Xanthiona

In de lange puzzel om het navigatiesysteem samen te stellen, had ik gekozen voor apparatuur die allemaal samenwerkt via NMEA2000. NMEA2000 is in de basis eigenlijk een CAN systeem zoals dat ook veel in autos voorkomt. Voor de watersport is dit aangepast tot NMEA2000. Je kunt willekeurige apparatuur van een willekeurige fabrikant laten samenwerken via NMEA2000. Zo langzamerhand had ik de spullen compleet, hier en daar wat gekocht via Ebay en Amazon uit Engeland, Duitsland en de VS. Het is bijna allemaal apparatuur van Simrad (plotter, dieptemeter, roerstandmeter, autopilot, AIS, GPS, kompas).

Alle bekabeling en de tankzenders zijn van Maretron. De navigatieapparatuur en de overige 24 V apparaten worden geschakeld via het digitale Czone systeem, dat ook met NMEA2000 werkt. Het Czone heeft deels een eigen netwerk, maar via een netwerkbrug staat het toch in verbinding met de rest van het navigatienetwerk. Ik beschreef dat ook uitgebreid in het vorig bericht Net 1 kabeltje te kort op motorjacht Xanthiona.

Maretron N2K Analyser om het NMEA2000 netwerk uit te lezen

Tijd om dus eens te kijken wat er allemaal gebeurt op het netwerk. In eerste instantie had ik in de VS een Czone NMEA-USB converter bestelt, maar een Maretron NMEA-USB converter geleverd gekregen. Eerder schreef ik al dat ik dacht dat het geen verschil zou maken. Dus wel. De Czone modules configureren lukt echt alleen met de Czone NMEA-USB converter. Via Ebay op de kop getikt. Twee weken geleden lukte het om met de Czone interface het systeem aan de praat te krijgen.

Actisense NMEAReader leest ook wat er gebeurt op het NMEA2000 netwerk

Ondertussen had ik ook de software van YachtControl aangeschaft die ideaal zou werken met alle apparatuur via NMEA2000 via een NMEA-USB converter. Maar niet met die van Maretron. Volgens YachtControl alleen met de NMEA-USB converter van Actisense. Nog maar een kastje erbij (uit Nederland). Met elk kastje komt ook eigen software. Via Maretron N2K Analyzer en de Actisense NMEAReader heb ik een goed beeld wat er op het NMEA2000 netwerk gebeurt.

Van Actisense heb ik ook de omzetter van de analoge motorgegevens naar NMEA2000 gekocht (nog een kastje). Om de gegevens van de Victron Quatttro om te zetten naar NMEA 2000 is een VE.bus naar NMEA2000 converter opgenomen in het systeem (nog een kastje). YachtControl wil ik voornamelijk gaan gebruiken om het hele navigatiesysteem, de motorgegevens, de tankgegevens, de 230 V en 24 V te monitoren.

Druk op de Rijn

Voor de navigatie wordt uiteindelijk PCNavigo gebruikt, maar voorlopig liet YachtControl ook erg fraai zien via NMEA2000 hoe druk het is in de buurt van Oberwinter op een doordeweekse dag op de Rijn met het AIS.

Ondanks alle kastjes en de hulpprogramma’s lukte het me het afgelopen weekend echter niet om de Simrad Autopilot de roerstandgegevens van de Simrad RF25 roerstandmeter te laten begrijpen. De Simrad NSS7 plotter begreep het wel en toont keurig netjes de stand van het roer. Dit vergt nog enige studie.

Wel roerstand op de Simrad plotter

Een goede voorbereiding is het halve werk. Althans ik probeer de geplande werkzaamheden voor het lange weekend dat ik nu elke 2de week naar ons motorjacht Xanthiona ga, zo goed mogelijk voor te bereiden. Ook afgelopen weekend had ik voor de komende klus allerlei (accu)kabels op lengte laten maken, diverse onderdelen gekocht, thuis een testopstelling gemaakt, een configuratiebestand samen gesteld en na 2 ½ dag hard ploeteren kwam ik uiteindelijk 1 kabeltje te kort om het Czone ‘distributed power’ systeem dit weekend werkend te krijgen.

Het schema voor het Czone systeem in combinatie met het NMEA2000 systeem voor alle navigatie-apparatuur is al een onnoemlijk aantal keren aangepast op basis van allerlei gedachtes en theorie. Bij de installatie dit weekend bleek de praktijk toch weer anders te zijn en heb ik ter plekke nog verdere wijzingen aangebracht. Maar het zit erin.

Het paneel in de keuken met 24 V apparatuur en enige NMEA2000 informatie modules

Op onderstaand schema kun je het bekijken. Netwerk 1 is om 24 uur per dag met name de stroomvoorziening en het niveau van de 4 tanks te monitoren. Uitwisseling van gegevens via NMEA2000. Uiteindelijk kan dat ook via het internet op afstand. Netwerk 2 koppelt de meeste Czone modules aan elkaar en zorgt ervoor nadat de hoofdschakelaar van het 24 Volt systeem is aangezet dat een beperkt aantal apparaten van stroom wordt voorzien. Stroom voor de overige apparaten wordt aan of uit gezet via een voorgedefinieerde ‘mode’ of via een knop op het touchscreen. Het verloopt via NMEA2000.

Netwerk 3 is voor de uitwisseling van alle informatie tussen de navigatie-apparatuur. Gegevens zoals GPS locatie, snelheid, koers, etc. wordt allemaal via NMEA2000 op de bus gezet en gelezen door de apparatuur die het nodig hebben. Ook het pookje voor de besturing bij de binnenstuurstand geeft met NMEA2000 berichten door aan de autopilot die de stuurpomp bedient of we naar links of rechts moeten. De netwerken zijn onderling gekoppeld via een netwerk brug en alle informatie komt in principe waar het moet zijn.

In theorie. Want dat ene kabeltje van het Czone display wat ik nog mistte, maakte het niet mogelijk om na de installatie ook te checken of het daadwerkelijk werkt zoals bedoeld. Ik kan de Czone modules op 2 manieren configuren, of via het Czone display (als ik het kabeltje had) of via een speciale Czone NMEA2000-USB interface (die ik ook niet heb, kwam ik achter). De Czone NMEA-USB interface stond wel op mijn bestellijst, maar toen de grote order uit de Verenigde Staten kwam, was deze vervangen door een Maretron NMEA-USB interface. Ook goed dacht ik toen. Maar ik vermoed nu dat de Czone interface toch iets meer kan dan de Maretron, die gaf aan alleen de min of meer typische navigatie NMEA2000 berichten om te zetten. De Czone interface heb ik inmiddels via Ebay geschikt kunnen kopen.

Over 2 weken ga ik het opnieuw proberen. Of met het Czone display (met stroomkabeltje) of met de Czone USB-CAN interface.

3 netwerken, alles via NMEA2000

Al jaren ben ik aan het nadenken over het definitieve ontwerp van de 24 Volt elektrische installatie voor ons motorjacht Xanthiona. Het basisprincipe is nog steeds dat alle huishoudelijke apparatuur zoveel mogelijk 230 Volt is en alle typische scheepsaccesoires en navigatie-apparatuur is 24 Volt. Een aantal keren heb ik hier al wat over geschreven en met name over het idee om een ‘distributed power system’ via digitaal schakelen met modules van Czone, te installeren. Voordelen van zo’n systeem zijn o.a. veel minder kabels en geen fysieke schakelaars. Nadelen: de configuratie is enigszins gecompliceerd. Met de recente aanschaf van een Victron Quattro lader/omvormer en de komst van de 940 Ah accu set werd het nu echt tijd om het volledige 24 V systeem te installeren. Bij de 20^ste wijziging op mijn ontwerp van het 24 V systeem moest ik me verder verdiepen in de dikte van de diverse kabels. Hieronder beschrijf ik wat ik tegenkwam en wat mijn overwegingen zijn.

Werkplank over de motor bij aanvang van de definitieve 24 V installatie

De tussenschakel tussen de accu set, de Quattro en het 24 V (Czone) systeem is een Victron DC Link box. Victron schrijft voor dat de Quattro wordt aangesloten met 2 x 50 mm². Dit betekent dus 2 x 50 mm² van de Quattro naar de DC Link box en van daar met 2 x 50 mm² naar de accus. Het hart van het Czone systeem zijn de ‘output interface’ modules die met een lange dikke kabel op de 24 V wordt aangesloten en dan kunnen er 6 lokale verbruikers worden aangesloten met korte dunne kabel. Totaal 6 x 20 Ampere = 120 Ampere. Hoe dik moet dan de kabel zijn? Voor de ankerlier die 125 Ampere nodig heeft schreef Lofrans een kabeldikte voor van 50 mm² als de afstand tot de accu minder is dan 3 meter. Dus heb ik 50 mm² even als uitgangspunt aangenomen voor de Czone. Naarmate kabels langer worden, treed er meer spanningsverlies op. 1 van de Czone modules zit op ca. 15.5 meter van de accu. En nu? Dikkere kabel? Hoeveel dikker? Het antwoord daarop is niet eenduidig.

Qua spanningsverlies is een op het internet bij een kabelleverancier gevonden richtlijn dat dit max 5 % mag zijn. 5 % van 24 V is 1.2 Volt. Diezelfde kabelleverancier geeft de volgende berekening voor draaddikte:

lengte x 2 x benodigde stroom x 0,0175 
(toelaatbaar verlies = 1.2)

De DC Link box tussen de 940 Ah accu set en verbruikers

Voor een apparaat dat 15 A verbruikt en op 8 meter afstand is bevestigd, is de draaddikte dus: 3.5 mm². Voor de Czone module op 15.5 meter afstand en die in principe maximaal 120 A gebruikt zou de draaddikte dan 15.5 x 2 x 120 x 0,0175 gedeeld door 1.2 = 54.2 mm² zijn. Maar!

Als ik even kijk naar de richtlijn van de American Boat and Yacht Council (ABYC), dan schrijven die voor 125 A een kabel van 4 AWG voor bij een omgevingstemperatuur van 75˚ C. Als de kabel in de motorruimte zit moet ie 2 AWG zijn. Handig die Amerikanen met hun niet-metrieke aanduiding. In sommige van de handleidingen van de apparatuur wordt ook vaak deze AWG dikte genoemd. Diezelfde 4 AWG is volgens de ABYC in het metrieke stelsel 21 mm² en de 2 AWG is 34 mm². Naarmate de omgevingstemperatuur omhoog gaat moet de kabel iets dikker zijn volgens de tabel van de ABYC. Overigens gelden de waardes voor een kabel die niet in een bundel van kabels is opgenomen. In het overzicht van de ABYC wordt echter geen rekening gehouden met lengte en spanningsverlies.

Bij een bundel van 3 kabels geldt volgens ABYC bij een omgevingstemperatuur van 75˚ C een kabeldikte van 35 mm² voor diezelfde 125 A en in de motorruimte moet ie dan weer ca. 54 mm² zijn. En ook hier geldt dat hogere omgevingstemperaturen leiden tot nog dikkere kabel. Zit de kabel in een bundel van 4 tot 6 kabels dan moet de dikte van de kabel zelfs berekend worden met een vermenigvuldigingsfactor van 0.857 volgens ABYC. Hoe groter de bundel, hoe kleiner de vermenigvuldigingsfactor en hoe dikker de kabel. Je ziet dat er dus nogal wat factoren zijn die invloed hebben op het bepalen van de dikte van de stroomkabel.

Volgens de Recreative Craft Directive van de CE is de ISO standaard 10133 voor gelijkstroom (DC) geldig en die spreekt over max 10 % spanningsverlies bij volledige belasting en bij 30˚ C omgevingstemperatuur. Zij geven een iets andere formule, die in dit geval meer uitgaat van het berekenen van het spanningsverlies bij een bepaalde draaddikte:

Spanningsverlies = 0.0164 x stroom x 2 x lengte kabel (kabel lengte gemeten heen en terug)
                                               draaddikte in mm²

Voor hetzelfde voorbeeld van de Czone module met max 120 A op 15.5 meter bij gebruik van een kabel van 50 mm² zou het spanningsverlies

Een deel van het Czone systeem op 24 V paneel

dan 0.0164 x 120 x 2 x 15.5 delen door 50 = 1.2 V zijn. Dit is ruim binnen de 10 %. Zouden we een kabel nemen van 35 mm², dan is de waarde 1.75 V. Pas bij 26 mm² kom ik op het max toegelaten 2.4 V spanningsverlies uit. De ISO gaat uit van een temperatuur van 60˚ C in een motorruimte. Waarbij er bij de ISO standaard weer vermenigvuldigingsfactoren worden gebruikt die afhankelijk zijn van de toegelaten temperatuur van de isolatiemantel van de draad. Zo geeft een draad met temperatuuraanduiding van 85-90˚ C een vermenigvuldigingsfactor van 0.89. De ISO schrijft tevens voor dat de te gebruiken draad altijd uit meervoudige aders moet bestaan en per dikte van de draad is de minimum hoeveelheid aders voorgeschreven. Voorbeeld een 10 mm² draad moet minstens 19 aders zijn. Als de stroomdraad veelvuldig wordt bewogen moet ie zelfs uit 168 aders bestaan. En zo zijn er nogal wat meer richtlijnen in de ISO over afstanden tussen kabels, krimpkous, kabelschoentjes, zekeringen, etc.

De ene fabrikant houd wel rekening met de factoren (lengte, temperatuur, locatie, hoeveelheid stroom, gebundeld ja/nee), maar anderen niet. Even een voorbeeld. Simrad schrijft voor zijn autopilot (trekt nogal wat stroom) een 30 A zekering voor, maar in het aansluitschema staat voor 24 V een waarde van 15 A bij een draaddikte van 2.5 mm² tot maximaal 6 meter. Simrad heeft het niet over temperatuur, bundeling en locatie. Thuis is 1.5 mm² al genoeg voor zelfs 16 A. De fabrikant van de stuurpomp die door de autopilot wordt aangestuurd schrijft maar 13 A voor. Moet ik nou uitgaan van de 30 A, de 15 A of de 13 A? Ander voorbeeld. 1 van de Czone modules wordt 12 Volt, omdat er ook een paar 12 V apparaten zijn. Een omvormer zet de 24 V om naar 12 V. De omvormer kan maximaal 40 A (12 V) leveren. Hoe dik moet de kabel dan zijn? DE ABYC schrijft 10 AWG (5.3 mm2) voor bij 75˚ C. Komt de kabel uit de motorruimte dan is het 6 mm² (75 C). Kijk ik naar de apparatuur die er daadwerkelijk aan de omvormer komt te hangen, dan kom ik totaal maar tot 26 A. Volgens de ABYC zou dan een kabel van 3.3 mm² genoeg zijn. Volgens ISO is de 16 mm² kabel (afstand ca. 8 meter, draad komt uit motorruimte) die ik hiervoor in gedachten heb goed genoeg. 0,0162 x 26 A x 2 x 8 meter delen door 16 mm² = 0.43 V. Dit is binnen de 10 % maximale spanningsverlies. En nu? Welke dikte te kiezen?

Van links naar rechts: scheidingstrafo, 5000 W Quattro en 3000 W Multi

Je ziet het, het wordt eigenlijk toch allemaal een beetje koffiedik kijken. Ik gebruik een beetje gezond verstand en kijk naar het daadwerkelijke verbruik en daar stem ik de kabels grotendeels op af. Ik kijk ook naar wat de fabrikant voorschrijft en ga liever voor de zekerheid voor een dikkere dan voor een te dunne kabel. Zo is de kabel van 0.5 meter die van de DC Link box naar de hoofdschakelaar voor alle 24 V apparatuur loopt 70 mm². Daar vandaan 70 mm² kabel over een lengte van 5 meter naar een verdeelpunt. Van het verdeelpunt loopt een 50 mm² kabel door naar een Czone module 8 meter verder. Voor het bereken van de totale lengte, komt de afstand van ca. 2 meter van de accu naar de DC Link box er nog bij. Dit is de eerder genoemde lengte van 15.5 meter, waarvoor een draaddikte van 54.2 mm² was berekend. Van het verdeelpunt loopt ook nog een 35 mm² voor een 2^de Czone module op 1.5 meter op de flying bridge. De kabel van de verdeelpunt naar de genoemde 24 V/12 V omvormer wordt 10 mm2 (ca. 30 cm). De kabel vanaf de hoofdschakelaar die naar de 3^de Czone module in de motorruimte loopt wordt 16 mm² op een afstand van 90 cm.

Het lijkt misschien allemaal wat overbemeten, maar een deel van de kabels wordt weggewerkt en kan later moeilijk vervangen worden. Ik ga dus maar uit van de situatie dat een Czone maximaal belast kan worden, ook al is de praktijk dat er daadwerkelijk veel minder wordt gebruikt door de apparatuur die er aan hangt.