Bauer Maschinen GmbH har automatiserat en unik forskningsborrigg för att utforska havsbotten. Det möjliggjordes av B&R automationskomponenter som fungerar tillförlitligt även på nästan 3 000 meters djup.
Strax före kontakt med botten glider fyra landningsställ med stora stödbensplattor ut från sidan av maskinramen, anpassar sig till bottens förhållanden och ser till att den cirka tio ton tunga riggen förblir upprätt när den slutligen kommer i kontakt med botten. Därefter börjar den integrerade robotborren sin uppgift: att utforska sediment- och bergskikten.
Det låter kanske lika overkligt som en sond som landar på en avlägsen himlakropp, men det är början på ett forskningsuppdrag i ett nästan lika okänt territorium. Borriggen tar prover på havsbotten, nästan 3 000 meter under havsytan.
Riggen heter MeBo 200 och är resultatet av ett gemensamt utvecklingsprojekt av MARUM – Centrum för marina miljövetenskaper vid universitetet i Bremen – och Bauer Maschinen GmbH. MeBo 200 kan arbeta på djup ner till 2 700 meter, där den kan borra 200 meter ner i havsbotten. De kärnprover som den erhåller ger värdefull insikt i havsbottens sedimentstruktur och geologi.
MeBo 200 är monterad i en ram som passar i en 20 fots container och transporteras av ett forskningsfartyg till platsen som ska studeras. När riggen anländer sänks den till havsbotten med 2 700 meter stålbepansrad kabel. Kabeln är MeBo 200:s livlina till fartyget och förser den med både ström- och kontrollkommandon.
De två första MeBo-generationerna användes framgångsrikt i forskningsprojekt under många år. För kommersiella tillämpningar ville dock Bauer och Marum förbättra riggen ytterligare och utrusta den med följande element:
Som sin partner för att uppgradera automationsarkitekturen förlitade sig Bauer på B&R. "Vi har arbetat framgångsrikt med B&R under lång tid och har använt deras teknik i våra djupborriggar i decennier", säger Bauers Lothar Schirmel.
X90-kontrollerna är lätta att anpassa till olika krav med hjälp av tillvalsmoduler. För MeBo 200 konfigurerades de som intelligenta POWERLINK-busskontroller med flera integrerade I/O-anslutningar. POWERLINK-protokollet överförs på singelmodsfiberkabel via mediaomvandlare och konverteras tillbaka när det når fartyget.
För att på ett tillförlitligt sätt kunna samla in data från havsbotten och skicka den till fartyget några kilometer ovanför, kräver MeBo 200 extremt robust teknik. "På nästan 3 000 meter under havsytan är förhållandena extrema", säger Schirmel, "så alla komponenter som används måste vara robusta och pålitliga. Det är därför vi valde B&R:s mobila styrsystem X90, som lätt tål dessa extrema förhållanden."
"Att driva ett tillförlitligt fungerande realtidsnätverk under dessa extrema förhållanden är en stor utmaning – tillsammans med B&R gjordes det möjligt. De gav expertvägledning i valet av omvandlare, och de visste precis hur de skulle justera nätverksinställningarna för att få de första kommunikationsavbrotten under kontroll. Det är precis vad du vill ha från en automationspartner," säger Schirmel.
De integrerade Ethernet-gränssnitten på X90-styrenheterna är tillgängliga från fartygets däck via fiberoptik. "Det är viktigt för oss, eftersom det tillåter oss att uppdatera programvaran på riggen efter behov utan att behöva ta upp den till ytan eller öppna tryckkärlet för att komma åt styrenheterna", påpekar Schirmel.
Elektriska signaler in i tryckkärlet är säkrade med speciella plug-in kontakter som klarar upp till 400 bar tryck. På så sätt kopplas 80 proportionalventiler, 6 absolutgivare, 10 förskjutningssensorer till I/O på X90-enheterna.
Borrenheten styrs från en container på forskningsfartygets däck. Förarhytten har ett säte med joystickskontroller monterade på armstöden, liknande de du skulle hitta i hytten på en traktor eller kran. Ytterligare kontroller finns på tre 19-tums pekskärmar, som Bauer valde från B&R:s Automation Panel 5000-serie.
De tre panelerna visar all viktig information som behövs för att styra MeBo 200-borriggen och annan extrautrustning. Ovanför dem visar ytterligare två monitorer livevideo från åtta undervattenskameror så att operatörerna kan hålla ett öga på den till stor del manuella borrprocessen.
All data samlas i B&R APROL processkontrollsystem, som körs på två redundanta Automation PC 910-enheter. Ytterligare tre industridatorer från Automation PC 3100-serien används som fjärrstyrda HMI-servrar.
"Vi har använt APROL som ett kraftfullt HMI, datainsamling och datahanteringslösning i våra djupborriggar för olja och gas sedan 2005," förklarar Schirmel. "En nyckelfaktor är den högpresterande datalagringen och långtidsarkiveringen som APROL erbjuder. Det inkluderar Trend Viewer, som låter oss visualisera inspelad data och analysera felorsaker."
Bauers styrlösning körs via en PLC från B&R X20-system. Separationen av kontroll och visualisering möjliggör bland annat att borriggen inklusive hjälpenheter kan driftsättas, testas eller fortsätta att fungera steg för steg, även utan en APROL-server.
Bauer har även integrerat olika hjälpenheter i det övergripande systemet via X20-styrningen, så som ett hydrauliskt kraftaggregat, en radiostyrd fjärrkontroll för däcksbaserad drift av MeBo 200 och kraftcentralen med transformatorer för borriggens högspänningsförsörjning.
"Några av hjälpenheterna är inköpta delar", säger Schirmel. "För dem kan vi inte bestämma vilken fältbuss som används. Därför uppskattar vi verkligen att B&R erbjuder gränssnitt och bibliotek för alla fältbussar." Det gjorde det enkelt för Schirmel och hans team att ansluta fjärrkontrollmottagaren, joysticks och tillhörande kontrollpanel.
"Flexibiliteten och strukturen hos allt i B&R-världen tillåter oss att sömlöst samla all nödvändig data och överföra den till HMI och datahanteringssystem utan att behöva definiera eller implementera alla olika gränssnitt själva", berömmer Schirmel. "Tillsammans med öppenheten och storleken på produktportföljen är det anledningarna till att vi litar på B&R som en automationspartner – speciellt stora eller unika automationsprojekt som våra nya offshoreapplikationer."
Författare: Franz Rossmann, teknisk journalist, München
"They provided expert guidance in the selection of converters, and they knew just how to tweak the network settings to get the initial communication interruptions under control. That's exactly what you want from an automation partner."
