieren, hijslieren, gangways

enz.). Het gaat hierbij om systemen met laag-dynamische eigenschappen, waarbij de

nauwkeurigheid, betreffende de dynamische eigenschappen van minder belang is.

Nu komt vanuit de markt steeds vaker de vraag om met een hydraulisch systeem golfdeiningen te

gaan compenseren, in diverse toepassingen. Dit worden dan systemen met hoog-dynamische

eigenschappen, waarbij de snelheid van erg groot belang is.

Het toepassen van secundaire hydrauliek zou een uitkomst kunnen bieden voor dit systeem.

Hiervan is bekend dat er zeer nauwkeurige hydraulische regelingen mee mogelijk zijn. Sinds 1970

zijn een klein aantal organisaties begonnen met het ontwikkelen van secundaire hydraulische

regelingen. Om de huidige toepassingen (sleeplieren, hijslieren en gangways) te gaan gebruiken

om golfdeiningen te compenseren, wil Hycos hoog-dynamische aandrijvingen gaan ontwikkelen.

De uiteindelijke probleemstelling

Zoals in de aanleiding tot de probleemstelling te lezen valt, wil Hycos hoog-dynamische systemen

gaan ontwikkelen voor kleine toepassingen.

De probleemstelling wordt nu als volgt:

Hoe kan er voor Hycos een secundaire hydraulische regeling, voor een hoog-dynamisch systeem,

gerealiseerd worden tegen een acceptabele kostprijs? En hoe verhouden de eigenschappen zich

dan tegenover een primaire hydraulische regeling voor een lier?

Om deze probleemstelling te kunnen beantwoorden zal deze opgesplitst moeten worden in een

aantal deelvragen. Door de deelvragen op te stellen zal de probleemstelling gestructureerd uit

elkaar gehaald worden en beter beantwoord worden. Deze deelvragen zullen beantwoordt worden

in de ontwikkelfase.

Wat wordt er verstaan onder primaire hydrauliek?

Wat wordt er verstaan onder secundaire hydrauliek?

Hoe kan een secundaire hydrauliek systeem goed worden geregeld?

Welke hydraulische en elektrische componenten moeten er gebruikt worden om aan de

juiste specificaties te voldoen, en om het systeem een acceptabele kostprijs te geven?

Wat is het verschil in dynamisch gedrag tussen een primaire en een secundaire

hydraulische regeling?

1.1.6 Projectgrenzen

Om exact duidelijk te kunnen maken wat wel en niet tot het project behoort, worden er

projectgrenzen gemaakt. Hierbij worden de volgende 4 vragen gesteld:

Wat behoort er tot het project?

Wat behoort er niet tot het project?

Waarvoor ben ik verantwoordelijk tijdens het project?

Wat wordt er extern voor het project gedaan?


Johan de Bruin


Wat behoort er tot het project?

o Start project: 21-11-2011

o Eind project: 13-05-2012

o Er moet een hydraulisch aandrijving voor een lier worden gerealiseerd (primair en

secundair).

o Er moet een golf generator worden gemaakt.

o Er moet een testopstelling worden gerealiseerd om de lieraandrijving en de

golfbeweging afhankelijk van elkaar te kunnen testen.

Wat behoort er niet tot het project?

o Het implementeren van het systeem in een praktische toepassing.

Waarvoor ben ik allemaal verantwoordelijk?

o Bepalen aan welke specificaties alle componenten moeten voldoen.

o Bepalen hoe de lieraandrijving moet gaan werken.

o Bepalen hoe de golfgenerator moet gaan werken.

o Bepalen hoe de testopstelling moet gaan werken.

o Het schrijven van de softwareprogramma’s voor de testopstelling (primair en

secundair).

o Het testen van het softwareprogramma d.m.v. de testopstelling.

Wat wordt er extern voor het project gedaan?

o Het selecteren van onderdelen aan de hand van de door de projectleider bepaalde

specificaties.

o Het tekenen van de testopstelling (met lieraandrijving en golfgenerator)

o Het maken van de testopstelling

1.2 Doelstelling

1.2.1 Algemene doelstelling

De doelstelling geeft de relevantie weer van het onderzoek. En wordt bepaald doormiddel van het

SMART-principe.

SMART principe:

Om in een doelstelling concreet te gaan beschrijven wat er aan het eind van het project verwacht

wordt, wordt er hier gebruik gemaakt van het SMART principe. Eerst wordt elke eigenschap van het

SMART principe apart uitgewerkt, en aan de hand daarvan wordt de uiteindelijke doelstelling

uitgewerkt.

Specifiek: Het realiseren van een secundaire en een primaire hydraulische regeling tegen een

acceptabele kostprijs.

Meetbaar: Het verschil in dynamische eigenschappen bepalen (primair en secundair).

Acceptabel: Waarbij ik qua componenten keuze geholpen wordt door hydrauliek en elektro

engineers.

Realistisch: Aantoonbaar doormiddel van een testopstelling.

Tijdgebonden: Het project moet in een periode van 7 maanden afgerond worden.


Johan de Bruin


De uiteindelijke doelstelling:

Door alle eigenschappen van het SMART principe op een juiste manier achter elkaar te zetten komt

de volgende doelstelling tot stand:

Ik wil een secundaire en een primaire hydraulische regeling realiseren voor een acceptabele

kostprijs, waarmee het verschil in dynamische eigenschappen bepaald kan worden. Waarbij ik, qua

componenten keuze, geholpen wordt door de praktijkbegeleiders (hydrauliek en elektro). Het

resultaat moet aantoonbaar zijn door middel van een testopstelling en het project moet in een

periode van 7 maanden afgerond worden.

Omdat het een doelstelling is om het hydraulische systeem en de regeling voor een acceptabele

kostprijs te maken, brengt dat wel de nodige risico’s met zich mee. Dit zal later in het verslag bij

de keuze van de componenten voor de testopstelling aan de orde komen. In deze oriëntatiefase is

er uitgegaan van een systeem tegen een acceptabele kostprijs, waarmee de doestelling wel

behaald kan worden. Hierdoor is het mogelijk dat als het systeem niet blijkt te werken er aan de

doelstellingen en aan de eisen, die ook gesteld zullen worden in deze oriëntatiefase, voor een

gedeelte niet voldaan zal kunnen worden.

1.2.2 Mijlpalen-

Mijlpaal 1: Project Management Document (PMD) goedgekeurd door de docentbegeleider en

praktijkbegeleiders. (De oriëntatiefase)

Mijlpaal 2: (Tussen)verslag waarin het onderzoek is uitgevoerd wat betreft de werking van een

secundaire hydraulische regeling (hydraulisch en elektrisch), waarin de component

keuze voor de testopstelling bekend is en deze is goedgekeurd door

docentbegeleider en praktijkbegeleiders. (De definitiefase)

Mijlpaal 3: Een software regeling voor een secundaire hydraulische regeling gereed, en

uitgewerkt in verslagvorm. (De ontwikkelfase)

Mijlpaal 4: Testrapport gereed. (De testfase)

Mijlpaal 5: Eindrapport ingeleverd bij de docentbegeleider, praktijkbegeleiders en

afstudeerbureau.

1.3 Eisen (randvoorwaarden)

1. Externe voorwaarden : dit zijn onveranderbare eisen die van buiten komen 2. Functionele eisen : hoe moet het projectresultaat straks functioneren 3. Bedrijfseigen beperkingen : bijvoorbeeld gebruikelijke procedures 4. Risicoanalyse

1.3.1 Externe voorwaarden

Milieueisen en richtlijnen wat betreft de hydrauliekolie in acht nemen (overheid)

Er moet een praktijkopstelling gerealiseerd worden (school)

1.3.2 Functionele eisen

De kostprijs moet binnen het budget blijven wat bepaald zal worden in de voorcalculatie

later in dit verslag.

De golfgenerator moet een maximale golfbeweging gaan maken, die gelijk is aan de

golfbeweging in het golfdeiningsverslag.

De lieraandrijving moet gelijk met de golfbeweging kunnen bewegen (testopstelling).

De amplitude van de golfbeweging die doormiddel van de golfgenerator wordt gemaakt

moet veranderd kunnen worden.

De periodetijd van de golfbeweging die doormiddel van de golfgenerator wordt gemaakt

moet min. 0,1 sec kunnen zijn.


Johan de Bruin


1.3.3 Bedrijfseigen beperkingen

Er zijn geen bedrijfsbeperkingen. Hycos heeft alle kennis en middelen welke nodig zijn om

het project te realiseren.

1.3.4 Risicoanalyse

Mijlpalen worden niet binnen de gestelde tijd behaald, hierdoor zal de deadline onder druk

komen te staan.

Onvoldoende onderzoek, wat leidt tot een ongefundeerde conclusie

1.4 Kwaliteitsbewaking

Om de kwaliteit van het project te kunnen bewaken wordt er door de volgende personen

gecontroleerd:

S. van Leeuwen, praktijkbegeleider hydraulisch.

C. Veroude, Praktijkbegeleider elektrisch.

F. Boon, docentbegeleider.

De controles zullen tijdens beslismomenten worden uitgevoerd. Deze beslismomenten, die al

eerder aan de orde zijn gekomen bij de werkzaamheden, zijn de mijlpalen. Hierbij controleren de

bovenstaande personen of het project op dat moment voldoet aan de eisen, voorwaarden, budget

en planning.

Mijlpaal 1: Project Management Document. Mijlpaal 2: Tussenverslag 1, het onderzoeksrapport. Mijlpaal 3: Tussenverslag 2, de software regeling. Mijlpaal 4: Tussenverslag 3, het testrapport. Mijlpaal 5: Eindrapportage.

Tussen de mijlpalen door zal er geprobeerd worden om met de praktijkbegeleiders om twee weken

een vergadering te houden over de voortgang van het project. Zo wordt er voorkomen dat het

project te ver een verkeerde kant op zal gaan.

1.5 Tijd (planning)

De start van het project zal zijn op 21 november 2011 en het moet op 13 mei 2012 afgerond zijn.

Omdat de student een duale opleiding volgt, zal er 24 uur per week aan het project gewerkt

worden.

De verschillende werkzaamheden zijn onderverdeeld in 5 fasen de oriëntatiefase, definitiefase,

ontwikkelfase, testfase en de nazorgfase. De planning van deze 5 fases is hieronder weergeven.

Oriëntatiefase (week 47 t/m week 49, 2011)

Definitiefase (week 50 t/m week 5, 2011/2012)

Ontwikkelfase (week 6 t/m week 11, 2012)

Testfase (week 12 t/m week 16, 2012)


Johan de Bruin


1.6 Geld

Voor de totale begroting zullen de kosten bestaan uit het uurloon, de reiskosten en benodigdheden

voor de testopstelling. De schatting van de begroting wordt hieronder weergegeven:

Student Tarief: € 10,70 Geschatte arbeidsduur 784 uur

Reiskosten € 1768,- --------------------------------------------------------------------------------------------------- Totaal € 10.200,- --------------------------------------------------------------------------------------------------- Begeleiding praktijkbegeleiders Tarief: € 75,- Arbeidsduur begeleiding hydraulisch 80 uur Arbeidsduur begeleiding elektrisch 80 uur --------------------------------------------------------------------------------------------------- Totaal € 12.000,- --------------------------------------------------------------------------------------------------- Externe project uren

Hydraulisch: Tarief: € 75,- Componenten bepalen 16 uur Hydraulisch schema 24 uur Elektrisch/Software: Tarief: € 75,- Componenten bepalen 16 uur Elektrisch schema 16 uur Bijstaan software ontwerpen 40 uur

Mechanisch: Tarief: € 45,- Testopstelling tekenen 16 uur Testopstelling maken 100 uur Testopstelling testen (mechanisch) 16 uur --------------------------------------------------------------------------------------------------- Totaal € 14.340,- --------------------------------------------------------------------------------------------------- Benodigdheden testopstelling

Mechanisch: Lier € 5000,-

Materiaal € 2000,-

Hydraulisch: Motor € 4000,- Pomp € 4000,-

Stuurventiel € 2000,- Accumulator € 600,- Slangen, koppelingen etc. € 1000,-

Elektrisch:

PLC € 1000,- Screen € 1500,-

Kast, kabels, sensoren etc. € 3000,- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Totaal € 23.100,- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Marge € 5.000,-

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Totale kosten project € 65.000,-


Johan de Bruin


2. De definitiefase

2.1 Golven

2.1.1 De golfdeining op zee:

Windgolven (zie fig. 1) zijn mechanische golven die zich

voortplanten langs het grensvlak tussen water en lucht. Het

herstel van de golf wordt gedaan door de zwaartekracht.

Wanneer het waait, verstoren druk- en wrijvingskrachten het

evenwicht van het water oppervlak. De krachten brengen

energie over van de lucht naar het water, de vorming van

golven.

De fasesnelheid (of voortplantingssnelheid) van een golf wordt

benaderd door:

(

) Zie referentie [6]

c = Fasesnelheid λ = Golflengte d = Waterdiepte g = gravitatiesnelheid Uit deze bovenstaande formule is al op te maken dat de snelheid van een golf te maken heeft met de golflengte en de diepte van het water.

In diep water als de waterdiepte d groter is een ½λ, wordt

groter dan pi waardoor de uitkomst

van de hyperbolische tangens dus 1 wordt. In diep water wordt de snelheid c in m/s benaderd door

√ wanneer λ is berekend in meters. Uit deze benadering komt naar voren dat de golven

met verschillende golflengten zich verplaatsen. De snelste golven zijn degenen met de langste

golflengte.

Dus als er wordt uitgegaan van een golfhoogte van 9m en kijken naar de formule . Is d

dus 4,5 meter. Dus bij een water diepte groter dan 4,5 meter wordt er al snel over diep water

gesproken. Omdat de diepte van het water altijd meer dan 4,5 meter is kan er altijd rekening

gehouden worden met diep water, waar dus de

formule √ bij hoort.

Hiernaast is een grafiek (grafiek 1) gegeven met op

de verticale as het aantal keer dat een golf voorkwam

en op de horizontale as de golfhoogte (voor meer

informatie zie referentie [7]). De verschillende golven

die daarin voorkomen zijn:

Meest voorkomende golf (H)

De bedoelde golf (Ħ)

De significante golf (Hs)

De hoogste van 1/10 van de golven (H1/10)

Figuur 1: Golven

Grafiek 1: Significant wave height


Johan de Bruin


Als door de weerman een bepaalde golfhoogte wordt opgegeven is dat de golfhoogte Ħ. De meest

voorkomende golf H is iets lager dan de gegeven golfhoogte van de weerman. Dit zijn de golven

waar te nu toe rekening mee werd gehouden. Toch moet er ook nog rekening gehouden met een

paar andere golven, want 1/3 van de golven is hoger dan de meest voorkomende golf. De

gemiddelde van deze 1/3 golven is de significante golfhoogte Hs. De hoogte van deze significante

golf is ongeveer ook 1/3 hoger dan de meest voorkomende golf H.

Een voorbeeld:

Als de weerman een golfhoogte aangeeft van 6 meter dan kunnen de volgende golven ook voor

komen.

1 van de 3 golven is groter dan 9 meter

1 van de 10 golven is groter dan 9,7 meter

1 van de 100 golven is hoger dan 14,1 meter

1 van de 1000 golven is hoger dan 17,6 meter

Bij het maken van een systeem om golfdeiningen te compenseren moet er dus ook rekening

worden gehouden, dat de golven niet altijd de golfhoogte zijn die aan wordt gegeven door de

weerman. Ook kunnen ze een stuk hoger voorkomen, dit moet het systeem dan ook aankunnen.

Om juiste beeldvorming te krijgen over de snelheden die geregeld moeten worden, wordt de

maximale snelheid van een golf bij bepaalde windkracht berekenend. Hiervoor wordt gebruik

gemaakt van de volgende formule:

A: Amplitude [m] (golfhoogte /2) f: Frequentie [Hz] t: Periodetijd [s] Uit de berekening komt de maximale snelheid van de golf. Deze is te zien in de hier onderstaande

tabel.

Windkracht [Bft]

Golfhoogte [m]

Periodetijd [s]

Frequentie [Hz]

max. snelheid [m/s]

max. snelheid [m/min]

1 0,1 1,439 0,695 0,22 13,17

2 0,2 1,896 0,527 0,33 19,99

3 0,6 2,353 0,425 0,81 48,31

4 1 2,68 0,373 1,18 70,70

5 2 3,45 0,290 1,83 109,84

6 3 3,74 0,267 2,53 151,98

7 4 4,12 0,243 3,07 183,95

8 6 4,63 0,216 4,09 245,54

9 7 5,095 0,196 4,34 260,31

De golfhoogten en periodetijden in tabel 1 zijn aannamen aan de hand van gegevens op internet.

Wel zijn deze golfhoogten wat spectaculair, zo zullen ze bijvoorbeeld op de Noordzee niet

voorkomen. Toch zijn deze gegevens gebruikt om van uitersten uit te gaan, en niet achteraf voor

dingen te komen staan die niet meegenomen zijn.

Tabel 1: Golfeigenschappen bij verschillende windkrachten


Johan de Bruin


Uit de tabel (tabel 1) van de voorgaande pagina kunnen de volgende golven (sinussen) worden

gegenereerd.

In grafiek 2 zijn de golfdeiningen (positie) weergegeven bij windkracht 3, windkracht 6 en

windkracht 9, met verticaal de golfhoogte en horizontaal de periodetijd in sec.

Bij een sinus zijn er een aantal punten die belangrijk zijn voor de regeling:

1. Snelheid is 0 (TOP):

Hier moet dus de last ten opzichte van de lier stil gehouden worden, dus het koppel van de

last moet evenredig zijn met het koppel van de lier

2. Snelheid van 0 naar maximaal:

Het koppel van de lier ten opzichte van het koppel van de last moet verlaagd worden zodat

de last versneld zal gaan zakken. Hierbij zal de versnelling wel in de hand gehouden

moeten worden.

3. Snelheid maximaal:

Het Koppel van de lier zal teruggebracht moeten worden, zodat de maximale snelheid even

constant is.

4. Snelheid van maximaal naar 0:

Het koppel van de lier zal verder teruggebracht moeten worden om de snelheid te gaan

verminderen en uiteindelijk naar 0 te brengen.

De andere kant, als de last omhoog moet, zal het dus precies andersom zijn. Hier zal het koppel

van de lier, ten opzichte van het koppel van de last, verhoogd moeten worden, zodat de last

versneld omhoog zal gaan enzovoort.

2.1.2 Bewegingen van het schip door golven

Een schip maakt een hele andere beweging dan de golven van de zee waar deze op vaart. Deze

beweging is nooit bekend, er kunnen grote of kleine golven zijn. Ook kan de periode tijd van een

golf verschillen. Dan is het ook nog belangrijk welke positie het schip ten opzichte van de golf

heeft, schuin, dwars of recht op de golven. Door al deze eigenschappen kan de beweging van het

schip sterk verschillen.

-4,00

-3,00

-2,00

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

0 1 2 3 4 5 6

Windkracht 3

Windkracht 6

Windkracht 9

1.

2. 3. 4.

Grafiek 2: Sinussen bij verschillende windkrachten


Johan de Bruin


Om al deze bewegingen te kunnen bepalen kan er gebruik gemaakt worden van een MRU. Deze

MRU meet alle belangrijke bewegingen van het schip. Belangrijke vrijheidsgraden van het schip

(zie fig. 2) die door de MRU gemeten worden en waar mee gerekend wordt zijn:

Heave:

De open neergaande beweging van het schip.

Roll:

De rotatie rond de langsscheepse as van het

schip.

Pitch:

De rotatie rond de dwarsscheepse as van het

schip.

Een MRU wordt op een willekeurige positie op het schip

geplaats. Door de precieze parameters (X, Y en Z) tot het CG

(Center of Gravity) en het MP (Measurement Point) in te stellen

(zie fig. 3), kan de waarde van de heave op het MP worden

berekend door de MRU. Het MP kan bijvoorbeeld bij een kraan,

die op een schip staat, de top van de giek zijn, waarover de

kabel van de lier loopt die de heave compensation gaat doen.

Dat is dan dus de precieze plaats boven de last.

2.2 De regeling

2.2.1 Voor een heave compensation project

Om software goed te ontwikkelen, moeten er een aantal stappen worden doorlopen. Het is hierbij

niet verstandig om daarbij gelijk te beginnen met het realiseren van een project. Eerst moet er

nagegaan worden hoeveel tijd er nodig is, wat het budget is, wat de wensen zijn van de

gebruikers, wat de randvoorwaarden zijn en wat voor kwaliteit er moet zijn. De resultaten van de

analyse kunnen dan gebruikt worden voor het ontwerpen van de software. Tijdens het maken van

het ontwerp wordt dit onderverdeeld in het technisch ontwerp, functioneel ontwerp, interface

ontwerp en grafisch ontwerp. Het ontwerp wordt gebruik om de software te realiseren. Voordat de

software dan werkelijk getest wordt op een installatie, zal er eerst nog goed getest moeten worden

op fouten en of het aan de kwaliteit voldoet. Tijdens het gehele project is er projectmanagement

en documentatie nodig om het project soepel te laten verlopen.

In deze fase van het project wordt er een analyse uitgevoerd. Veel onderdelen die normaal

gesproken tijdens de software analyse worden bekeken, zijn al behandeld in het project

management document. Dit zijn vooral de onderdelen betreffende tijd, budget en

kwaliteitsbewaking. In deze analyse zal er een blokschema voor een software regeling voor een

heave compensation bepaald worden.

Om een heave compensation (dynamisch) systeem te gaan maken, zal er een software regeling

ontwikkeld moeten worden waarmee dit gerealiseerd kan worden. De regeling zal uitgevoerd

worden door een regelaar.

Figuur 2: Vrijheidsgraden van een schip

Figuur 3: Parameters MRU


Johan de Bruin


2.2.2 Blokdiagram regeling

Door middel van een terugkoppeling (feedback) vergelijkt de regelaar voortdurend de actuele

waarde met de gewenste waarde en afhankelijk van het verschil, het foutsignaal, gaat hij een

corrigerende actie op het systeem uitvoeren door de grootte van het actuatorsignaal te

veranderen. Ook kan er doormiddel van een voorwaartse koppeling (feed forward) door de regelaar

een vooraf bepaalde actie worden gegeven op een bepaald foutsignaal. Regelaars bestaan zowel in

analoge vorm (bijvoorbeeld door stroomsignalen in een 4-20 mA lus) als in digitale vorm (door

omzetting van de sensoren actuatorsignalen naar en van digitale waarden door AD-converters en

DA-convertors). Een simpel voorbeeld van een regelsysteem met feed forward en feedback is

weergegeven in figuur 4.

Als er vanuit een systeem voor een ‘golfdeining’ wordt gekeken naar de bovenstaande regeling,

staat het systeem voor de hydraulische aandrijving. De regelaar zit in de regeling om het

foutsignaal weg te regelen. De feedback bestaat uit een signaal of signalen die worden gemeten bij

verschillende componenten, waarmee het foutsignaal kan worden berekend. De feed forward geeft

een vooraf bepaalde actie op het proces. In de ontwikkelingsfase zal dit systeem verder uitgewerkt.

Een hele belangrijke vraag die hierbij naar voren komt, is:

‘Hoe snel moet/kan het systeem een reactie verwerken?’

Als eerste moet er bekeken worden hoe snel het systeem een reactie zou kunnen verwerken. Dit is

een hele belangrijke factor voor dit project. Hier komen vooral de punten 2 en 4 van grafiek 2 naar

voren. Bij deze punten van een golfbeweging moet het systeem in 200 milliseconden gecontroleerd

van 0,2 m/s naar 0, en van 0 weer naar 0,2 m/s. Dit is bepaald aan de hand van een golf van 0,5

m met een periode van 2,6s.

De maximale snelheid is hierbij niet van belang, omdat die gewoon gehaald moet worden, door de

lier en hydrauliekmotor combinatie. Vooral de tijd om van maximale snelheid naar 0 te gaan en

weer terug naar maximaal is erg belangrijk.

De grootte van de reactietijd van het systeem, is afhankelijk van de onderdelen waar het systeem

uit bestaat. Deze onderdelen hebben de volgende reactietijden:

Regelaar: 5 - 10ms (afhankelijk van type regelaar)

Sensor golfbeweging: 5ms, 10ms of meer (afhankelijk van type sensor)

LVDT sensor < 1ms

Snelheidssensor: < 1ms

Positiesensor: < 1ms

Actuator ≈ 30ms, ≈ 50ms of meer (afhankelijk van type

pomp/motor)

Regelaar

Feedback

Gewenste

waarde

+

-

Actuele

waarde Foutsignaal

Feed forward

Systeem

+

Figuur 4: Blokschema van een voorbeeld regeling


Johan de Bruin


Uit de bovenstaande gegevens kan worden geconcludeerd dat de snelheidssensor, positiesensor en

LVDT sensor er niet toe doen bij het bepalen van de cyclustijd van de regeling. De waarden van

deze sensoren komen vaak genoeg binnen voor een nauwkeurige regeling. De druksensor hoort bij

de pompregeling om de druk in het systeem constant te houden, deze doet er niet toe ten opzichte

van de snelheid voor een heave compensation.

Duidelijk mag zijn dat hoe sneller de regeling is, hoe nauwkeuriger het systeem zal worden, wel

wordt hierbij de kans groter dat er doorschot optreed. Bij een snelle regeling horen componenten

met een zeer korte responsietijd. Het nadeel daarvan is dat hoe kleiner de responsietijd is des te

duurder zijn de componenten.

Zoals eerder in de oriëntatiefase is vermeld, moet het project in toekomst voor een acceptabele

kostprijs verkocht kunnen worden. Hierdoor zal de prijs tegenover de nauwkeurigheid van het

systeem uitgezet moeten worden en zal er een afweging gemaakt moeten worden welke

componenten er besteld zullen worden voor de testopstelling.

Zoals in de lijst met responsetijden valt te zien, zijn de golfbewegingssensor (de input van de

regelaar) en de lier met motoren combinatie (de output van de regelaar) de

belangrijkste twee delen waarop de reactietijd van het systeem bepaald moet

worden. Daarom van elk van deze twee componenten een stukje uitleg over prijs

ten opzichte van de reactiesnelheid.

Hieronder een aantal sensoren om golfbewegingen te bepalen (zie tabel 2 en fig.

5). Dit zijn sensoren die geschikt zijn om de heave te bepalen, waarbij dan door

de sensor rekening wordt gehouden met de roll en de pitch van het schip.

MRU-H MRU 5 MRU 5+

Eigenschappen:

Prijs € 20.000,- € 30.000,- € 45.000,-

Data output rate 100 Hz (10ms) 100 Hz (10ms) 200 Hz (5ms)

MRU MP length < 60 m 60 – 70 m > 70 m

In tabel 3 staan een pomp die gebruikt wordt als motor (zie fig. 6) en een

motor voor de hydrauliek aandrijving.

Parker PV+ Rexroth A4VSO

Eigenschappen:

Prijs € 3.955,- € 10.450,-

Stapresponsie 0 – 100% ≈ 50ms ≈ 30ms

De responsetijden die gegeven zijn voor de motoren, is de responsetijd

van de totale motor. Inclusief stuurventiel, cilinder en slagplaat.

Door naar de twee bovenstaande tabellen te kijken, valt te zien dat het de

beste oplossing zou zijn om voor een MRU 5+ golfbewegingssensor te

kiezen en als actuator een Rexroth A4VSO met een regelaar die een cyclustijd heeft van minder

dan 5ms. Hierdoor kan er dan nooit informatie van de MRU 5+ gemist worden en zal actuator het

snelst en nauwkeurigst aangestuurd worden. Aan de andere kant is dit dan ook weer de duurste

opstelling.

Vanwege de reden dat het project later voor een acceptabele kostprijs verkocht zal moeten

worden, zal de bovenstaande oplossing niet mogelijk zijn. De tweede optie is om gebruik te gaan

maken van de MRU-H, welke ook geschikt is voor golfbewegingen en ook de roll en pitch mee

Figuur 5: MRU

Figuur 6: Parker PV046

Tabel 2: MRU vergelijking

Tabel 3: Vergelijking hydrauliek motoren


Johan de Bruin


berekend. Het nadeel van deze MRU is dat de arm vanaf de MRU tot aan het Measure Point (MP)

korter moet zijn dan 60 meter. Deze arm is de rechtstreekste afstand vanaf de MRU tot aan de MP.

Ook is de data output rate van deze MRU een stuk lager dan die van de MRU 5+ namelijk 100 Hz

(10ms) in plaats van de 200 Hz (5ms). Hierdoor zal dus de nauwkeurigheid van de totale regeling

afnemen. Ook zal er in plaats van een Rexroth A4VSO vanwege de prijsredenen voor een Parker

PV+ worden gekozen. Dit is een pomp met een regelbaar slagvolume, die als motor gebruikt kan

worden. Het is niet mogelijk om met een PV+ door de “0” te kunnen regelen. Hiervoor wordt er

een A2FM23 Rexroth motor achterop de PV+ gemonteerd. De werking hiervan zal later aan de orde

komen. Voor dit systeem is de stapresponsie 20ms langer, waardoor ook de nauwkeurigheid af zal

nemen.

Vanaf dit punt wordt dus duidelijk dat er om een systeem tegen een acceptabele kostprijs te

maken, er geen standaard componenten voor gebruikt kunnen worden waarvan bekend is dat ze

geschikt zijn voor een dergelijk systeem. Hierdoor zou het project dan veel te duur worden. Er is

nu een beslissing gemaakt, om componenten te gaan gebruiken waarvan er verwacht wordt dat ze

toepasbaar zijn voor het heave compensation systeem maar wat echter niet zeker is. Dit zal tijdens

de testfase gaan blijken.

2.2.3 Voor de testopstelling

Wat betreft de regeling voor de testopstelling, veranderen er een aantal dingen.

Voor de testopstelling wordt een gangbare lier besteld, die later evt. ook nog voor een ander

project toegepast kan worden. Het nadeel hiervan is dat er maar een golfbeweging met een

golfhoogte van maximaal een 0,5 meter kan worden getest. Dit maakt voor het testen van het

principe van een heave compensation systeem niet uit, omdat te kritische punten toch in de TOP

van de golf zitten welke ook in een kleine golf voorkomen.

Voor de testopstelling zal een Parker PV+ pomp worden gebruikt als motor samen met de Rexroth

A2FM motor, de reden en grootte van deze motoren zal bij de componenten keuze aan de orde

komen. Echter algemeen bekend is dat de nauwkeurigheid van de LVDT (Linear Variable

Differential Transformer) van de PV+ een erg onnauwkeurig signaal terugstuurt.

Als voorbeeld wordt er gekeken naar de Parker PV046 pomp:

In tabel 4 is te zien dat de sensor een

signaal van 0 – 10 Volt geeft.

Door op de conus (zie fig. 7) te meten,

kan met de LVDT bepaald worden hoe ver

de slagplaat is verplaatst. De hoek van

deze conus verschilt echter per pomp.

Hierdoor is er per pomp een ander

minimaal tot maximaal meetsignaal

signaal. Bij de PV046 is dit, zoals in de

tabel te zien is, van 5,45 tot 7,5 Volt. Dit

is dus een signaal van 7,5 – 5,45 = 2,05

Volt waarmee geregeld kan worden. Dit

signaal is echter zo klein dat een

nauwkeurige meting hiermee niet mogelijk is.

Figuur 7: LVDT conus

Tabel 4: LVDT signaal van verschillende PV pompen


Johan de Bruin


Na een meting bij een PV046 bleek dat de uitslag van de LVDT 2,25 mm bleek te zijn. Na even

zoeken bleek een LVDT van Macro Sensors, de GHSI-750-100, een bereik te hebben van 2,5 mm

met over dat bereik een output van 4..20mA. Dat zou een veel nauwkeurigere meting tot gevolg

hebben. Na een prijsaanvraag, bleek echter dat de prijs hoog lag. Omdat er gekozen is voor een

systeem tegen een acceptabele kostprijs, is er besloten om eerst met de huidige LVDT te testen.

Verder zal er geen MRU gebruikt worden voor de testopstelling, vanwege de kosten van dit

component. Hoe dit wel zal worden gerealiseerd, zal later in dit verslag aan de orde komen.

2.3 De hydrauliek

2.3.1 Onderzoek primair en secundair hydraulisch systeem

In de probleemstelling is vermeld dat er een secundair geregeld systeem ontwikkeld zal gaan

worden en dat er wordt bekeken hoe een zodanig systeem zich verhoudt ten opzichte van een

primair geregeld systeem. Als testopstelling zal er gebruik gemaakt worden van een lier. Hiervoor

is dus eerst een stukje uitleg vereist wat betreft de hydrauliek voor zulke systemen.

Een primair hydraulische systeem:

Een primair hydraulisch systeem (zie fig. 8) is een pomp

geregeld systeem. Hierbij wordt doormiddel van een

geregelde hydraulische pomp de oliestroom naar een

hydraulische motor geregeld, hierbij wordt de oliestroom

bepaald door de slagplaathoek van de pomp. De snelheid

van de lier, die aan de hydraulische motor is bevestigd,

wordt bepaald door de oliestroom. Dit systeem is in

principe stabiel, want hoe groter de oliestroom is die wordt

toegevoerd aan de hydraulische motor, hoe sneller de lier

zal gaan draaien. De draairichting van de lier wordt

geregeld door middel van een elektrische stuurschuif.

Een secundair hydraulische systeem:

Een secundair hydraulisch systeem (zie fig. 9) is een motor

geregeld systeem. Hierbij wordt doormiddel van een

geregelde hydraulische motor de snelheid van de lier

geregeld. Door de slagplaathoek van de hydraulische motor

iets te veranderen, zal ook de snelheid gaan veranderen.

Door gebruik van een accumulator is de druk ∆p constant,

een levert een pomp de volumestroom die benodigd is om

de druk ∆p constant te houden. Dit systeem is in principe

labiel. Als de slagplaathoek α iets vergroot wordt,

accelereert de motor naar een, afhankelijk van de

toegevoerde oliestroom, onbegrensd hoge snelheid. Zonder een goede regeling is het dan ook

onmogelijk om op deze manier een lier aan te drijven. De draairichting en snelheid wordt hierbij

geregeld door een elektrische stuurschuif. Het voordeel van een dergelijk secundair geregeld

systeem is dat de energie, die normaal gesproken wordt omgezet in warmte, bij het vieren kan

opgeslagen worden in de accumulator. Zodra er dan weer gehesen moet worden zal deze energie

weer gebruikt kunnen worden.

Figuur 8: Primair hydraulisch systeem

Figuur 9: Secundair hydraulisch systeem


Johan de Bruin


2.4 De testopstelling

De heave compensation regeling zal doormiddel van een hydraulische lieraandrijving getest

worden. De complete lieropstelling zal een golfbeweging moeten gaan maken, waarna dan de

regeling de last die in de lier hangt stil moet houden. Op dit moment zijn er nog een aantal

mogelijkheden open voor de testopstelling, dit zijn:

Door de lieropstelling op een schaarhefbrug te plaatsen:

Bij deze oplossing zal de schaarhefbrug (zie fig. 10) dus de

golf (sinus) beweging moeten gaan maken. Alleen is het de

vraag of dit mogelijk is qua snelheid. In ieder geval al niet

mogelijk met de huidige enkelwerkende cilinder met 12L

aansluitingen, en het huidige hydrauliek systeem. De

hefbrug die dan evt. gebruikt kan worden is van het type

Omer Concord 25.

Door cilinders onder de lieropstelling te plaatsen:

Dit is in principe hetzelfde als de schaarhefbrug, alleen

wordt de golf (sinus) beweging hier rechtstreeks door de cilinders gecreëerd. Een nadeel

hiervan is dat de cilinders een veel langere slag nodig hebben, omdat er geen constructie

omheen zit met een overbrengingsverhouding. Dit lijkt tot nu toe de beste oplossing,

omdat deze situatie goed overeenkomt met de werkelijkheid en waarbij de snelheid nog

redelijk hoog ligt.

Door een cilinder aan de lieropstelling te maken en daar de kabel overheen laten lopen:

Hierbij kan door de cilinder (zie fig. 11) een sinus

beweging een golf (sinus) worden gecreëerd. In de

eerste instantie zal dan de haak gelijk met de cilinder

omhoog of naar beneden gaan. Door de snelheid en

positie van de cilinder te gaan meten, kan de lier met

de cilinder mee gaan bewegen waardoor de haak stil

gehouden kan worden.

Deze testopstellingen zijn echter pas voor een 2e fase van

het project. Eerst zal gekeken worden of het systeem met de

motoren en de lier, zonder golf generator, een heave

compensation regeling kan worden getest (hoe dit gaat

wordt in de ontwikkelfase uitgelegd). Daarna zal er pas getest kunnen worden met een

golfgenerator.

2.5 De te gebruiken componenten voor testopstelling:

De hydraulische componenten zijn bepaald door mijn hydraulische begeleider. Deze hydraulische

componenten en de bepaalde elektrische componenten die nodig zijn voor de testopstelling om de

lier aan te gaan drijven, zullen hieronder opgesomd en kort uitgelegd worden (de documentatie

van de componenten is terug te vinden in bijlage 8). De werking van de hydraulische componenten

ten opzichte van het systeem zal aan de hand van de hydraulische schema’s in de

ontwikkelingsfase uitgelegd worden. De componenten die nodig zijn:

Mechanisch:

Frame

Lier

Figuur 10: Hefbrug Concord 25

Figuur 11: Voorbeeld testopstelling


Johan de Bruin


Hydraulisch:

Hydraulisch 15 kW elektrisch powerpack

Hydrauliek pomp (PV046)

Hydrauliek motor (A2FM23)

Hydrauliek slangen

Accumulator

Druksensor

Elektrisch:

Elektrokast

Regelaar

Noodstop relay

CAN-blokje

Zekering automaten

Voeding 24 Volt

Klemmen

0..10V naar 4..20mA omzetter

Incrementele encoder

Absolute encoder

2.5.1 Mechanisch

Frame:

Voor het frame zal er gebruik worden gemaakt van U-profielen. Dit is om de lier met de motoren

stabiel te kunnen houden en om de accumulator aan het frame vast te kunnen maken.

Lier:

De lier die voor de testopstelling gebruikt zal worden is van

het type BWF van Brevini (zie fig. 12).

De BWF serie is standaard leverbaar in een hydraulische

uitvoering. Door het gebruik van de standaard gamma base

reductie units is er een bijna eindeloze keuze uit reducties.

Uitgevoerd met een zware lagering aan de uitgaande zijde

kunnen de trommels aan 1 zijde opgehangen worden wat

uiteraard zijn voordelen heeft als het om de constructie gaat.

Er wordt onderscheid gemaakt in het type aanduiding, lieren

tot en met 5 ton de BWF serie en lieren vanaf 6 ton de BWF-L

serie. De lier die hier dus gebruikt wordt is dus een lier tot en

met 5 ton.

2.5.2 Hydraulisch:

Hydrauliek motor:

Voor de testopstelling is een PV046 Parker pomp besteld, die gebruikt zal worden als motor. Ook is

er een A2FM23 Rexroth pomp besteld, deze zal ook als motor dienst doen en aan de PV046 worden

gekoppeld.

De PV046 is van het axiale plunjer principe met een verstelbare slagplaat. Dit principe wordt

meestal toegepast voor systemen met hogere drukken of grotere vermogens. Bij dit axiale principe

liggen de plunjers parallel aan de aandrijfas. Omdat deze motor een verstelbare slagplaat heeft,

betekent dit dat de slagplaat vast staat en dat het cilinderblok ronddraait. Door olie aan deze

motor toe te voeren en de slagplaat onder een hoek te zetten, zullen de plunjers onder druk

Figuur 12: Brevini BWF lier


Johan de Bruin


worden gezet en zal de uitgaande as gaan draaien. In het algemeen heeft deze pomp 5, 7, 9 of 11

plunjers.

De A2FM23 is ook van het axiale plunjer principe maar nu met een vaste slagplaat. Hierbij draait

de slagplaat en staat het cilinderblok stil. Ook hier worden door olie aan de motor toe te voeren de

plunjers onder druk gezet waardoor de uitgaande as zal gaan draaien.

Accumulator:

Accumulatoren worden toegepast om:

kortstondig een grote volumestroom te kunnen leveren;

om het systeem of een deel daar van op druk te houden;

om drukstoten op te vangen of druktrillingen te dempen;

als verend element.

In de hydrauliek worden de volgende accumulatoren toegepast:

de zuigeraccumulator als energie leverancier:

o is relatief traag door wrijving tussen zuiger en cilinder

o betrouwbaar

de balgaccumulator (zie fig. 13) als energie leverancier:

o snel

de membraanaccumulator als verend element:

o trillingsdemper

o op druk houden van systeem.

Voor de testopstelling zal gebruik worden gemaakt van een

balgaccumulator, omdat het systeem snel op druk gehouden moet

worden.

Druksensor:

De druksensor die gebruikt zal gaan worden, is een EDS 300 van Hydac. Dit is een compacte

elektronische druksensor met een digitaal display. Deze sensoren zijn er in verschillende

uitvoeringen.

Met 1 schakelpunt

Met 2 schakelpunten

Met 1 schakelpunt en een analoog 4..20 mA signaal.

Met 2 schakelpunten en een analoog 4..20 mA signaal.

In dit project is gekozen voor een EDS 300 met 2 schakelpunten en een analoog 4 .. 20 mA

signaal.

De instellingen van een EDS 300 kunnen gewijzigd en ingesteld worden via de knoppen. Dat zijn de

volgende instellingen:

De schakelpunten aan/uit zetten

De hysterese

De delay time van de schakelpunten

N/O or N/C schakelpunten

Het meetbereik van de sensor is 0 .. 400 bar

De reactie tijd is ongeveer 10ms

Figuur 13: Balgaccumulator


Johan de Bruin


2.5.3 Elektrisch

Elektrokast:

De elektrokast is uit de voorraad van Hycos uitgezocht. Hiervoor is heel globaal naar de

componenten gekeken die er in moet komen, daarna is er een kast uitgezocht waarin genoeg

ruimte is. Hierbij is er gekozen voor een Rittal AE 380x600x210mm kast.

Regelaar:

De regelaar die gebruikt zal worden, is een EPEC 2024. Dit is een I/O-module die deel uit maakt

van de EPEC CAN module Familie. Deze I/O-module heeft een grote hoeveelheid digitale en

analoge ingangen en digitale uitgangen. Digitale uitgangen worden geconfigureerd, om gebruikt te

worden als digitale ingangen en andersom. De module wordt gebruikt om een CAN-module

systeem te regelen als een multifunctionele regelaar met verschillende soorten sensoren en

actuatoren, zoals proportionele kleppen, servomotoren, en elektro-hydraulische componenten.

Deze PLCopen programmeerbare (met CoDeSys programma’s) module kan ook gebruikt worden als

onafhankelijke controller door de digitale en analoge I/O mogelijkheden.

24 Digitale ingangen / uitgangen of PWM uitgangen.

4 Digitale ingang.

8 Digitale of analoge ingangen

4 Stroom feedback ingangen

4 Digitale ingangen / NPN uitgangen

8 Digitale Ingangen / Pulse ingangen

2 Canbussen, CanOpen / J1939 en Isobus

De EPEC 2024 heeft een minimale cyclustijd van 10 ms.

Noodstop relais:

Het noodstop relais dat gebruikt gaat worden, is er één die bij Hycos uit de voorraad komt. Dit is

een PNOZ X2 en is niet specifiek voor het project uitgezocht, een PNOZ X1 zou ook gebruikt

kunnen worden.

Zekering automaten:

Om de 230 V en de 24 V af te zekeren, worden er zekering automaten van ABB gebruikt. Hoeveel

Ampère deze zouden moeten zijn, zal later in dit verslag aan de orde komen.

Voeding 24 Volt:

Voor de 24 Volt voorziening in de elektrokast, zal een QUINT-POWER van Phoenix Contact gebruikt

worden. Deze zet een 100 – 240 VAC input om naar een 24 VDC output.

0..10V naar 4..20mA omzetter:

Hiervoor wordt een analoge converter van Murr Elektronik gebruikt.

Incrementele encoder:

Om een zeer nauwkeurige positiebepaling uit te kunnen voeren, wordt een GEL 293 incrementele

encoder toegepast van Lenord+Bauer. Deze encoder geeft 40.000 pulsen per omwenteling en de

snelheid tot 40 toeren/min komt eruit als een 4..20 mA signaal.

Absolute CANopen encoder:

Voor het inlezen van de snelheid en de positie in de PLC in te kunnen lezen wordt er gebruik

gemaakt van een OCD Canopen encoder van Fraba Posital. Deze is configureerbaar via de CAN-

bus.


Johan de Bruin


3. De ontwikkelfase

3.1 Keuze van de testopstelling

In de definitiefase eerder in dit verslag zijn een aantal verschillende testopstellingen aan de orde

gekomen.

Door de lieropstelling op een schaarhefbrug te plaatsen

Door cilinders onder de lieropstelling te plaatsen

Door een cilinder aan de lieropstelling te maken en daar de kabel overheen laten lopen

Kort gezegd, geldt voor al deze opstellingen dat de complexiteit van het systeem te groot wordt

voor het afstudeerproject. De aansturing die daarbij komt kijken is dus weer een aparte regeling

die in principe weinig met de secundaire regeling te maken heeft. De golfgenerator voor het

systeem wordt dus in het afstudeerproject achterwege gelaten. De golf zal vanuit de controller in

de vorm van een sinus worden gemaakt en dan door het systeem wordt nagebootst. Deze sinus is

dus eigenlijk het signaal welke normaal gesproken door een sensor vanaf de golfgenerator zou

komen.

De testopstelling is nu enkel de aandrijving van de lier geworden, dit bestaat dus uit de lier en de

twee motoren die daaraan gemonteerd zijn.

In de testopstelling zijn drie delen te onderscheiden. Een mechanisch gedeelte, een hydraulisch

gedeelte en een elektrisch gedeelte. Deze drie delen zullen apart uitgewerkt worden. Omdat alles

met elkaar te maken heeft zullen sommige delen wel in elkaar verweven worden.

3.2 Mechanisch systeem

3.2.1 De lier

De lier is een Brevini BWF030/3 (zie fig. 14) met een trekkracht van 30kN op de derde laag.

De lier heeft de volgende eigenschappen:

Een planetaire aandrijving type ET3065 met een

overbrengingsverhouding van 51,22

Een lamellenrem

Een 40cc hplunjer motor type H1C40

Een gladde liertrommel met de volgende

eigenschappen:

o Buiten diameter (D2) van 435mm

o Diameter (D) van 273mm

o Breedte (L) van 210mm

o Berging van 40m kabel van 16mm op max. 3

lagen.

Door deze lier aan te drijven met een PV+ pomp (die gebruikt wordt als motor), die een maximaal

toerental van 2000 toeren/minuut mag gaan draaien.

De maximale snelheid van de lier wordt dan:

39,05 toeren/min

Om de snelheid van de last te kunnen berekenen is de omtrek van de liertrommel nodig. De

omtrek is per kabel laag verschillend, waardoor ook de snelheid steeds anders is.

Figuur 14: Brevini BWF030/3


Johan de Bruin


Snelheid last, laag 1 = 35,45 m/min Snelheid last, laag 2 = 39,38 m/min Snelheid last, laag 3 = 43,31 m/min

Als er met deze uitkomsten wordt gekeken naar de tabel 1 die eerder in het verslag is vermeld,

valt op dat er geen grote golfhoogte mee getest kan worden. Dit omdat in de tabel een golfhoogte

van 0,6 m de maximale golfsnelheid 48,31 m/min is, terwijl de maximaal berekende snelheid van

de last 43,31 m/min is.

Als de uitkomsten van de snelheid van de last worden omgezet naar golfhoogten, zijn dit

ongeveer de uitkomsten:

35,45 m/min ≈ Golfhoogte van 0,41 m met een periode van 2,14s 39,38 m/min ≈ Golfhoogte van 0,48 m met een periode van 2.22s

43,31 m/min ≈ Golfhoogte van 0,53 m met een periode van 2,27s Dit geeft een probleem met de golfhoogte van 1 meter met een snelheid van 70,7 m/min die in de

definitiefase gesteld is, want deze doelstelling is dus met deze lier niet haalbaar.

Nu de maximale golfhoogte met de daarbij behorende periode bekend is, kan ook de maximale

versnelling van deze golf uitgerekend worden. Deze maximale versnelling wordt:

Nu de versnelling van de golf bekend is, moet

er gecontroleerd worden of het systeem deze

versnelling ook aan kan. Dit omdat bij het

systeem de massatraagheid ook meespeelt.

Hierbij gaat het niet meer alleen maar om de

lier, maar ook om de aandrijving die de

versnelling moet creëren. Het systeem waar

de maximale versnelling van wordt

uitgerekend is te zien op figuur 15.

De benodigde gegevens om van het systeem op figuur 15 de maximale versnelling te berekenen

zijn:

Motor PV046:

Constant druk systeem van 250 bar

Slagvolume van -23cc tot +23cc

Rendement mh van 0,95

Massatraagheid 0,0043 kgm2

Motor A2FM23:

Constant druk systeem van 250 bar

Vast slagvolume +23cc

Rendement mh van 0,95

Ma-ssatraagheid 0,0012 kgm2

Gearbox:

Overbrengingsverhouding van 51,22

Massatraagheid 0,00105 kgm2

Figuur 15: Lier met motorencombinatie


Johan de Bruin


Lier:

Diameter + 1 laag kabel = 289 mm

Massatraagheid lege lier is 1,21 kgm2

Na het uitrekenen van het maximale koppel en de totale massatraagheid aan de lierzijde, kon de

maximale hoekversnelling worden berekend. Met de hoekversnelling en de straal van de lier met

een kabel laag, kon dan de maximale versnelling worden berekend (zie bijlage 2). Deze wordt:

Om toch een golfhoogte van 1 meter te kunnen bereiken, zou de maximale snelheid van 43,31 m/s

die het nu is verhoogd moeten worden. Hiervoor zal de liertrommel aangepast moeten worden

zodat de diameter daarvan groter wordt. Hierbij uitgaande van de tabel 1 die eerder in het verslag

is vermeld, met de golfhoogten, staat voor een golfhoogte van 1 meter een snelheid van 70,7

m/min. Hiermee wordt teruggerekend wat dan de lieromtrek moet worden en wat uiteindelijk dan

weer de versnelling is. Deze berekening is wel uitgevoerd (zie bijlage 2), maar de uitkomsten

zullen niet behandeld worden. Dit komt doordat het niet meer uitgevoerd kon worden omdat de

mechanische problemen die optreden aan het eind van het project veel tijd hebben gevergd.

Uit de berekende versnellingen van de golf en het systeem valt duidelijk op te maken dat de

versnelling niet de beperkende factor is van het systeem, eerder nog een tegenwerkende factor.

Dit komt doordat met een hele kleine verstelling van de slagplaat, de versnelling al de maximale

versnelling van de golf bereiken.

Een controle hiervoor bij een slagplaat verstelling van 1cc:

Het koppel dat de motor levert is:

Het koppel dat de lier “voelt” wordt dan:

De maximale acceleratie wordt dan nu:

Met een slagplaat verstelling van 1cc vanuit de “0” positie zal de versnelling dus al bijna de

benodigde versnelling voor de golf van 0,53 meter zijn.

3.2.2 Het bouwen van het systeem

Het bouwen van de testopstelling hoort wel bij het project. Daar het niet relevant is voor de inhoud

van het verslag is dit toegevoegd als bijlage aan het verslag (zie bijlage 2).


Johan de Bruin


3.3 Hydraulisch systeem

3.3.1 Accumulator berekening

Het berekenen van een accumulator komt neer op een berekening aan ‘gas zijde’. Hierbij wordt

gebruik gemaakt van de Wet van Boyle-Gay Lussac. Deze wet geeft de volgende formule:

Met: p = druk (Pa)

V = Volume (m3)

T = temperatuur (K)

Doordat het volpompen van een accumulator in het algemeen relatief langzaam gebeurt, wordt de

stikstof in de balg ook langzaam gecomprimeerd. Hierbij mag de temperatuur als constant worden

beschouwd. Dan wordt:

Het ‘leeg laten lopen’ van de accumulator moet heel snel gebeuren, hierdoor kan geen temperatuur

uitwisseling met de omgeving plaats vinden. Hiervoor geldt:

De exponent k hangt af van het soort gas en de

snelheid waarmee de accumulator leeg loopt. Voor

stikstof kan voor deze k factor 1,4 worden genomen.

Zie fig. 16 voor verduidelijking. Het gaat dus om de

druk en volume van de stikstof.

De gegevens van de accumulator en het systeem zijn

als volgt:

Inhoud accumulator (V0) = 10 Liter

Stikstof voordruk (p0) = 22 MPa (= 220 bar)

Minimale werkdruk (p1) = 22 MPa (= 220 bar)

Maximale werkdruk (p2) = 25 MPa (= 250 bar)

Met de bovenstaande gegevens kan het beschikbare olievolume worden berekend.

Door nu de accumulator ‘leeg te laten lopen’ tot de minimale werkdruk p1 = 22 MPa, en het volume

V1 dan te berekenen, kan het beschikbare olievolume ∆V = V1 – V2 berekend worden.

√

Figuur 16: Druk en volume accumulator


Johan de Bruin


√

Het beschikbare olie volume wordt dan:

–

Voor de veiligheid zal de eerste test uitgevoerd worden met een constant druksysteem van 50 bar.

Hierbij zijn de gegevens van de accumulator en het systeem zijn als volgt:

Inhoud accumulator (V0) = 10 Liter

Stikstof voordruk (p0) = 4 MPa (= 40 bar)

Minimale werkdruk (p1) = 4 MPa (= 40 bar)

Maximale werkdruk (p2) = 5 MPa (= 50 bar)

Met de bovenstaande gegevens kan het beschikbare olievolume worden berekend.

Het beschikbare olie volume wordt dan:

–

3.3.2 Uitleg secundair hydraulische schema

De motor combinatie:

1. Proportionaal 3/2 ventiel

2. Linear Variable Differential

Transformer (LVDT)

3. Plunjer voor slagplaat verstelling

4. A2FM23 Rexroth hydrauliek

motor

5. PV046 Parker hydrauliek motor

6. Drainleiding

In het weergegeven gedeelte (zie fig.

17) van het schema is de

pompcombinatie te zien die gebruikt zal

worden om de lier aan te drijven. De

PV046 zal hierbij op de lier worden

gemonteerd en de A2FM23 zal aan de

PV046 worden bevestigd. Dit wordt

gemaakt om met de PV046 door de “0”

heen te kunnen regelen. Het door de “0” regelen wil zeggen dat het mogelijk is om de motor twee

kanten op te laten draaien.

Een constant druk systeem van 250 bar wordt gecreëerd door een accumulator en een pomp.

Hierdoor komt er dus 250 bar druk te staan op de B poort van de A2FM23, waardoor deze CCW zal

gaan draaien. Het koppel dat deze motor dan gaat leveren is:

4

.

5.

3.

2.

1.

Figuur 17: De motorcombinatie 6.


Johan de Bruin


Ook op poort P van de PV046 pomp staat een druk van 250 bar. Zonder een gekoppelde A2FM23

zou de motor nu CW gaan draaien bij het verstellen van de slagplaat. Echter nu met een

gekoppelde A2FM23 motor die een koppel van 86,9Nm tegen de draairichting van de PV046 in

levert. Door nu de slagplaat van de motor te verstellen naar 23cc/rev wordt het koppel:

Hierdoor is dus nu het koppel aan de

uitgaande as 0 Nm. Dit is de

zogenaamde “0” stand, want zodra de

cc/rev naar beneden gezet worden zal

het koppel van de PV046 lager worden

en zal de A2FM23 sterker zijn

waardoor de uitgaande as ook CCW

zal gaan draaien. Echter als de cc/rev

verhoogt wordt zal het koppel van de

PV046 ook hoger worden en zal deze

dus sterker zijn waardoor de

uitgaande as CW zal gaan draaien.

Zodra er een signaal naar het

proportioneel 3/2 stuurventiel wordt gestuurd zal er olie naar de plunjer van de slagplaat gaan

waardoor de stand van de slagplaat zal veranderen. Met dit stuurventiel kan de slagplaat 2 kanten

op worden gestuurd. De stand van de slagplaat wordt gemeten door de LVDT.

De accumulator (fig. 18):

1. Balgaccumulator

2. Kogelkraan N.O.

3. 2/2 ventiel

De balgaccumulator wordt gebruikt om het

systeem onder een constante druk te houden

(poort P), hiervoor staat de kogelkraan dus

altijd open. De minimale systeemdruk is 180

bar en de maximale systeemdruk is 220 bar.

Om veiligheid te waarborgen, is er ook nog

een 2/2 ventiel toegevoegd, waarmee het

systeem drukloos gemaakt kan worden door

het 2/2 te schakelen waardoor de pers naar de

retour gaat.

De accumulator heeft in dit systeem twee functies, ten eerste om extra olie te leveren op

momenten, dat het nodig is. Ten tweede zorgt deze voor energiebesparing, doordat als de één van

de motoren overwint, de andere motor als pomp gaat dienen en dus olie terug levert aan het

systeem. Hierdoor wordt dan de accumulator weer gevuld.

TPV p Vm ηmh

20π

20π Nm

TPV p Vm ηmh

20π

20π Nm

Voorbeelden:

20 cc/rev:

Dit koppel is dus lager dan het koppel van 86,9Nm van de A2FM23,

hierdoor zal de uitgaande as dus CCW gaan draaien.

30 cc/rev:

Dit koppel is dus hoger dan het koppel van 86,9Nm van de A2FM23,

hierdoor zal de uitgaande as dus CW gaan draaien.

1.

3.

2.

Figuur 18: De accumulator


Johan de Bruin


De lier (fig. 19):

1. Overbrenging

2. Lier

3. Hydraulische rem

4. 4/2 ‘zwart/wit’ ventiel

5. Hoge druk naar een constante

gereduceerde druk

6. Flowregelaar met terugslagklep

Door de motorcombinatie wordt de lier

aangedreven via een overbrenging (i = 51,22). In

de overbrenging is een hydraulische rem

aangebracht, waarmee de lier stil kan worden

gehouden. De olie die naar de rem gaat is flow- en

drukgeregeld. Doormiddel van een flow regelaar

wordt deze constant op 4 L/min gehouden. De druk

zou gewoon een maximale systeemdruk 315 bar

mogen zijn, maar na contact gehad te hebben met

de fabrikant is het voor de levensduur van de rem beter om deze te begrenzen tot een maximale

druk van 50 bar. Hiervoor is er een drukregelaar tussen gebouwd die de druk begrensd tot een

maximale druk van 50 bar. Door het 4/2 ventiel te schakelen, zal de rem onder druk worden gezet

waardoor deze wordt gelicht.

3.3.3 Het aansluiten van het hydraulisch systeem

Net zoals dat het bouwen van het systeem bij het project hoort, is dat ook zo met het aansluiten

van het hydraulisch systeem. Maar ook dit is niet relevant voor de inhoud van het verslag en is

daarom als bijlage aan het verslag toegevoegd (zie bijlage 3).

3.4 Elektrisch systeem

3.4.1 Elektrische schema’s

Om met de testopstelling te kunnen testen is een elektrisch systeem nodig. De schema’s die

gemaakt zijn om een elektrokast te bouwen zijn als bijlage aan het verslag toegevoegd. Dit zijn

realistische schetsen geworden, omdat het teveel tijd zou kosten om het in het tekenprogramma

See Electrical te doen.

De pagina nummers van het schema zijn als volgt ingedeeld:

51-100 = 100-240VAC control circuits 100-200 = 24vdc power control circuit 200-300 = emergency stop circuit 300-400 = configuration controls 400-450 = digital inputs 450-500 = analogue inputs 500-550 = digital outputs 550-600 = analogue outputs Elektrische berekeningen

Het schema is toegevoegd als bijlage aan dit verslag (zie bijlage 4), maar zal verder in dit verslag niet uitgewerkt daar het niet relevant is voor het project.

3.

2.

1.

4.

5.

6.

Figuur 19: De lier


Johan de Bruin


3.4.2 Elektrische informatie

PWM signaal:

De aansturing van het ventiel wordt gedaan

doormiddel van een PWM signaal vanuit de

regelaar. Een PWM signaal is een Pulse Width

Modulation signaal, dus kort gezegd een signaal

waarbij de breedte van de puls wordt aangepast

(zie fig. 20).

t: Periode tijd

ton: Dit is het gedeelte van de periode tijd dat er

een signaal wordt gestuurd.

Door deze twee tijden te combineren kan de duty cycle

worden uitgerekend (zie ook fig. 21). Dit kan met de

volgende formule:

De duty cycle is het percentage van de tijd dat er

spanning wordt gestuurd.

Zoals in de bovenstaande afbeelding te zien is, is de

stroom veranderbaar door of de duty cycle of de ton te veranderen. Als de duty cycle laag is, dan is

de stroom ook laag. Dus als de duty cycle hoog is, is de stroom hoog.

Voor de regelaar wordt een EPEC 2024 toegepast. Het PWM signaal van deze PLC heeft de

volgende elektrische eigenschappen:

Tabel 5: Elektrische eigenschappen PWM signaal van de EPEC regelaar

De frequency waarmee een PWM signaal wordt gestuurd fpwm, is instelbaar van 40 tot 2550 Hz.

Als de fpwm bijvoorbeeld op 100 Hz staat, is de periode tijd (t) 10ms. Uit de tabel 5 is op te maken

dat de uitgaande stroom van min. 0A tot max. 3A loopt. Dus als de duty cycle 0% is dan is de

stroom ook 0A. Echter wanneer de duty cycle naar 100% gaat zal de stroom ook oplopen naar 3A.

Figuur 21: Puls signaal

Figuur 20: PWM signaal


Johan de Bruin


3.4.3 Het aansluiten van het elektrisch systeem

Nadat de tekeningen gereed waren, kon het elektrisch systeem ook daadwerkelijk gebouwd, en

aangesloten worden aan het systeem. Dit deel is niet relevant voor het project, en is daarom terug

te vinden als bijlage (zie bijlage 4) bij het verslag.

3.5 De regeling

In deze ontwikkelingsfase is theoretisch een regeling gemaakt voor een secundair heave

compensation systeem. Echter nadat bleek dat de aandrijving van de lier onvoorziene problemen

veroorzaakte en een regeling niet meer getest kon worden, is dit uit het verslag gelaten. Het is als

bijlage bij dit verslag toegevoegd (zie bijlage 5).

3.6 Software programma

Omdat de problemen die tijdens het testen naar voren zijn gekomen niet waren voorzien, is het

programmeren en testen van een heave compensation regeling niet meer gelukt. Wel is er aan het

einde van de testfase nog een moment geweest dat er overgeschakeld is van het WEST

programma, naar de regelaar (EPEC) die in de elektrokast is gebouwd. Hierdoor is datgene wat

met het WEST programma gedaan is overgenomen.

Er is een stukje software voor de testopstelling geschreven, waarmee

doormiddel van een joystick bediening (zie fig. 22) de lier linksom en

rechtsom gestuurd kan worden. Hierbij worden de volgende inputs en

outputs gebruikt voor het regelen:

Digitale inputs:

Richting contact van de joystick voor linksom

Richting contact van de joystick voor rechtsom

Analoge inputs:

Analoge waarde van de joystick

Analoge waarde van de LVDT

Analoge Output:

PWM aansturing voor de slagplaat cilinder

De richting contacten moeten worden gebruikt, om te weten welke kant de joystick wordt bediend

omdat de analoge input waarde (0 – 10V) aan beide zijden hetzelfde is. De analoge joystick

waarde wordt in de kast omgezet van 0 – 10V naar 4 – 20mA, omdat de PLC geen 0 – 10V in kan

lezen. De joystick waarde wordt in de PLC gebruikt als de gewenste waarde voor de PID regelaar.

Ook de analoge waarde van de LVDT (0 – 10V), wordt om gezet naar 4 – 20mA. Deze wordt

gebruikt als actuele waarde voor de PID regelaar.

De output van de PID regelaar, is de PWM aansturing voor de slagplaat cilinder.

Hierbij is kort uitgelegd hoe het PLC programma waarmee op het einde van de testfase werkt. Een

uitgebreide uitleg van het PLC programma is te vinden in bijlage 6.

Figuur 22: Test joystick


Johan de Bruin


4. De testfase

4.1 Het testen van het systeem

4.1.1 Inleiding

Nadat het systeem volledig was opgebouwd, kon het

daadwerkelijke testen van het systeem beginnen.

Hiervoor is door Hycos een 15kW elektrisch powerpack

(zie fig. 23) beschikbaar gesteld. Dit is een powerpack

met een ventielenblok met drie secties. Deze secties

leveren allemaal een verschillende flow (v.l.n.r):

1. 5 l/min

2. 15 l/min

3. 33 l/min

De eerste sectie (5 l/min) zal later worden gebruikt om de rem te kunnen lichten.

De tweede sectie (15 l/min) zal later worden gebruikt om de slagplaat extern te gaan

regelen, de reden hiervoor zal later in dit verslag nog aan de orde komen.

De derde sectie (33 l/min) wordt gebruikt om met het systeem te kunnen werken.

4.1.2 Mechanisch/hydraulisch testen

Nadat de opstelling geheel was afgerond en aangesloten volgens

het hydraulisch schema, is de systeemdruk van de derde sectie

(33 l/min) afgesteld op een maximale druk van 60 bar. Dit is

gedaan door de poort af te blinden en handmatig de hendel van

het ventiel te bedienen. De druk kan dan afgelezen worden op

de manometer. Deze lage druk wordt gebruikt om eerst veilig te

kunnen testen, zodat de kans dat er iets kapot gaat zo klein

mogelijk wordt gehouden.

Nu kunnen ook de pers en de retour van de opstelling

aangesloten worden op het powerpack. De pers slang wordt

aangesloten op de aansluiting waarop de 60 bar is ingesteld. De

retour kan echter niet via hetzelfde ventielenblok (zie fig. 24),

omdat de hoeveelheid olie die terug kan dezelfde hoeveelheid is

als die er door bediening van het ventiel naar het systeem toe

gaat. Omdat deze liters weleens meer kunnen zijn, is de

retourslang direct op de koeler aangesloten zodat er meer olie

terug kan als dat nodig is.

De eerste test van de lier is handmatig gedaan, dit is gedaan door gewoon de hendel voor de

systeemdruk te bedienen. Hierdoor komt het systeem op een druk van 60 bar. Ook de stuurdruk

voor de slagplaat cilinder komt hiermee onder druk waardoor deze naar minimaal slagvolume zal

gaan. Zodra de rem werd gelicht ging de lier ook draaien, deze ging linksom draaien omdat de

A2FM23 sterker is dan de PV046. Daarna vanuit het PLC programma een maximaal PWM signaal

naar het ventiel voor de slagplaatverstelling gestuurd, waardoor de de slagplaat naar maximaal toe

ging. Op dat punt is dus de PV046 sterker dan de A2FM23 en ging de lier rechtsom draaien.

Nadat bekend was dat de lier twee kanten op kon draaien, kon het testen beginnen om de

slagplaat doormiddel van een PID regelaar te kunnen regelen. Het resultaat was echter dat de

plunjer waarmee de slagplaat wordt geregeld constant tegen zijn eindaanslag stond te klapperen.

Figuur 23: De testopstelling

Figuur 24: Ventielenblok van testpowerpack


Johan de Bruin


Niet wetende wat daar precies de oorzaak van was, besloten eerst het systeem mechanische goed

te testen voordat er dieper naar de software gekeken ging worden.

Om eerst goed naar het systeem te kijken of het mechanisch naar

behoren werkt, is een Parker regelkaart (zie fig. 25) gebruikt om de

slagplaat te gaan regelen. Deze Parker regelkaart is speciaal

ontwikkeld voor de PV pompen serie.

Nadat met het programma WEST de juiste instellingen voor de PV046 ‘pomp’ vanaf de laptop in de

regelkaart zijn gezet, kunnen vanaf de regelkaart de LVDT en het stuurventiel voor de slagplaat

aangesloten worden. Hiervoor is bij Hycos een speciaal test kastje aanwezig waar alle stekkers al

op voorbereid zijn. Door spanning op het test kastje te zetten, kon met een potmeter de slagplaat

van 0 – 100% worden geregeld. De gewenste waarde (WQ) en de actuele waarde (XQ) kunnen op

de laptop doormiddel van een “monitor”, zoals dat heet in het WEST programma, worden

gesimuleerd (zie fig. 26).

Als het systeem uit staat, zal de slagplaat maximaal staan. Dit komt door de veer die de slagplaat

naar maximaal trekt, als er niet wordt geregeld. Zoals uit tabel 6 blijkt, zou op het moment dat de

slagplaat maximaal staat het voltage dat terug komt van de LVDT 5,45 V moeten zijn. Dit bleek

echter niet het geval. Het voltage dat op dat moment werd gemeten was 5,63 V. Ook op de

monitor van het WEST programma was te zien dat de actuele slagplaat positie 80% was i.p.v.

100%.

Zodra er druk op het systeem wordt gezet, en deze boven de 30 bar komt, zal de slagplaat naar

minimaal gaan als er niet wordt geregeld. In de tabel 6 is af te lezen, dat op dat moment het

terugkoppel signaal van de

LVDT 7,5 V zou moeten zijn. Dit

bleek echter ook niet het geval

want hierbij was het voltage

7,68 V. Ook op de monitor van

het WEST programma was te

zien dat het actuele slagplaat

positie -13% was i.p.v. 0%.

Figuur 25: Parker regelkaart

Figuur 26: Gewenste en actuele waarde

Tabel 6: LVDT signaal van PV pompen


Johan de Bruin


Uit het feit dat de actuele waarden niet klopten met de fabrieksinstellingen, komt naar voren dat

dit gecontroleerd moest worden. Hiervoor is de documentatie van de LVDT gecontroleerd.

De LVDT (zie fig. 27) is een standaard component,

welke bij elke PV pomp hetzelfde is.

De Lineair Veranderlijke Differentiaal-Transformator

(LVDT) is een elektromechanische omzetter, waarvan

het elektrisch uitgangssignaal rechtstreeks evenredig is

met de verplaatsing van een afzonderlijk beweegbare

kern. Rondom de holle cilinder waardoor de kern axiaal

verplaatst zijn drie spoelen op gelijke afstand van elkaar

aangebracht. Deze kern beïnvloedt dan de weg van de

magnetische flux tussen de spoelen, waardoor dan de

uitgangspanning wordt bepaald.

Omdat bij elke bouwgrootte van de PV pomp de

conische as, waardoor de kern van de LVDT wordt verplaatst, anders

is en de LVDT toch standaard is, moet er iets aangepast kunnen

worden. Hetgene wat daarvoor aangepast kan worden, is de lengte

van de kern.

Bij de PV046 die gebruikt wordt bij de testopstelling zou de afstand A

dus 73,5 mm moeten zijn (zie fig. 28). Na controle bleek dit ook het

geval, dit is dus niet de reden dat het voltage van 5,63 V tot 7,68 V

loopt in plaats van 5,45 V tot 7,5 V.

Hetgene wat nu overblijft, is het verstellen van de “zero

adjustment”, waarmee de “0” positie van de slagplaat mee geregeld

kan worden. Door de externe aansturing van de pomp voor de slagplaatverstelling op druk te

zetten, gaat de slagplaat naar minimale stand. Op dit punt zou dus ook de teruggekoppelde

waarde, die te zien is in het WEST programma (XQ), 0% moeten zijn, maar deze is echter -13%.

Daarna is de zero adjustment versteld totdat in het WEST programma de teruggekoppelde waarde

ook daadwerkelijk 0% was.

Vanaf dat moment kon er dus met de Parker regelkaart van 0 – 100% worden geregeld. Nu de

aansturing van het systeem naar behoren werkt, en er dus constant bekend is wat de slagplaat

precies doet, kon er beter getest worden. Uit de daaropvolgende testen kwamen de twee volgende

problemen naar voren.



Om het overzicht te blijven houden wordt eerst het eerste probleem bekeken, en zover mogelijk

verholpen. Daarna wordt er pas naar het volgende probleem gekeken. Dus nu eerst het probleem

dat de slagplaat af en toe tijdens het regelen blijft “hangen”.

Figuur 27: LVDT van Parker PV

Figuur 28: LVDT lengte PV


Johan de Bruin


Om oorzaken uit te kunnen sluiten, wordt de pextern van de pomp aangesloten op het

testpowerpack. Deze is in de eerste instantie

ingesteld op 140 bar.

1. Pextern aansluiting

2. Persdruk aansluiting

3. Blindplug

Normaal gesproken is deze druk gelijk aan de

systeemdruk omdat deze rechtstreeks in verbinding

staat met de plunjer. Het leidinkje wat normaal

vanaf de P-poort naar de plunjer gaat moet dan wel

worden afgeblind (zie fig. 29 punt 3).

Om ook met de rem erop het systeem te kunnen

testen, is de rem ook vanaf het testpowerpack

aangesloten. Deze is afgesteld op 60 bar. Hierdoor

kunnen pextern en het systeem ook getest worden

zonder dat de rem wordt bediend.

Daarna zijn met de Parker regelkaart, en het WEST

programma, een aantal testen uitgevoerd. Hierbij is

de pextern druk op 140 bar blijven staan en is de systeemdruk steeds veranderd. De testen die zijn

uitgevoerd:

Systeemdruk op 60 bar

o Zonder de rem erop

o Met de rem erop



o Met de rem erop



o Met de rem erop

Zonder systeemdruk (hierbij maakt de rem niet uit)

Van al deze testen is in het WEST programma een grafiek gemaakt, met daarin de WQ (gewenste

waarde) en XQ (actuele waarde). Deze grafieken zijn terug te vinden in bijlage 7 met per grafiek

een stukje uitleg.

De conclusie die hieruit te trekken valt, is dat ten eerste met externe stuurdruk voor de slagplaat

verplaatsing de slagplaat goed te regelen is. Dit is te zien in de laatste test, waarbij zonder een

systeemdruk is getest. Ten tweede kan worden geconcludeerd dat met een systeemdruk van 60

bar, de slagplaat ook goed volgt. De regeling wordt wat onstabieler als de lier start met draaien,

maar dat zal er straks met een eigen PID regeling wel bij getuned kunnen worden. Bij een

systeemdruk van 100 bar blijkt dat de regeling het in zijn geheel wel wat moeilijker krijgt, omdat

deze dan over het gehele bereik onstabiel wordt. Bij 190 bar systeemdruk blijft de slagplaat dus

duidelijk “hangen”, een duidelijk verschil ten opzichte van de andere testen is dat bij deze test de

systeemdruk hoger is dan de externe stuurdruk voor de slagplaatverstelling.

De testen die met de rem erop zijn uitgevoerd geven eigenlijk geen ander beeld dan de testen

zonder rem. Ook bij deze testen is te zien dat bij de systeemdrukken 60 bar en 100 bar de

slagplaat nog naar behoren werkt en bij 190 bar dan weer geheel niet werkt en zeer onstabiel is.

3.

2.

1.

Figuur 29: Pextern aansluiting


Johan de Bruin


Voor het probleem van het blijven “hangen” van de slagplaat zal er dus vooral gekeken moeten

worden naar het druk verschil tussen de externe stuurdruk voor de slagplaatverstelling en de

systeemdruk.

Na nog een aantal testen met een systeemdruk van 120 bar en 140 bar, bleek daarbij dat de

slagplaat daarbij ook af en toe bleef “hangen”. Terwijl de slagplaat bij 190 bar altijd bleef hangen

en bij 100 bar nooit bleef ‘hangen’. Deze drukken die hier dus tussen in liggen lijken dus wat

kritischer te liggen.

Om het feit dat de slagplaat af en toe blijft ‘hangen’ te verklaren moet er wat meer in de motor

worden verdiept.

Hiernaast een doorsnede van een Parker PV046

(fig. 30), met de slagplaat in maximale stand.

Omdat er een probleem is met het verstellen

van de slagplaat, zal daar als eerste naar

worden gekeken. Wat gelijk opvalt, is dat zich

aan de ene kant van de slagplaat de cilinder

voor de verstelling bevindt, en aan de andere

kant een veer. Het is dus mogelijk dat de veer

tegenwerkt ten opzichte van de werking van de

slagplaat.

Het staat vast dat als er geen druk op het

systeem staat, de slagplaat in maximale stand

staat. Hieruit blijkt dat de veer duwend is.

Wanneer de slagplaat dan van maximaal naar

minimaal wordt geregeld, zal de veer tegenwerken. Als de slagplaat van minimaal naar maximaal

wordt geregeld zal de veer meewerken. Dit is duidelijk niet het probleem, want uit de testen is

duidelijk gebleken dat de slagplaat alleen blijft hangen als er van minimaal naar maximaal wordt

geregeld. Dan werkt de veer juist mee met de slagplaat.

Het volgende wat te zien is aan de afbeelding van de opengewerkte PV046, is dat de cilinders

tegen de slagplaat aan staan. Als het systeem draait staat er dus druk op deze cilinders en door de

kracht die daardoor ontstaat wordt het cilinderhuis dan rond gedraaid, waardoor de motor zal gaan

draaien. Als de kracht die door de cilinders uitgeoefend wordt op de slagplaat groter is dan de

kracht waarmee er door de verstelcilinder van de slagplaat aan de slagplaat wordt getrokken is het

goed mogelijk dat de slagplaat blijft ‘hangen’.

De Parker PV046 motor wordt aangedreven door 9 cilinders, zoals te zien is in figuur 31. Om dan

de motor te laten draaien, worden er steeds 4 of 5 cilinders onder druk gezet, dat wisselt elkaar af.

De motor draait, omdat er speciale gleuven (zie fig. 32) in het huis zijn aangebracht die in

verbinding staan met het cilinderblok. Deze wisseling gebeurt elke omwenteling 9 keer.

Figuur 30: Doorsnede PV pomp

Figuur 32: Drukverdeling PV pomp Figuur 31: Plunjers PV pomp


Johan de Bruin


Het betekent dus dat er steeds twee of drie cilinders tegen de slagplaat staan te drukken, omdat er

twee altijd onder de draailijn van de slagplaat staan werken deze mee. Om dit als verklaring voor

het af en toe blijven “hangen” van de slagplaat te geven, zal het krachtenspel in de motor

uitgerekend moeten worden:

De kracht die de cilinders uitoefenen op de slagplaat

De kracht die de slagplaatcilinder uitoefent op de slagplaat

1. De kracht die de cilinders uitoefenen op de slagplaat:

Voor een Parker PV046 is gegeven dat de kracht per cilinder bij 350 bar 8000 Newton. De systeem

druk van de testopstelling is 100 bar. Omdat de diameter van de cilinder altijd hetzelfde is, kan er

worden vastgesteld dat de druk evenredig is met de kracht.

Voor een systeem druk van 100 bar wordt de kracht per cilinder:

2. De kracht die de slagplaatcilinder uitoefent op de slagplaat

De cilinder voor de slagplaat verstelling werkt op een externe stuurdruk van 140 bar. Doormiddel

van de diameter van de cilinder kan dan met de volgende formule de kracht op de slagplaat

worden uitgerekend:

Waarbij geldt:

F : Kracht in Newton

p: Druk in Pascal

A: Oppervlakte in vierkante meters

Om de oppervlakte van de cilinder te bepalen, is deze

gedemonteerd uit de PV046 motor.

In figuur 33 kan net zoals bij een standaard cilinder het

zuigeroppervlak (2.) en het ringoppervlak (1.) worden

waargenomen. Door deze oppervlakte uit te rekenen is

de kracht die de slagplaatcilinder uitoefent uit te

rekenen. De diameters die nodig zijn daarvoor zijn in de

hier onderstaande schets aangegeven (zie fig. 34).

Figuur 34: tekening van plunjer voor slagplaatverstelling

1.

2.

Figuur 33: Plunjer voor slagplaatverstelling


Johan de Bruin


Het zuigeroppervlak:

Het ringoppervlak:

Om het ringoppervlak te berekenen moet eerst het stangoppervlak worden berekend:

Het ringoppervlak wordt nu:

Nu kunnen de krachten die worden uitgeoefend in de twee verschillende situaties worden

uitgerekend:

Als er druk op het zuigeroppervlak staat:

Als er druk op het ringoppervlak staat:

Om te kijken bij welke drukverschillen het omslagpunt van het blijven hangen van de slagplaat ligt,

zijn er een aantal tests uitgevoerd met verschillende drukken. Hiervoor is de pextern ingesteld op

140 bar. Dit is af te lezen in de hier onderstaande tabel in de testen 1 t/m 4.

Met A2FM23 Zonder A2FM23

Test 1: Systeemdruk: 140 bar

Externe stuurdruk: 140 bar

Slagplaat blijft WEL “hangen”: 3

Slagplaat blijft NIET “hangen”: 7













Test 3:

Systeemdruk: 120 bar




Test 7:





Test 4:





Test 8:





Tabel 7: Testen om te kijken hoeveel de slagplaat blijft “hangen”


Johan de Bruin


Om uit te kunnen sluiten dat het vast blijven hangen van de slagplaat niet aan de A2FM23 ligt, zijn

dezelfde testen die met de A2FM23 zijn uitgevoerd, ook zonder A2FM23 uitgevoerd. Hieruit is te

concluderen dat de A2FM23 er niets mee te maken heeft.

Bij de testen 1, 2, 5 en 6 bleef de slagplaat af en toe op een willekeurig punt hangen. Echter bij de

testen 3 en 7, bleef de slagplaat alleen hangen als de slagplaat boven de 80% stond (bijna

maximaal). Alleen op dat punt speelt het kleine drukverschil van 20 bar nog een rol. Bij de testen 4

en 8 is te zien dat de slagplaat niet meer blijft hangen, dus als de pextern druk 40 bar hoger is dan

de systeemdruk.

Er is dus nu bekend welke kracht een zuiger uitoefent op de slagplaat en welke kracht er door de

slagplaatcilinder uitgeoefend wordt op de slagplaat. Echter oefenen zowel de 2/3 plunjers als de

slagplaatcilinder allemaal een ander moment uit op de slagplaat. Om deze momenten te berekenen

zijn alle maten daarvoor nodig, maar deze worden niet ter beschikking gesteld door de fabrikant.

De praktische conclusie van het probleem dat de slagplaat tijdens het regelen blijft ‘hangen’, is dus

dat de druk voor de slagplaatverstelling (pextern) altijd 40 bar of meer, hoger moet zijn dan de

systeemdruk, echter valt dit helaas niet theoretisch te onderbouwen.

Het eerste van de twee problemen die aan het begin van het testen naar voren zijn gekomen, lijkt

te zijn opgelost. Nu kan naar het tweede probleem worden gekeken, dat was het volgende:

Het systeem heeft een hele grote dode band.

Toen er begonnen is met testen is de LVDT afgesteld, dit is eerder in dit verslag behandeld. Daarna

kon er met de slagplaat van 0 – 100% worden geregeld. Tijdens de testen voor het eerste

probleem kwam al naar voren dat de lier pas op hele rare momenten begon met draaien.

Tijdens de uitleg van de motoren in het hydraulisch schema is de werking van het door de ‘0’

regelen al uitgelegd. Kort gezegd, is 23 cc van de PV046 het “0” punt, waarbij de koppels bij van

de beide motoren dus aan elkaar gelijk zijn. Theoretisch gezien zou zodra het slagvolume van de

PV046 bijvoorbeeld 2cc wordt vergroot deze overwinnen, omdat het koppel groter wordt, en zal de

lier linksom gaan draaien. Als het slagvolume van de PV046 bijvoorbeeld 2cc wordt verkleint,

overwint de A2FM23 omdat het koppel van de PV046 minder wordt, zal de lier rechtsom gaan

draaien.

Dit bovenstaande blijkt met testen totaal niet het geval. Bij de eerste paar testen, waarbij nog niet

specifiek naar de positie van de slagplaat werd gekeken, leek het alsof de lier bij ongeveer 40cc

linksom en bij 6cc rechtsom ging draaien en klaarblijkelijk dus een dode band had van 36cc.

Om deze punten beter te bepalen wordt er gebruik

gemaakt van de HMG 3000 van Hydac. De HMG 3000 is

een draagbaar meetinstrument. Het stelt de gebruiker in

staat om metingen uit te voeren in de snelst mogelijke

tijd, doormiddel van automatische instellingen en

procedures, met een eenvoudige bediening en uitgebreide

functies. De HMG 3000 (fig. 35) is in de eerste plaats

ontworpen voor het opnemen van druk, temperatuur en

debiet, welke de standaard parameters zijn in de

hydrauliek en pneumatiek. Met extra ingangen voor

spanningsmetingen kunnen er veel verschillende metingen

worden uitgevoerd.

Figuur 35: HMG 3000


Johan de Bruin


Er worden twee metingen tegelijkertijd uitgevoerd om de juiste punten waar de lier begint en stopt

met draaien te bepalen:

Snelheidsmeting (rood)

Verplaatsingsmeting (blauw)

De eerste meting is gedaan bij het regelen van 23cc naar 0cc (zie grafiek 3). Hierbij wint dus de

A2FM23 van de PV046 waardoor de lier linksom zal gaan draaien, de slagplaat gaat naar minimaal

dus het terugkomende voltage van de verplaatsing gaat naar maximaal toe.

Grafiek 3: Bij regelen van 23cc naar 0cc

Nadat grafiek 3 uit de meting is gekomen, kan hieruit het punt bepaald

worden waar de lier is begonnen met draaien.

Aflezen uit de grafiek 4 geeft een voltage van:

7,09 V = 7,85 cc (17%)

Ook kan uit grafiek 3 het punt bepaald worden waar

de lier is gestopt met draaien.

Aflezen uit grafiek 5 geeft een voltage van:

6,80 V = 13,11 cc (28,5%)

Grafiek 5: stopt met draaien

Grafiek 4: start met draaien


Johan de Bruin


De tweede meting is gedaan bij het regelen van 23cc naar 46cc (zie grafiek 6). Hierbij wint dus de

PV046 van de A2FM23 waardoor de lier rechtsom zal gaan draaien, de slagplaat gaat naar

maximaal dus het terugkomende voltage van de verplaatsing gaat naar minimaal toe.

Grafiek 6: Bij regelen van 23cc naar 46cc

Nadat grafiek 6 uit de meting is gekomen, kan hieruit het punt bepaald

worden waar de lier is begonnen met draaien.


5,80 V = 36,35 cc (79%)

Ook kan uit grafiek 6 het punt bepaald worden

waar de lier is gestopt met draaien.


6,29 V = 25,35 cc (55,1%)

Grafiek 8: Stopt met draaien

Grafiek 7: Start met draaien


Johan de Bruin


De uitkomsten van de voorgaande metingen, zijn op dit moment nog onverklaarbaar. Hiervoor zal

het systeem verder onderzocht moeten worden. De eerste gedachte die hierbij naar voren komt is

de vraag of het systeem last heeft van statische wrijvingskoppels. Dit is het koppel wat elk

component van het systeem minimaal nodig heeft om te gaan draaien. Deze componenten zijn:

De PV046 motor

De A2FM23 motor

De lier

Hiervoor worden drie verschillende situaties gecreëerd om er achter te komen wat het statische

wrijvingskoppel van elk component is. Als dan in een vaste slagplaat positie, de persdruk en de

retourdruk worden gemeten, kan doormiddel van de volgende formule het wrijvingskoppel worden

berekend.

T p mp V

Omdat hier gericht met het slagvolume moet worden

gerekend, rees de vraag of het slagvolume wel

daadwerkelijk klopt met de 0 – 100% van het WEST

programma. Vooral omdat eerder in dit verslag de “zero

adjustment” van de LVDT bijgesteld moest worden.

Terwijl hieraan, na navraag aan Parker, maar zelden

aan bijgesteld hoeft te worden. Om dit te controleren, is

de volgende formule nodig:

Het toerental wordt al op de HMG 3000 weergeven,

maar nu is ook het debiet nodig. Hiervoor is er ook een

Hydac debietmeter (zie fig. 36) aangesloten op de HMG

3000.

1. Procentueel slagvolume in WEST programma: 92,27%

Toerental lier: ⁄ Toerental PV046: ⁄

Debiet: ⁄

2. Procentueel slagvolume in WEST programma: 50%


Debiet: 16,5 ⁄

3. Procentueel slagvolume in WEST programma: 13%


Debiet: ⁄

Figuur 36: De flowmeter


Johan de Bruin


Nu kan voor de drie verschillende situaties, van waaruit het statisch wrijvingskoppel van de drie

verschillende componenten te bepalen is, een test uit worden gevoerd. Als eerste de statische

wrijvingskoppels bij maximaal slagvolume.

Situatie 1:

Vslag = 93,5 % = 43,9 cc

Persdruk: 14 bar

Retoudruk: 9,3 bar

De druk over de pomp wordt nu: –

De wrijving van alleen de PV046 wordt dan: T

Situatie 2:

Vslag = 92,5 % = 43,4 cc

Persdruk: 20 bar

Retoudruk: 9,6 bar



Situatie 3:

Vslag = 93 % = 43,7 cc

Persdruk: 26 bar

Retoudruk: 11,3 bar



Het statische wrijvingskoppel van de 3 aparte componenten wordt nu:


Johan de Bruin


Dezelfde testen, worden ook nog een keer gedaan bij een slagvolume van 40%.

Situatie 1: T

Situatie 2: T

Situatie 3: T

Het statische wrijvingskoppel van de drie aparte componenten wordt dan:

Bij maximaal slagvolume zijn de statische wrijvingskoppels van de aparte componenten dan bijna

aan elkaar gelijk, zo rond de 3 á 4 Nm. Bij 40% slagvolume variëren deze statische

wrijvingskoppels iets meer, de reden daarvan is nog niet te verklaren. Dit kan te maken hebben

met een onnauwkeurige meting of het komt uit het probleem met de dode band voort. Toch kan er

nu wel gezegd worden dat het probleem met de dode band niet door het statische wrijvingskoppel

komt. Dit is vreemd omdat het maximale wrijvingskoppel dat bepaald is, ongeveer 12Nm is, terwijl

bij een slagvolume van 8cc het koppel ook al ongeveer 12Nm is.

En 8cc van 46cc is 17,4%. Dus bijvoorbeeld bij 67,4% hebben de motoren het statische

wrijvingskoppel overwonnen en zou de lier theoretisch kunnen gaan draaien. Echter gebeurt dit pas

bij 79%, dus ligt het hoogst waarschijnlijk niet aan het statische wrijvingskoppel.

Nu de wrijvingskoppels van de componenten van het systeem zijn berekend en het daar niet aan

blijkt te liggen, is er besloten om toch nog door middel van de EPEC regelaar te gaan regelen.

Hiervoor is de Parker regelkaart gedemonteerd en alle sensoren op de EPEC aangesloten. Daarna is

het PLC programma wat eerder in dit verslag is besproken in de EPEC gezet.

In de eerste test met het programma is het zo geprogrammeerd dat de middelste positie van de

joystick de slagplaat naar 50% (middenstand waar de lier stil staat) stuurt. Als de joystick dan

naar links wordt bewogen, wordt er van 50% tot 0% geregeld. Als de joystick naar rechts wordt

bewogen, wordt er van 50% tot 100% geregeld. Het resultaat tijdens het regelen komt overeen

met het resultaat van de Parker regelkaart. Heel duidelijk is dus nog steeds de grote dode band die

in het systeem zit.

Daarna een tweede test uitgevoerd met het programma, waarbij de dode band is weg

geprogrammeerd. Dit is gedaan om te controleren of er zonder een diepgaand hydraulisch

onderzoek toch al een regeling te testen is voor een heave compensation systeem. Als de joystick

nu naar links wordt bewogen, wordt er van 15% tot 0% geregeld. Als de joystick naar rechts wordt

bewogen, wordt er van 85% tot 100% geregeld. Het resultaat is dat de dode band weg is, en dat

de lier als er van maximaal naar minimaal slagvolume (100% naar 0%) wordt geregeld in hele kort

tijd de draairichting omdraait. Echter als er van minimaal naar maximaal slagvolume (0% naar

100%) wordt geregeld, stopt de lier wel snel maar duurt het 3 á 4 seconden voordat de lier dan

weer de andere kant op begint te draaien.

Hieruit valt duidelijk op te maken dat om een regeling voor een heave compensation te gaan testen

waarbij de dode band is weg geprogrammeerd geen oplossing is. Een heave compensation met een

systeem waarvan de vertragingstijd 3 á 4 seconden blijkt te zijn, is voor een golfperiode van 2,6

seconden onmogelijk.


Johan de Bruin


5. Conclusie & Aanbevelingen

5.1 Conclusie

Het project is begonnen met de opdracht om een regeling voor een heave compensation systeem

te ontwerpen, te maken en te testen. Het is project is echter totaal anders gelopen dan in het

begin werd verwacht. Terwijl het bekend was dat het ontwikkelen van een systeem tegen een

acceptabele kostprijs risico’s met zich mee bracht, is daar tijdens het onderzoek niet meer zo goed

bij nagedacht. Er is dus een klein beetje vanuit gegaan van het feit dat het systeem wel zou gaan

werken.

Hierdoor is in de definitiefase gewoon alles bepaald wat nodig was om tot een werkend

eindresultaat te komen. Voor het huidige eindresultaat is het echter een groot gedeelte van

hetgene wat bepaald is niet meer van belang. De informatie is dan voor het huidige eindresultaat

niet meer van groot belang, maar voor Hycos is deze informatie voor de toekomst zeker belangrijk,

en persoonlijk gezien was het ook erg leerzaam.

Mede door de lange levertijd van sommige componenten, waardoor het bouwen van de

testopstelling werd uitgesteld, is er tijdens het project heel erg ver nagedacht over de regeling.

Uiteindelijk bleek het door te weinig kennis en informatie voor mij niet mogelijk om daar een

Simulink regeling voor te maken, om zo theoretisch het systeem te kunnen testen. Doordat daar

geen nuttige dingen uit zijn gekomen, is dit ook niet meer in het verslag verwerkt. Dit is een

misstap geweest tijdens het project, waar veel tijd in heeft gezeten. Echter zijn er wel dingen

uitgekomen die meegenomen konden worden bij het maken van een blokschema voor een

regeling. Met deze regeling zal in de toekomst nog getest worden.

Tijdens het verdiepen in de regeling, waren de meeste componenten binnengekomen. Vanwege het

feit dat er voor de testopstelling weinig standaard was, en bijna alles aangepast moest worden,

heeft het opbouwen veel uren gekost. Zoals uit het verslag is gebleken, moesten er veel

onderdelen worden getekend en gemaakt of aangepast worden.

Uiteindelijk is dus uit de testfase gebleken dat het systeem een aantal problemen bleek te geven

die niet waren voorzien tijdens het hele voorbereidingstraject van het onderzoek. Deze problemen

waren:



Deze problemen kwamen voort uit de motor combinatie die was gekozen, om binnen een

acceptabele kostprijs te blijven. Uit het testen om achter de oorzaak van deze problemen te

komen, was te concluderen dat voor het eerste probleem praktisch de oorzaak naar voren is

gekomen. Daarbij bleek dat als de externe druk voor de slagplaatverstelling 40 bar hoger moest

zijn dan de systeemdruk. Bij het tweede probleem is de conclusie dat het niet ligt aan de

wrijvingskoppels. Verder is dit probleem blijven steken vanwege hydraulische nog niet te verklaren

zaken.

Door de problemen aan uit de testfase is het uiteindelijk niet mogelijk geweest om een regeling te

testen. Daar hangt aan vast dat ook het verschil in dynamische eigenschappen, tussen een primair

en een secundair systeem, niet is bepaalt. De doelstelling is daarom niet in zijn geheel behaald.

Aan de hand van de conclusie, zullen er nog een aantal aanbevelingen volgen voor de toekomst

van het project. Hierbij staat het verder onderzoeken van de problemen op de eerste plaats.


Johan de Bruin


5.2 Aanbevelingen

Om in de toekomst een daadwerkelijk heave compensation systeem te kunnen regelen, zullen eerst

de problemen uit het systeem gehaald moeten worden omdat er op deze manier niet mee te

regelen valt. Hiervoor nog een paar aanbevelingen:

1. In de conclusie is naar voren gekomen dat voor het probleem dat de slagplaat bleef

“hangen”, alleen een praktische oplossing is gevonden. Dit is door de externe stuurdruk

voor de slagplaatverstelling 40 bar hoger in te stellen dan de systeemdruk. Het lijkt dus te

gaan om het krachtenspel van de plunjer voor de slagplaat verstelling en de plunjers die

tegen de slagplaat drukken in de motor. Om definitief te kunnen bepalen, hoe het precies

zit met die krachten, is het belangrijk het probleem ook eens theoretisch te bekijken. Dit

door de Parker PV046 motor in z’n geheel uit elkaar halen, zodat door de “arm” van de

verschillende plunjers te meten, de momenten van de plunjers en de slagplaat cilinder ten

opzichte van de slagplaat bepaald kunnen worden. Zo kan er dan theoretisch het

krachtenspel in de motor worden berekend.

2. Om het probleem met de dode band verder te onderzoeken zal er een testopstelling

volgens figuur 37 gebouwd kunnen worden. Door de druk van het veiligheidsventiel (dit

ventiel zorgt ervoor dat de olie via een korte weg direct terugstroomt naar het reservoir als

de druk in het systeem boven de ingestelde waarde komt) te wijzigen, kan de belasting

van de A2FM23 ten opzicht van de PV046 worden gevarieerd. Hierdoor kan bekeken

worden wat de reacties zijn bij de PV046 qua druk in de pers en de retour, en de werking

van de motor. De resultaten die daaruit voorkomen, kunnen worden meegenomen tijdens

het onderzoek naar de dode band van het systeem.

3. Als uiteindelijk de problemen zouden kunnen worden verholpen, is het heel belangrijk om

de positieregeling die tijdens het project is ontwikkeld (bijlage 5) verder te ontwikkelen en

te gaan testen. Dit lijkt best eenvoudig maar zal nog veel tijd kosten om dat goed te

maken. Vooral omdat er door de lier een versnelling wordt veroorzaakt, en om daarvan de

positie terug te koppelen veroorzaakt dat een faseverdraaiing van -180˚en een -sin. Dit

veroorzaakt dus een conflict met de sin die als input dient. Verder zal er nog goed

nagedacht moeten worden over de feed-forward aan de hand van de snelheid van de

golfbeweging. Ook zal er nog bekeken moeten worden hoe de PID factoren aangepast

kunnen worden, omdat deze tijdens hoge en lage snelheid van de lier waarschijnlijk anders

zullen zijn.

Figuur 37: Testopstelling als aanbeveling voor de toekomst


Johan de Bruin


6. Literatuur

Boeken:

[1] van de Brink, R. Hydraulische systemen, berekeningen. 3e druk. ISBN 978-6674-061-7

[2] Albers, P. Motion Control in Offshore and Dredging. ISBN 978-90-481-8802-4

[3] Kordak, R. Hydrostatic drives with control of the secondary unit. 2e druk. RE 00248/01.96

[4] Dickinson, M. Control Engineering, een inleiding tot de besturingstechniek. 1e druk.

ISBN 978-90-5381-032-3

[5] van Kempen, J. Regeltechniek. ISBN 978-90-430-1811-1

Internet:

[6] http://encycl.opentopia.com/term/Ocean_surface_wave

[7] http://www.mxak.org/weather/pdfs/waves.pdf


Johan de Bruin


7. Bijlagen

Bijlage 1: Organogram Hycos

Bijlage 2: Het mechanisch systeem

Bijlage 3: Het hydraulisch systeem

Bijlage 4: Het elektrisch systeem

Bijlage 5: De regeling

Bijlage 6: Het software programma

Bijlage 7: De slagplaat blijft “hangen”

Bijlage 8: Documentatie van gebruikte componenten

Vanwege de grote hoeveelheid aan bijlagen, zijn deze in een PDF document op een Cd-rom gezet.

Deze is toegevoegd aan het verslag. Door de bladwijzer in het PDF document te openen, wordt de

inhoudsopgave van het document zichtbaar. Hierdoor kan de juiste bijlage zonder al te veel moeite

worden opgezocht.

een secundaire hydraulische regeling voor een heave

Documents