Windkraftanlagen noch effizienter steuern

Verl. Auf der Husum WindEnergy, der weltweit größten Windenergiemesse, präsentiert Beckhoff vom 19. bis 22. September 2012 seine offenen PC- und EtherCAT-basierten Automatisierungslösungen für Windkraftanlagen. Allein im Jahr 2011 hat Beckhoff 7.000 Windmühlen mit einer Gesamtleistung von 11,2 GW automatisiert. Weltweit sind mehr als 20.000 Windkraftanlagen mit Beckhoff-Steuerungstechnik ausgestattet – sowohl zu Land als auch Offshore. Highlight der diesjährigen Messepräsentation ist die Beckhoff-Lösung für eine ultraschnelle Windparkvernetzung auf Basis von EtherCAT.

Automatisierungstechnik von Beckhoff hat sich weltweit auf Windkraftanlagen bis zu einer Größe von 5 MW erfolgreich im Einsatz bewährt. Mit der PC-basierten Automatisierungstechnik steht eine leistungsfähige Steuerung zur Verfügung, die alle Komponenten einer Windkraftanlage, wie Betriebsführung, Pitch-, Generator-, Umrichter- und Bremsensteuerung sowie Condition Monitoring und Parkvernetzung auf einer Plattform vereint. Mit dem Verzicht auf Spezial-Hardware werden die Kosten für die elektrische Grundausstattung der Windkraftanlage und die Wartungskosten gesenkt; gleichzeitig die Verfügbarkeit der Windkraftanlage erhöht.
Die offene, skalierbare Automatisierungssoftware TwinCAT bildet den Kern der PC-basierten Steuerungsplattform. Offene Schnittstellen erlauben die Integration von Third-Party-Software, beispielsweise für SCADA, Condition Monitoring, Flugbefeuerung oder Fundament-Monitoring. Über Standard-EtherCAT-Klemmen werden die Hardware-Schnittstellen für diese Funktionalitäten in die Steuerung integriert. Eine große Schnittstellenvielfalt erlaubt die Einbindung unterlagerter Feldbusse, wie CANopen, PROFIBUS und Ethernet TCP/IP und RS232/RS485. Durch die Verlagerung von Subsystemen ins Feld werden die Infrastrukturkosten deutlich reduziert und die Kommunikation vereinfacht.

Ultraschnelle Windparkvernetzung mit Reaktionszeiten unter 1 ms
Die Windparkvernetzung mit EtherCAT ist im Vergleich zu herkömmlichen IP-Lösungen schneller und bietet zudem Kostenvorteile. Je schneller die Parkvernetzung ist, desto effektiver kann der Energieversorger auf Spannungseinbrüche oder geänderte Anforderungen reagieren. Mit der in das Automatisierungssystem integrierten EtherCAT-Leistungsmessklemme werden Augenblickswerte von Strom und Spannung am Einspeisepunkt mit bis zu 10.000 Samples/s erfasst. Eine frühzeitige Diagnose von Spannungseinbrüchen wird somit gewährleistet. Im Unterschied zur aktuellen Lösung kann eine Reaktion eines gesamten Windparkes auf einen LVRT-Fall generiert werden. Wenn also ein Spannungseinbruch am Einspeisepunkt diagnostiziert wird, kann dies innerhalb von 1 ms an alle Windkraftanlagen im gesamten Parknetz gemeldet werden. Über die EtherCAT-Distributed-Clocks können die Messwerte aller Windkraftanlagen und der Messung am Einspeisepunkt eines Parks auf einem Zeitfensterkleiner als 1 μs synchronisiert werden. Mit diesen Daten können Strom, Spannung und Frequenz entsprechend geregelt und das Netz gestützt werden. Die bestehende Ethernet-Infrastruktur, auf Basis von LWL-Technik, kann verwendet werden. Sogar die Synchronisation der IGBTs von Umrichtern innerhalb eines Windparks lässt sich mit dieser Technik realisieren.

Integrierte Condition-Monitoring-Lösung
Auf Grund verschärfter Vorschriften und erhöhter Anforderungen an die Verfügbarkeit von Windkraftanlagen nimmt die Bedeutung von Condition-Monitoring-Systemen (CMS) immer mehr zu. Die PC- und EtherCAT-basierte Steuerungsplattform integriert die CMS-Funktion nahtlos in das bestehende Automatisierungssystem. Hierüber kann die komplette Zustandsüberwachung der Mühle, inklusive Getriebe, Hauptlager und Generator erfolgen. Neben deutlichen Kostenvorteilen und flexibler Erweiterbarkeit punktet diese Lösung auch durch eine verbesserte Diagnostik. Die CMS-Funktionalität wird über eine Beckhoff-EtherCAT-Klemme, z. B. die EL3632, in den Klemmenstrang integriert. Die Daten werden von der Klemme erfasst, und die Automatisierungssoftware TwinCAT stellt die Rohdaten innerhalb der Steuerung zur Verfügung. Die Echtzeit-Komponente der CMS-Software wird über TwinCAT-Boardmittel in die Steuerung integriert. Über eine Standardschnittstelle, wie OPC, koppelt der Anwender seine CMS-Auswertungs-Software an, die die eingesammelten Daten diagnostiziert und einen entsprechenden nachgeschalteten Service einleitet. Durch diese Architektur kommt man dem eigentlichen Ziel des Anwenders wesentlich näher: Ein Condition Monitoring der gesamten Anlage mit zeitsynchronen Daten, statt einer Diagnose von Einzelkomponenten.

TwinCAT 3 – durchgängige Steuerungsplattform reduziert Engineering
TwinCAT bietet dem Anwender hohe Freiheitsgrade bei der Wahl seiner Programmiersprache: Neben den objektorientierten Erweiterungen der IEC 61131-3 stehen auch C und C++ als Programmiersprachen für Echtzeitanwendungen zur Verfügung. Mit der Integration von Matlab®/Simulink® lässt sich TwinCAT auch zur Anlagensimulation, beispielsweise zur Lastenberechnung, einsetzen.

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Peer-Michael Preß

Peer-Michael Preß

Die Themenschwerpunkte des Autors sind B2B-Marketing, Medien und Kommunikationsstrategien und deren Umsetzung in der Praxis. Seid dem Jahr 2000 ist er geschäftsführender Gesellschafter des Unternehmens Press Medien GmbH & Co. KG mit den Tätigkeitsbereichen Buch- und Zeitschriftenverlag, Druckerei und Medienagentur. Er absolvierte die Ausbildung zum Verlagskaufmann in der Gundlach Gruppe, Bielefeld, und schloss erfolgreich ein Studium zum Betriebswirt mit Abschlussarbeit im Bereich Marketing zum Thema „E-Commerce in der graphischen Industrie“ ab.

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