THEMA First time right van ontwerp naar productie
Hoge bomen voelen geen wind
Met de Boom Lock, voor het gecontroleerd hijsen van grote lasten onder hoge windbelasting, kunnen windmolens op zee sneller en veiliger worden geïnstalleerd. Het Belgische High Wind ontwikkelde het systeem en werkte daarvoor samen met Bachmann electronic, Bakker Sliedrecht en Controllab. Model Based Engineering legde de basis: ontwerp doorrekenen, besturingssoftware automatisch genereren, virtueel testen. Zo werden op kantoor de meeste fouten al uit het ontwerp geëlimineerd. Resultaat: snelle ingebruikstelling aan boord van een installatie- of hefschip. ‘Gratis’ 
spin-off: een trainingssimulator.
In de offshore zijn de lage landen toonaangevend. De Boom Lock bevestigt dat weer, met als extraatje een Oostenrijkse inbreng. High Wind is een Belgisch consortium, gesteund door de Vlaamse overheid, van onder meer offshore-dienstverlener GeoSea (onderdeel van baggergigant DEME Group), ingenieursbureau SBE en hijs- en transportbedrijf Sarens. Ook Nederlandse partners werden betrokken. Zoals de vanuit ons land geleide businessunit Maritime van Bachmann electronic, de Oostenrijkse leverancier van automatiserings- en besturingstechnologie. Bachmann betrad in 2009 de offshore- en maritieme markt en zocht meteen de samenwerking met Bakker Sliedrecht, system integrator op het gebied van maritieme en industriële elektrotechniek. Het hardwareplatform van Bachmann staat open voor softwaretools, zoals het simulatiepakket 20-sim van Controllab. Het Enschedese ingenieursbureau legt zich toe op dynamische simulaties en modelgebaseerd ontwerpen van regelingen voor mechatronische systemen en aandrijvingen; in de offshore bijvoorbeeld voor pijpenleggers, boorsystemen en lieren.
Belgisch-Nederlands-Oostenrijkse samenwerking voor offshore
Windmolens komen daar te staan waar veel wind is, zoals op zee. Bij installatie van deze mega-molens mag het echter juist niet te hard waaien. Want als de toren eenmaal staat, worden de gondel met generator en de bladen afzonderlijk naar boven gehesen voor montage. Lastig, en zelfs gevaarlijk, als de hijskabel met z’n grote last heen en weer zwiept. Niet zelden zijn installatieteams de helft van de ‘werkbare’ tijd op zee kwijt aan wachten op afnemende wind.
Complexe bewegingen
In 2012 werd High Wind opgericht om een oplossing te ontwikkelen voor het gecontroleerd en veilig hijsen van zware en grote lasten onder hoge windbelasting. Dat resulteerde in de Boom Lock, een systeem waarin het takelblok kan worden vastgezet om de last te stabiliseren. Op een trolley kan een karretje met dat takelblok langs twee ‘vingers’ heen en weer bewegen; de trolley als geheel beweegt met behulp van lieren langs de giek. Dit biedt voldoende bewegingsvrijheid om de last, gezekerd met extra tuidraden die ook moeten worden bestuurd, in de juiste positie en oriëntatie te manoeuvreren. 
Kortom, een systeem met complexe bewegingen, vertelt ceo Johan Heiler van High Wind. ‘Manuele besturing is niet meer mogelijk. Hier is sprake van een automation-enabled system, waarvoor de besturingssoftware moet worden ontwikkeld op hetzelfde hoge niveau als we kennen voor de hardware.’ Daarom werd voor Model Based Engineering (MBE) gekozen. Naar aanleiding van de eerste succesvolle ingebruikstelling, in slechts vijf dagen, organiseerde High Wind half juni in Rotterdam samen met de ontwikkelpartners een symposium over MBE (zie kader). De Boom Lock maakt de installatie van windmolens sneller en goedkoper (meer werkbare tijd, minder schade) en veiliger voor de monteurs.
Model Based Engineering
Bij MBE vormt in alle ontwikkelfases, van eerste ontwerpschetsen tot testen, een model de basis. Bijvoorbeeld om de performance van het ontwerp te simuleren en worst-case scenarios door te rekenen: doet het systeem wat het moet doen en wat zijn de limieten? Dankzij animaties is het model in die vroege fase bij uitstek geschikt voor de communicatie tussen de ontwikkelpartners en met de opdrachtgever. Een gevalideerd model kan vervolgens automatisch de softwarecode voor de besturing genereren. Dat bespaart het tijdrovende en foutgevoelige handmatig programmeren. Vervolgens wordt die besturing getest door koppeling aan het model, dat de hardware van het systeem simuleert. ‘Hardware in the loop (HIL) testing’ heet dit. De hardware hoeft dan nog niet fysiek beschikbaar te zijn; virtueel testen bespaart tijd en kosten (in geval er nog dingen in het ontwerp veranderen).
Hefschip met een Boom Lock (de inzet toont een close-up).
Voor de Boom Lock bouwde Controllab de modellen en voerde de meeste simulaties uit. Het ontwikkelde ook de HIL-simulator, die Bakker Sliedrecht gebruikte om de besturing te testen. Christian Kleijn, ceo van Controllab: ‘Je kunt veel eerder en uitgebreider gaan testen, hoeft niet te wachten tot alles op het schip is geïnstalleerd.’ Voor safety is het daadwerkelijk testen op een machine zelfs een ‘gruwelverhaal’, aldus Kleijn, omdat de potentieel onveilige situaties moeten worden opgezocht. ‘Dat is met HIL testing veel makkelijker; op kantoor kun je zo al veel fouten opsporen.’
Oplevering
De modelmatige aanpak betaalde zich uit bij oplevering. Voor het testen van de ‘echte’ Boom Lock na installatie op een schip van launching customer GeoSea was weinig tijd. Kleijn: ‘Doordat je modellen hebt, kun je een draaiboek maken voor allerlei testen.’ De resultaten van de veldtesten worden vergeleken met de modelberekeningen. Een afwijking, door een fout in de besturing, kan meteen worden gecorrigeerd. Of er zit een fout in het model, dat immers altijd een beperkte weergave van de realiteit is. Die terugkoppeling leidt tot verbetering van het model. ‘Daardoor is elke volgende inbedrijfstelling beter voorspelbaar en sneller klaar. Maar offshore blijft offshore…, er zijn altijd onvoorspelbare factoren.’
In Rotterdam stelt Heiler van High Wind dat MBE de basis vormt voor het succes van de Boom Lock. ‘In de beginfase moet je extra investeren, dus ja, er is een meerkost. Maar bottom line levert het een besparing op, een hogere kwaliteit van het systeemontwerp en als extra hebben we er een trainingssimulator bij (model uitgebreid met een interface voor de docent, red.). De inbedrijfstelling is de bepalende factor, zegt Kleijn. ‘Heb je maanden de tijd dan is er minder risico. Maar bij een korte inbedrijfstelling, als het first time right moet, en bij hoge complexiteit kies je voor MBE. Aan een 
complexe machine is in het echt vaak moeilijk te zien wat er fout gaat. Daarvoor heb je het model nodig.’
Motivatie
Tijdens het symposium laten ook de andere Boom Lock-ontwikkelpartners zich uit over hun motivatie voor Model Based Engineering. Niet vanzelfsprekend, gelet op de benodigde investering in tijd en menskracht. ‘Het model maken en simulaties uitvoeren kost bijna meer tijd dan de automatisering zelf’, zegt Erwin Ströhmeijer, lead engineer bij Bakker Sliedrecht. Toch kiest hij ervoor. Belangrijkste reden: verkorting van inbedrijfstellingstijd. Plus de hogere veiligheid en kwaliteit. ‘Je houdt volledige controle bij het opstellen van de testscenario’s en kunt operators vooraf trainen met de simulator. En de klant krijgt al voor inbedrijfstelling inzicht in het eindresultaat.’
Ronald Epskamp, manager businessunit Maritime bij Bachmann, noemt ‘first time right’ een belangrijke driver voor klanten. ‘De almaar toenemende requirements leiden tot complexere ontwerpen voor systemen en hun besturing. Trial & error op de echte machine is nauwelijks mogelijk. Daarom is digitale simulatie tegenwoordig onontkoombaar.’ De softwarecode voor de besturing die 20-sim van Controllab (of Matlab/Simulink van Mathworks) genereert, kan automatisch worden overgedragen naar de M1 controller van Bachmann, die ook HIL testing ondersteunt.
