01.10.2015

Twincat 3

Modulares Framework unterstützt flexibles Anlagenkonzept

Im Prototyp einer 5MW-Windenergieanlage kommt moderne Automatisierungstechnik und Software zum Einsatz. Hierzu zählt eine durchgängige Steuerungslösung oder die Sicherheitstechnik. Mit dem modular aufgebauten Twincat Wind Framework wurden Konzepte aus den Bereichen Software Engineering und Big Data umgesetzt. So lassen sich die Sensordaten sogar in die Datenbank des Anlagenbetreibers bereitstellen.

Autor: Dipl.-Ing. Stefan Ziegler, Beckhoff Automation GmbH & Co. KG.


Das Ingenieurbüro Aerodyn entwickelt Windenergieanlagen bzw. Rotorblätter und bietet Redesigns oder Modernisierungen sowie Lizenzen zu bestehenden Anlagendesigns an. Die Basis bildet dabei das modulare aeroMaster-Konzept: eine Dreiblattanlage mit elektrischer Einzelblattverstellung und drehzahlvariablem Generator/Umrichtersystem. Verfügbar ist die Anlage in drei verschiedenen Klimavarianten und für Sonderwindklassen, was den weltweiten Betrieb auch bei extremen Windgeschwindigkeiten ermöglicht. Die für den Offshore-Einsatz konzipierte Variante mit einem Rotordurchmesser von 139m und 5MW Nennleistung, ist ausgelegt für Windbedingungen nach GL2009TC2B - d.h. 8,5m/s durchschnittliche Windgeschwindigkeit und 16% Turbulenzgrad - sowie für hohe Ansprüche in Bezug auf Energieertrag und Betriebssicherheit. Der zusammen mit dem chinesischen Anlagenbauer Windey umgesetzte Prototyp verfügt über redundante Systeme, spezielle Lüftungs- und Klimatechnik zur Vermeidung von Korrosionsschäden in der Gondel sowie eine Abseilplattform für Wartungspersonal.

Umfangreiche Steuerungstechnik

Die gesamte Elektrotechnik gliedert sich auf in drei Schaltschränke:

  • • Der Turmsteuerschrank beinhaltet die Betriebssteuerung, die Anlagenvisualisierung, die über Twinsafe realisierte Sicherheitstechnik sowie die für die spätere Serienanwendung geplante und als Ethercat-Slave ausgeführte Anbindung an die übergeordnete Park-Kommunikation.
  • • Im Gondelsteuerschrank werden alle Sensoren und Aktoren in der Gondel und der Nabe erfasst sowie Pitch und Umrichter angebunden.
  • • Der ebenfalls in der Gondel untergebrachte Umrichterschrank beinhaltet die Umrichter für definierte Lüfter bzw. Pumpen und die Azimutantriebe.

Das Herz der Steuerungstechnik konzentriert sich auf den einfach zugänglichen Turmsteuerschrank. Hier übernimmt ein Embedded-PC CX2030 von Beckhoff mit Core-i7-Prozessor die komplette Anlagensteuerung, wobei er autark, also unbeeinflusst von der Fernwartung arbeitet. Aus der Ferne zugänglich ist hingegen der Schaltschrank-PC C6930, mit Core-i5-Prozessor und optionaler 256GB-SSD-Festplatte. Er ist neben der Fernwartungsanbindung einerseits zuständig für das Monitoring und die Visualisierung über das 15"-Multitouch-Control-Panel CP2915. Andererseits sorgt der Schaltschrank-PC durch seine Speicherkapazität für eine leistungsfähige Datenhaltung. Hierzu Aerodyn-Geschäftsführer Markus Rees: "Dies ist im Fall des Prototypen von besonderer Bedeutung, da bei dessen Vermessung immense Datenmengen anfallen, die im normalen Betrieb allerdings nicht vorkommen. Schaltschrank-PC und Control Panel im Gondelsteuerschrank dienen ebenfalls der Visualisierung, sind allerdings nur bei diesem Prototyp und nicht bei den Serienanlagen vorgesehen und erforderlich."

Breites E/A-Spektrum

Weitere Vorteile sieht Rees in der Flexibilität der PC-Control-Lösung: "Wir profitieren vom extrem breiten und modularen E/A-Spektrum." Insgesamt werden 408 Datenpunkte abgedeckt; erfasst und verarbeitet über 218 Ethercat-Digital-E/As, 110 Ethercat-Analog-E/As, neun CAN-Master, zwei RS485-Schnittstellen sowie 31 IO-Link-, fünf Encoder- und zwei Energiemessklemmen. Hinzu kommen 33 Twinsafe-Klemmen, über die eine Kombination aus Personen- und Maschinensicherheit realisiert wurde. Hierzu zählen u.a. Not-Halt, Überdrehzahl, Überstrom, Vibrationsalarm und Azimut-Limit. "Twinsafe hat sich als geeignet für den Einsatz in Windenergieanlagen erwiesen, da weite Strecken zu überbrücken sind", so Rees. Das sei durch die Kommunikation über Ethercat kein Problem. Auch die Systemintegration biete Vorteile, da alle Sicherheitsinformationen automatisch und ohne zusätzliche Hardware in der Steuerung vorliegen. Ethercat hat sich beim Prototypen aber nicht nur durch die Überbrückung der Distanz von über 100m zwischen Turmbasis und Gondel bewährt. Wichtig im Sinne der Anlagenverfügbarkeit sind laut Rees auch die Kabelredundanz sowie die umfangreichen Diagnosemöglichkeiten und die einfache Fehlersuche. Insgesamt ergebe das eine einheitliche und performante Kommunikation - durchgängig für alle Kernkomponenten, wie Steuerung, Pitch oder Umrichter. Auch die Parkkommunikation lasse sich nahtlos integrieren, was beim einzeln aufgestellten Prototyp bereits vorbereitet sei.

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Modulares Anlagenkonzept

Der Prototyp aeroMaster 5.0 ist die erste Windenergieanlage, bei der Twincat 3 und das neue Twincat Wind Framework eingesetzt werden. Die Steuerungs-Software auf Basis des Framework unterstützt durch ihre Modularität das modulare Hardware-Design der Anlage, bei dem sich beispielsweise Pitch, Umrichter und Generator von unterschiedlichen Anbietern wählen lassen. Steuerungsfunktionen und Branchen-Know-how werden mit dem Wind Framework in gekapselten Modulen und einem Applikations-Template bereitgestellt. Die Module bieten umfassende Dienste für die Automatisierung von Windenergieanlagen sowie einen Echtzeitzugriff auf alle Daten und die dauerhafte Datenhaltung in einer Datenbank. Mit dem Applikations-Template steht eine modulare Architektur für einen schnellen Einstieg sowie effizientes und zielgerichtetes Engineering zur Verfügung. Zu den praktischen Erfahrungen sagt Rees: "Das Wind Framework wird von uns mit der Datenbank-Anbindung an eine Microsoft-SQL-Server-Datenbank genutzt." Aufgaben für die Betriebsführung sind bereits im Framework enthalten und müssen nicht eigenständig implementiert, erweitert und gewartet werden. "Unsere Ingenieure können sich daher auf die Eigenschaften der Windenergieanlage konzentrieren und müssen nicht erst grundlegende Funktionen der Betriebsführung implementieren", so Rees weiter. "Gerade das integrierte und permanente Aufzeichnen aller Daten in Echtzeit ermöglicht einfache aber weitreichende Analysen und Diagnosen. Hinzu kommt, dass die modulare Architektur durch das Framework ein einfaches Austauschen von Software-Bestandteilen ermöglicht. Dabei können bestehende Funktionen wiederverwendet und um neue Funktionen ergänzt werden." Von den typischen Twincat-3-Vorteilen profitiert Aerodyn ebenfalls. "Die Regleralgorithmen aus der Simulation zur Bestimmung von Extrem- und Betriebslasten konnten einfach im Sourcecode übernommen und als C++-Module eingebunden werden", sagt Rees. "Die Integration in Visual Studio und die Sourcecode-Verwaltung über Subversion haben zudem die Verwaltung verschiedener Projekte bzw. eine parallele Zusammenarbeit der teilweise in Deutschland und in China arbeitenden Ingenieure erleichtert."

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