Automatyzacja na dnie morza

Firma Bauer zautomatyzowała unikalną wiertnicę badawczą do eksploracji dna morskiego. Stało się to możliwe dzięki komponentom automatyki B&R, które działają nawet na głębokości prawie 3000 metrów.

 

Wiertnica do badania dna morskiego MeBo 200 przystosowana do pracy na głębokości 2700 metrów

Tuż przed kontaktem z podłożem z boków ramy wysuwają się cztery zakończone płytami nogi, które dopasowują się do ukształtowania terenu i zapewniają dziesięciotonowej platformie solidne oparcie. Następnie wbudowane zrobotyzowane wiertło przystępuje do wykonania swojego zadania polegającego na eksploracji warstw osadów i skał.

To, co brzmi jak lądowanie sondy na odległej planecie, jest w rzeczywistości misją badawczą w miejscu znacznie nam bliższym, ale niemal równie nieznanym: na dnie oceanu. Tam wiertnica pobiera próbki z głębokości prawie 3000 metrów.

Punkt docelowy: głębiny

Urządzenie eksploracyjne nosi nazwę MeBo 200 i jest efektem wspólnego projektu rozwojowego MARUM - Centrum Nauk o Środowisku Morskim Uniwersytetu w Bremie – oraz firmy Bauer Maschinen GmbH. Wiertnica MeBo 200 jest w stanie pracować na głębokości do 2700 metrów i tam wykonywać wiercenia na głębokość 200 metrów w głąb dna. Pozyskiwane przez nią próbki rdzeniowe dostarczają cennych informacji na temat struktury osadów i geologii dna morskiego.

Wiertnica jest zamontowana w ramie, która mieści się bez problemu w 20-stopowym kontenerze i jest transportowana na statku badawczym do miejsca badania. Po przybyciu na miejsce urządzenie eksploracyjne jest opuszczane na dno morskie za pomocą stalowego, opancerzonego kabla o długości 2700 metrów. Kabel jest liną ratunkową łączącą MeBo 200 ze statkiem, umożliwiającą zasilanie i przekazywanie poleceń sterujących. 

Do nawijania i rozwijania stalowego, opancerzonego kabla o grubości 35,5 mm służy chłodzona wodą wciągarka. Moduł X20 firmy B&R bezproblemowo integruje wciągarkę z architekturą automatyki MeBo 200.

Cztery wyzwania

Pierwsze dwie generacje wiertnic MeBo były z powodzeniem wykorzystywane w projektach badawczych przez wiele lat. Z myślą jednak o zastosowaniach komercyjnych, partnerzy Bauer i MARUM zdecydowali się jeszcze bardziej ulepszyć urządzenie. Szczególnie system automatyki miał kilka słabych stron:

• Stosowane komputery PC były zbyt zawodne
• Sieć komunikacyjna była ograniczona do kilku urządzeń
• Zewnętrzne komponenty automatyki mogły być zintegrowane tylko poprzez sieć CAN
• Możliwości diagnostyki i konserwacji były niezwykle ograniczone

Aby wyeliminować słabe punkty wcześniejszych generacji MeBo, firma Bauer zwróciła się do specjalistów z B&R z prośbą o całkowitą zmianę architektury automatyki. „Współpracujemy z B&R od bardzo dawna i od dziesięcioleci stosujemy ich technologię w naszych wiertnicach głębinowych" – mówi Lothar Schirmel z firmy Bauer.

Sprawne działanie w trudnych warunkach

Aby wiertnica MeBo mogła niezawodnie zbierać dane z dna morskiego i przesyłać je do statku znajdującego się kilometry wyżej, potrzebna jest niezwykle solidna technologia. „Na głębokości prawie 3000 metrów pod poziomem morza panują ekstremalne warunki" – wyjaśnia Schirmel – „stąd wszystkie zastosowane komponenty muszą być wytrzymałe i niezawodne. Dlatego właśnie wybraliśmy mobilny system sterowania X90 firmy B&R, który z łatwością wytrzymuje te ekstremalne warunki."

Sterowniki X90 można łatwo dostosować do różnych wymagań za pomocą opcjonalnych modułów. Na potrzeby wiertnicy MeBo 200, zostały one skonfigurowane jako inteligentne sterowniki magistrali POWERLINK z licznymi zintegrowanymi połączeniami I/O. Sygnał protokołu POWERLINK jest przesyłany kablem światłowodowym przez konwertery z funkcją multipleksowania z podziałem fali i konwertowany z powrotem po dotarciu na statek.

„Obsługa niezawodnie działającej sieci czasu rzeczywistego w tych ekstremalnych warunkach to duży problem – niemniej wspólnie z B&R udało nam się go rozwiązać. Ich eksperci zapewnili fachowe doradztwo przy wyborze konwerterów i wiedzieli, jak dostosować ustawienia sieciowe, aby opanować początkowe zakłócenia w komunikacji. Właśnie tego należy oczekiwać od partnera w dziedzinie automatyzacji" – mówi Schirmel. 

Mobilne sterowniki X90 są umieszczone w szczelnych zbiornikach ciśnieniowych, które chronią elektronikę przed działaniem wody morskiej. Styki elektryczne są chronione przez specjalne złącza odporne na ciśnienie.

Aktualizacje oprogramowania na pokładzie

Zintegrowane interfejsy Ethernet w sterownikach X90 są dostępne z pokładu statku za pośrednictwem światłowodów. „Jest to dla nas ważne, gdyż pozwala nam aktualizować oprogramowanie w urządzeniu eksploracyjnym w razie potrzeby bez konieczności wydobywania go na powierzchnię lub otwierania zbiornika ciśnieniowego w celu uzyskania dostępu do sterowników" – podkreśla Schirmel.

Sygnały elektryczne do zbiornika ciśnieniowego są zabezpieczone za pomocą specjalnych złączy wtykowych, które wytrzymują ciśnienie do 400 barów. W ten sposób do wejść/wyjść urządzeń X90 zdołano podłączyć m. in. 80 zaworów proporcjonalnych, 6 enkoderów absolutnych i 10 czujników przemieszczenia. 

Sterowanie procesem wiercenia odbywa się za pomocą joysticka, panelu kontrolnego i ekranu dotykowego z kontenera na pokładzie statku. Przesyłany strumieniowo na żywo obraz z ośmiu podwodnych kamer pozwalają operatorom na bieżąco śledzić proces wiercenia.

Wszystko w zasięgu wzroku

Sterowanie urządzeniem wiertniczym odbywa się z kontenera znajdującego się na pokładzie statku badawczego. Całkowicie zmodernizowane stanowisko operatora wyposażone jest w fotel z joystickami zamontowanymi na podłokietnikach, podobnie jak w kabinie ciągnika lub żurawia. Dodatkowe elementy sterujące znajdują się na trzech 19-calowych monitorach z ekranem dotykowym, które Bauer wybrał z serii Automation Panel 5000 firmy B&R.

Na trzech panelach wyświetlane są wszystkie ważne informacje potrzebne do sterowania wiertnicą MeBo 200 i innymi urządzeniami pomocniczymi. Ponad nimi dwa kolejne monitory wyświetlają obraz na żywo z ośmiu podwodnych kamer, dzięki czemu operatorzy mogą na bieżąco śledzić proces wiercenia, w dużej mierze sterowany ręcznie.

Wszystkie dane są gromadzone w systemie sterowania procesem B&R APROL, który działa na dwóch redundantnych jednostkach Automation PC 910. Trzy kolejne komputery przemysłowe z serii Automation PC 3100 są wykorzystywane jako zdalne serwery HMI.

„Od 2005 roku używamy APROL jako wydajnego rozwiązania w zakresie interfejsu HMI, akwizycji danych i zarządzania danymi na naszych platformach wiertniczych do głębokich odwiertów ropy naftowej i gazu" – wyjaśnia Schirmel. „Kluczowe elementy to oferowane przez APROL wysokiej klasy funkcje przechowywania danych i długoterminowej archiwizacji. To także przeglądarka trendów (Trend Viewer), która umożliwia wizualizację zarejestrowanych danych i analizę przyczyn błędów." 

Ogrom mocy obliczeniowej: pięć komputerów przemysłowych firmy B&R gwarantuje niezawodność obsługi HMI i przechowywania danych.

Stopniowe przekazywanie do eksploatacji

Funkcja sterowania firmy Bauer działa w oparciu o sterownik PLC z systemu X20 B&R. Dzięki oddzieleniu sterowania i interfejsu HMI, wiertnicę i urządzenia pomocnicze można uruchamiać, testować lub obsługiwać stopniowo, nawet bez serwera APROL.

Bauer wykorzystuje również system X20 do integracji różnych urządzeń pomocniczych. Należą do nich: agregat hydrauliczny, pilot radiowy do obsługi MeBo 200 z pokładu oraz centrum energetyczne z transformatorami do zasilania wiertnicy wysokim napięciem.

Proste podłączenie komponentów innych firm

„Część urządzeń pomocniczych to elementy dokupione" – mówi Schirmel. „W ich przypadku nie mamy wpływu na to, jaka sieć przemysłowa jest używana. Dlatego bardzo cenimy sobie fakt, że B&R oferuje interfejsy i biblioteki dla wszystkich popularnych magistrali." Dzięki temu Schirmel i jego zespół mogli łatwo podłączyć odbiornik zdalnego sterowania, joysticki i odpowiedni panel sterowania poprzez sieć CAN, a wciągarkę do wiertnicy poprzez sieć Profinet.

Jednostka hydrauliczna skonstruowana przez firmę Bauer jest wyposażona w kolejny system sterowania X90, który jest połączony z APROL poprzez POWERLINK. Równolegle, APROL odczytuje informacje z centrum zasilania, takie jak stan monitorowania izolacji, bezpośrednio poprzez Modbus TCP.

„Elastyczność i spójność, jakimi cechują się rozwiązania B&R pozwalają nam bezproblemowo rejestrować wszystkie niezbędne dane i przesyłać je do interfejsów HMI i systemów zarządzania danymi bez konieczności samodzielnego definiowania lub wdrażania poszczególnych interfejsów" – nie skąpi pochwał Schirmel. „Ten fakt, a także otwartość i bogactwo oferty produktów – wszystko to skłoniło nas do wyboru B&R jako partnera w dziedzinie automatyki, zwłaszcza w przypadku szczególnie dużych lub unikalnych projektów automatyzacji, takich jak nasze nowe urządzenia do eksploatacji w strefach przybrzeżnych."

Autor: Franz Rossmann, dziennikarz technologiczny, Monachium