Beckhoff Applicaties:

Aandrijven en zeezeilen met Ethernet


Bij Jachtwerf Vitters in Zwartsluis vond enkele maanden geleden de tewaterlating plaats van Mystère, een 43 meter lang aluminium zeiljacht. In de buik van dit supermoderne schip bevindt zich een hoop moderne aandrijf- en besturingstechniek, waaronder een zeer uitgebreid hydraulisch systeem en een geavanceerde Beckhoff besturing.



Mystère behoort tot de categorie comfortabele semi-wedstrijdjachten waarbij snelheid en comfort met elkaar verenigd zijn. Met een vaste bemanning van zes personen en vier aparte hutten voor de eigenaar en zijn gasten wordt het jacht gebruikt om te cruisen over de oceanen, maar ook om af en toe een snelle wedstrijd te zeilen. Een belangrijke eigenschap van het jacht is de makkelijke en snelle bediening van alle functies aan bood. Voor dat doel heeft Marble Marine Electronics uit Urk een besturing ontwikkeld op basis van ethernetcommunicatie. De basis van deze besturing zijn drie CX1000 embedded PC's van Beckhoff die via twee ethernet switches met elkaar verbonden zijn en met de HMI communiceren. Vanuit de HMI, bestaande uit zes touchscreens die verspreid over het schip staan opgesteld, heeft de bemanning toegang tot alle elektrische systemen, een zeer uitgebreide hydraulische installatie, alarmering en het camerasysteem. De hydraulische installatie ontvangt haar commando's vanuit de eerste van de drie CX1000 PC's via een van de twee ethernetswitches. Deze switch is gekoppeld aan acht BK9000 remote I/O-stations van waaruit alle hydraulische componenten worden aangestuurd. De tweede switch is weer verbonden met een tweede CX1000 die de besturing van het elektrisch systeem voor zijn rekening neemt. In dit geval is de embedded CX1000 verbonden met vijf remote I/O-kopstations. Van daaruit gaan weer lijntjes naar consumers als AC/DC omvormers, generatoren en verdeelkasten. De eerder genoemde tweede etnernetswitch staat ook nog in verbinding met een derde CX1000. Deze PC bewaakt alle aangesloten componenten en verzorgt de alarmering. Een bijzonder aspect hieraan is dat het schip voorzien is van een Lloyd's keur. Hoewel de producten van Beckhoff nog niet Lloyd's- gecertificeerd zijn, is het keur toch verleend omdat de 'alarmerings-PC' gescheiden is opgesteld. Verdere deelnemers op het net zijn een camerabewakingssysteem met twee bedienconsoles, vier vaste camera's in de machinekamer en twee beweegbare camera's in de 54 meter lange mast. In totaal telt het netwerk 2000 I/O's, waarvan er 120 analoog zijn. De visualisatie is ontwikkeld in Visual Basic en draait op zes aparte IPC'smet touchscreens die gekozen zijn vanwege hun bestendigheid tegen hitte tot 80°C. Twee touchscreens staan bij de twee stuurwielen aan stuur- en bakboord. Daarnaast zijn er vier touchscreens binnen in het schip. Allard Borst, systeem engineer van Marble, legt uit waarom voor de totale opzet is gekozen: "Het is de eerste keer dat we met Beckhoff werken. Wij hebben hiertoe besloten vanwege de snelheid van het netwerk. De snelheid van het ethernet netwerk is 100Mb/s. Dit geeft alleen de bandbreedte aan. Heel veel systemen werken met deze bandbreedte. Waar het eigenlijk om gaat, is hoe snel haal ik mijn I/O binnen en hoe snel kan dit bij de verwerkende processor zijn? Het systeem waarover wij spreken, is EtherCAT. Daarin ligt de snelheid van de I/O op 200 I/O per 11 microseconden. De software heeft verder een goede structuur. Vooral de koppeling tussen software en hardware spreekt ons aan. Wij vinden dat deze heel goed is uitgedacht."



Hydrauliek
Zeilen met een schip als Mystère is uiteraard niet te vergelijken met het gebruikelijke aanhalen van vallen en schoten zoals dat op de meeste IJsselmeerjachten nog gebeurt. Met een totaal zeiloppervlak van 1900 m2 en een verplaatsing van 190 ton krijgt de zeiler te maken met krachten en spanningen die niet meer handmatig te handlen zijn. Hydrauliek als krachtbron komt dan als eerste alternatief in aanmerking. Hydrauliek kent het grote voordeel van een enorme krachtsoverbrenging binnen een beperkte ruimte. Anders dan elektromotoren vragen hydromotoren weinig ruimte. Daarnaast is de standtijd van een hydromotor op een zeilschip vanwege de zoute atmosfeer veel hoger dan die van een elektromotor. De hydromotoren kunnen praktisch overal gemonteerd worden met een aansluiting op een olieleidingnet en ontvangen hun stuursignaal via een PTO (Power Take-Off). De PTO is een hydropomp die gekoppeld wordt aan een uitgaande as van een motor. Een PTO bouwt druk op (als de motor draait tenminste) en geeft deze via een loadsense-schakelaar door aan een cilinder of een volgende hydromoter. In het geval van Mystère wordt de noodzakelijke druk opgebouwd door twee hydropompen bij de hoofdmotor en twee pompen bij de generatorsets. Mochten de hoofdmotor en de generatoren buiten bedrijf zijn, dan zijn er altijd nog twee noodpompen die voor de nodige druk zorgen. Wat betreft hydraulisch aangedreven 'werktuigen' kent Mystère een behoorlijke variëteit. Voor het hijsen van de zeilen en het verzetten van de zeilschoten zijn er aan dek tien winches en runners die stuk voor stuk hydraulisch worden aangedreven. Ook de reefinstallatie voor het innemen van zeil bij harde wind wordt hydraulisch aangedreven. Behalve zeilschoten, vallen, ankerlijnen, overloop, en verstaging worden nog veel meer zaken hydraulisch aangedreven. Mochten er zware objecten aan boord gehesen worden, dan is er verder een hydraulisch aangedreven 'whisker pole', een soort hijskraan die aan de mast vastzit. Aangezien de boot een verstelbare vinkiel heeft met een gewicht van 45 ton wordt ook daar hydrauliek toegepast. De kiel kan hydraulisch versteld worden van 3,75m tot 5,75m waardoor het schip op ruim water harder aan de wind kan zeilen. Eenmaal in de onderste positie wordt de hefkiel met 70 tot 85 bar klem gehouden. De data daarvoor wordt door loadcells verzameld en aan de besturing doorgegeven. Wat betreft toepassingsmogelijkheden van het hydraulisch systeem is Mystère daarmee nog niet uitgeput.

Boordnet
Maar ook de elektriciteitsvoorziening voor het boordnet met drie verschillende spanningsvormen is vanuit de HMI te benaderen. Een vitaal onderdeel daarin zijn twee ASEA Shore Converters die zorgen voor het rimpelloos omvormen van de verschillende spanningsvormen, al naargelang er gebruik gemaakt wordt van voeding vanaf de wal of van de eigen generatoren. De gebruikers aan boord van Mystère kunnen altijd beschikken over 24 V gelijkstroom, 230 V wisselstroom en 400 V krachtstroom. Normaal is het zo dat wanneer geschakeld wordt tussen verschillende spanningsvormen er altijd een onderbreking in de stroomvoorziening waarneembaar is. De bemanning moet dan enkele schakelingen handmatig uitvoeren. Het licht zal dan even verzwakken of wegvallen om daarna weer op volle sterkte te branden. De opdrachtgever van Mystère nu eiste een onmerkbare overgang van de ene naar de andere spanninsgvorm. De oplossing die Marble Marine Electronics hiervoor onwikkelde bestaat uit de combinatie van speciaal hiervoor ontwikkelde software en de genoemde ASEA Shore Converters. De tweede CX1000 handelt deze routine af en zorgt ervoor dat generatoren automatisch bij- of afgeschakeld worden in geval van een overload of underload. Voorzover bekend is deze oplossing de eerste die op een zeiljacht zo is toegepast.




Marble Marine Electronics, Urk