De opgaven op de volgende pagina s leiden je stap-voor-stap door het ontwerpproces

Transcriptie

1 Opdracht 4; Ampelmann Deze opdracht telt mee als deelcijfer voor het vak Regeltechniek, ADPT; De opdracht bestaat uit 4 vragen. In totaal zijn er 100 ptn te verdelen ( ); De opdracht dient individueel te worden gemaakt en ingeleverd; De opdracht dient voor maandag 16 januari, 10:30 uur, ingeleverd te zijn door de uitwerking te mailen naar b.schotsman@hhs.nl; Niet leesbare uitwerkingen worden niet beoordeeld. Ampelmann produceert al enige jaren onderhouds- en werkplatforms welke worden toegepast voor onderhoud aan boorplatforms, off-shore windmolens en ter vervanging van personeeltransport per helicopter. In de bijlage bij deze opdracht is een krantenartikel over Ampelmann bijgevoegd. Ook op youtube zijn verschillende films beschikbaar. Bijv. De opdracht Deze opdracht heeft betrekking op verschillende aspecten van het werkplatform. Doel van de opdracht is om zelf een deel van de regeling van de installatie te ontwerpen. Bij ontwerp van de regeling en van het systeem dien je rekening te houden met de omstandigheden waaronder de installatie operationeel is. Ontwerp een eerste testopstelling van het Ampelmann systeem. Met deze testopstelling wil Ampelmann twee zaken aantonen: 1. De opnemers en regelaar zijn in staat de verticale beweging van het schip te meten en weg te regelen; 2. Dat de gebruikte componenten aantoonbaar geschikt zijn voor de omstandigheden op zee. Denk hierbij aan: a. Klimaat; b. Op zee; c. Afwezigheid van 24/7-servicediensten De opgaven op de volgende pagina s leiden je stap-voor-stap door het ontwerpproces Pagina 1/7

2 Opgave 1: Onderhoudbaarheid (10 ptn) De omstandigheden waarin een installatie moet functioneren zijn bepalend voor de ontwerpkeuzes in het systeem. Denk bijvoorbeeld aan de gebruikte materialen maar ook eenvoud van reparatie. Onder welke klimatologische omstandigheden moet het Ampelmann platform functioneren en wat betekent dit voor de: a. Materiaalkeuze en onderdeelkeuze b. Duurzaamheid c. Onderhoudbaarheid en d. Beschikbaarheid Lees de relevante delen in het Handboek na. Laat in je antwoord duidelijk blijken dat je dat gedaan hebt en de consequenties daarvan voor een ontwerp overziet. De klimatologische omstandigheden waaronder het platform moet functioneren zijn: (Hoofdstuk van het Handboek) Zonnestraling: Globale-, neerwaartse directe-, diffuse-, directe straling [W/m 2 ]; Temperatuur [ o C]; Absolute vochtigheid [g waterdamp / kg lucht ]; Windsnelheid en richting [m/s]; a. Materiaalkeuze en onderdeelkeuze (Hoofdstuk 1.16 en 1.17 van het Handboek) Als materiaal: Staal, lage prijs en goede verwerkbaarheid. Bij ongelegeerde toepassing altijd corrosiebescherming toepassen. Een metallische deklaag zoals zink. Dit heeft een goede slijtage bestendigheid. Staal is taai en hard en heeft een glad oppervlak Koper is een edel metaal en heeft bij ongunstige atmosferische omstandigheden een goede corrosiebestendigheid. Als onderdeelkeuze: Staal is geschikt voor de hydraulische zuigers en de constructie die bevestigd is aan het dek en loopplank. Koper is geschikt als leidingen, fittingen en plaatmateriaal. b. Duurzaamheid (Hoofdstuk van het Handboek) Milieubewust ontwerpen betekend bewust rekening houden met de effecten van het product op het milieu, veroorzaakt door: Grondstoffengebruik; Energiegebruik; Emissies naar water, bodem en lucht; Geluid; Ontstaan van reststromen. c. Onderhoudbaarheid en (Hoofdstuk van het Handboek) Let op onderhoudsarm en onderhoudsvriendelijk. Bij onderhoudsarm is materiaalkeuze belangrijk, i.v.m. bedrijfszekerheid en verminderde hoeveelheid preventief onderhoud. Bij onderhoudsvriendelijkheid speelt bereikbaarheid, veiligheid en vervangbaarheid een rol. (je moet er tenslotte veilig bij kunnen komen en repareren of vervangen dat wat nodig is zonder alles te moeten demonteren) Pagina 2/7

3 d. Beschikbaarheid De materialen dienen generiek te zijn i.v.m. beschikbaarheid. Indien iets specialistisch of op maat gemaakt is, wordt de doorlooptijd van herstel en vervanging aanzienlijk. Opgave 2: Opnemers (20 ptn: ) Een van de meest uitdagende onderdelen van het systeem is het goed meten van de bewegingen van het schip waarop het platform geplaatst is. Deze verplaatsing in de 3 dimensionale ruimte wordt gemeten met GPS of met behulp van een inertiaalmeting. Deze inertiaalmeting wordt veelal uitgevoerd m.b.v. een IMU, een Inertial Measurment Unit. Deze bevatten een gyroscoop voor oriëntatie en versnellingsopnemers om beweging te registreren. Snelheid en positie kunnen vervolgens worden afgeleid van de versnelling. Inmiddels worden deze IMU s ook toegepast in bijvoorbeeld navigatiesystemen. Hierdoor kan het systeem bij GPS-signaalverlies toch de route nog nauwkeurig aangeven. Maar ook in landbouwsystemen om bijvoorbeeld maai- en zaaibewegingen efficiënter te maken. De opnemer die Ampelmann gebruikt om de deining van het schip vast te stellen is een IMU. Onderzoek hoe een IMU werkt, wat de functie is en hoe deze kan worden toegepast. De webpagina: kan als start dienen. 2a. Beschrijf hoe een IMU werkt en welke bewegingen deze kan registreren en omzetten in een elektrisch signaal. Een IMU is een elektronische apparaat dat meet en terugkoppelt de kracht en draaiing door een combinatie van gyroscopen en snelheidsmeters. De IMU registreert de volgende bewegingen pitch, roll and yaw. Dat zijn draaiingen om de x,y en z as, omhoog/omlaag, link/recht leunen en links/rechts draaien. 2b. In veel systemen worden GPS en de inertiaalmeting gecombineerd, bijvoorbeeld in een geavanceerd navigatiesysteem in de auto. Beschrijf van de volgende situaties of voor navigatie het GPS-signaal of het IMU-signaal wordt gebruikt: Navigeren op de snelweg hiervoor wordt een GPS-signaal gebruikt. Wegrijden uit stilstand hier is een combinatie, de GPS geeft de start locatie aan en de IMU de initiële richting en voortgang tot de GPS het weer overneemt. Navigeren in een tunnel. Hiervoor wordt het IMU-signaal gebruikt. 2c. Beschrijf nu in eigen woorden hoe Ampelmann de IMU kan inzetten om de beweging van het schip om te zetten in een signaal dat door de regelaar kan worden verwerkt. De deining van het schip heeft invloed op de x-y-z as. Door de verschuiving van de assen te meten en dit terug te koppelen aan de regelaar kan deze op zijn beurt het corrigeerde orgaan, de hydraulische zuigers, erop aansturen om te bewegen naar de gewenste stand. Pagina 3/7

4 Opgave 3: Hydraulische systemen (30 ptn: ) Het platform zal in het prototype door middel van een hydraulische cilinder op de juiste hoogte worden gebracht en middels een regeling op die hoogte worden gehouden. Gezien de klimatologische omstandigheden is verwarming van hydraulische olie noodzakelijk. De viscositeit van de hydraulische olie is namelijk afhankelijk van de temperatuur van de olie. Wanneer deze te koud is is de olie te dik en wanneer de olie te warm wordt is er kans op lekkage en brand. Zowel bij te koude olie als bij te warme olie kan er onvoldoende druk worden opgebouwd in het systeem. De gegevens van het buffervat dat verwarmd dient te worden: Het buffervat bevat 1000 liter hydraulische olie; De minimum ontwerp temperatuur is -60 graden Celsius; De olie moet altijd op een temperatuur van 25 graden Celsius worden gehouden; Bij -60 graden Celsius moet het vat in 6 uur op bedrijfstemperatuur zijn; De soortelijke massa ρ van de olie is 866 kg/m3, de soortelijke warmte c bedraagt 1.65 kj/kgk Thermische geleidbaarheid van het vat met isolatie λ=0,023 W/m*K; Waarbij R = d/ λ (m2k/w) De dikte d van de isolatie is 15 cm. Het vat is rond en heeft een hoogte van 2 mtr. En verliest geen warmte door boven en onderzijde. 3a. Stel de formule op voor bepaling van de responsiekromme. T v = T + PR PR e o t cmr o t cmr = T + PR( 1 e ) 3b. Bereken met behulp van de gegevens het benodigde verwarmingsvermogen P in kw. T = 25 [ o C] T = T 0 + P * R (1 e t/ c*m* R ) T 0 = -60[ o C] P =?[W] 25 = P * 6,5 (1 e /(1650*866 * 6,5) ) R = d/ λ = 0,15/0,023 = +/- 6,5 [m 2 K/W] 85 = P * 6,5 (1 e /( ) ) d = 15 [cm] = 0,15 [m] 85 = P * 6,5 (1 e 2,33*10^-3 ) λ = 0,023 [W/m*K] 85 = P * 6,5 ( )) t = 6 [uur] => 6*60*60 = [sec] 85 = P * 6,5 (2,33*10^-3 ) c = 1.65 [kj/kgk] = 1650 J/kgK 85 = P * 0,015 M = ρ * inhoud 85 / 0,015 = P = 5.629,53 [W] 1000 [ltr] = 1 m 3 ρ = 866 [kg/m 3 ] P = 5,6 [kw] 3c. Teken de responsiekromme T 25 o C -60 o C t Pagina 4/7

5 Gedurende de levensduur van het vat wordt de thermische geleidbaarheid hoger. Bijvoorbeeld doordat een deel van de isolatie beschadigd is geraakt. Wanneer er niet meer aan de functionele eisen van een installatie kan worden voldaan dan spreken we van functioneel falen. Wanneer totaal niet meer aan de eis kan worden voldaan, dan van compleet falen. 3d. Bij welk percentage verlies van de isolatie van het vat kan de hydraulische olie nog net tot 40(=25) graden Celsius worden verwarmd. En hoe lang duurt het dan. t = T = T 0 + P * R 25 = ,53 * R 85 = 5.629,53 * R 85 / 5.629,53 = R R = 0,015[m 2 K/W] λ = 0,023 [W/m*K] R = d/ λ => d = R* λ d = 0,015 * 0,023 = 3,47 * 10^-4 [m] 0, / 0,15 * 100% = 0,23 % Dus bij een verlies van 0,23% isolatie lukt het verwarmen nog T = T 0 + P * R (1 e t/ c*m* R ) 25 = ,53 * 0,015 (1 e t/(1650*866* 0,015) ) 85 = 5.629,53 * 0,015 (1 e t/(1650*866* 0,015) ) 85 = 5.629,53 * 0,015 (1 e t/ (21,433,5) ) 85 = 84,44 (1 e t/ (21,433,5) ) 85 / 84,44 = (1 e t/ (21,433,5) ) t/ 21,433,5 1,0002 = 1 e t/ 21,433,5 0,0002 = e t/ 21,433,5-0,0002 = e Ln (-0,0002) = ln(e t/ 21,433,5 ) Ln (-0,0002) = t/ 21,433,5 * ln(e) Ln (-0,0002) * 21,433,5 = t*1 -(Ln(-0,0002) * 21,433,5 ) = t Kom er verder niet uit Pagina 5/7

6 Opgave 4: Systeembeschrijving van het prototype (40 ptn: ) Om de werking van het systeem aan te tonen wordt een vereenvoudigd prototype gebouwd. In dit prototype wordt een IMU toegepast als opnemer om de beweging van het schip op te nemen en om te zetten in een elektrisch signaal. registreren en aan de regelaar terug te koppelen. Het prototype bestaat uit slechts 1 hydraulische cilinder die alleen de hoogte van het platform constant hoeft te houden. Hiervoor wordt de hydraulische cilinder verticaal op het achterdek van een boot gemonteerd. De gebruikte hydraulische cilinder is voorzien van een inwendig systeem dat de positie van de zuiger meet. Hydraulische olie is niet samendrukbaar dus voor verplaatsing van de zuiger hoeft alleen het volume verpompt te worden. Hiervoor is een dubbelwerkende regelbare driewegklep aangesloten die wordt bediend door een stappenmotor. Het hydraulisch systeem wordt gevoed vanuit het 1000liter back-up vat. 4a. Maak een schets van het complete systeem dat bestaat uit de boot, cilinder, werkplatform en hydraulisch systeem, leidingen, opnemers etc. Back-up vat Opnemers (IMU) (TE) werkplatform liter Cilinder met hydraulische zuiger (TC) boot 4b. Maak het blokschema van het geregelde systeem. stappenmotor Dubbelwerkende regelbare driewegklep Ingang = stand van platform Aanwijzing 1: Gebruik de standaard blokken in het blokschema; Aanwijzing 2: Geef onder het blokschema een aparte toelichting per blok; Aanwijzing 3: Wanneer je niet alle in 3a getekende componenten opneemt in het blokschema geef dan in de schets van 3a aan welke delen je opneemt in het blokdiagram en verklaar je keuze. Regelorgaan = cylinder met hydraulische zuiger Corrigerend orgaan = stappen moter Systeem = hydraulisch systeem uitgang Afwijking (TC) Opnemer = IMU (TE) ingreep Er wordt een bepaalde stand van het platform verlangd, dit is de ingang. Wanneer er een afwijking wordt geconstateerd stuurt het regelorgaan (de hydraulische cilinder met inwendigsysteem) de stappen motor aan. De stappen motor is het corrigeerde orgaan, omdat door de werking van de motor er hydraulische olie verplaatst wordt die de zuiger doet bewegen. Het systeem is het leidingwerk van het back-up vat naar de zuiger en langs de moter. De opnemer is de IMU die zich bevind bovenop de cilinder, deze neemt waar Pagina 6/7

7 of er een verschuiving is van het platform ten opzichte van de gewenste stand. Bij een afwijking wordt de hydraulische cilinder geactiveerd om de stappen motor te beïnvloeden voor meer of minder vloeistof. 4c. Welke eisen worden er gesteld aan de regelaar en welk type zou jij toepassen. Geen of een kleine statische afwijking; Sprongresponsie zo snel mogelijk opvolgen, met max 25% doorschot; Een grote versterking voor de locatie waar de storing ingrijpt. Van de regelaar wordt verwacht dat deze snel reageert op de deining van de golven. De mensen op het platform moeten geen hinder ondervinden hierdoor. Een Differentiërende regelaar (PD) is hiervoor geschikt. Deze heeft een snelle gewenste respons en voldoende demping Pagina 7/7