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Sichere Windkraftanlagen

Text: Philipp Kaim, Baumer IVO
Belastungen von Windkraftanlagen variieren laufend. Die permanente Kontrolle von Schwingungsverhalten und Schockaufkommen verhindert dabei ungeplante Stillstände und Ertragsausfälle. Spezielle Sensoren vereinfachen die Realisierung unterschiedlicher Sicherheitsfunktionen.

Belastungen von Windkraftanlagen variieren laufend. Eine permanente Kontrolle von Schwingungsverhalten und Schockaufkommen ist zwingend erforderlich, um eine Beschädigung oder gar Zerstörung unter allen Umständen zu verhindern. Der zur PLd-Zertifizierung angemeldete Beschleunigungssensor GAM900S wurde von Baumer gezielt für diesen Einsatz entwickelt. Er vereint die Funktionen Messung und Überwachung von Schocks und Vibrationen in einem System und reduziert damit Komponentenkosten sowie den Aufwand für Verkabelung und Logistik.

Das Gerät basiert auf kapazitiven MEMS-Beschleunigungssensoren, die speziell für die Messung kleiner Amplituden geeignet sind, wie sie in Windkraftanlagen üblicherweise auftreten. Die implementierten Bandpassfilter bis zur achten Ordnung unterdrücken effektiv unerwünschte Störfrequenzen und Offsetfehler, die durch Schräganbau und Temperaturdrift verursacht werden.

Verarbeiten und überwachen

Das System verwendet zwei diversitär redundant ausgelegte Beschleunigungssensoren. Dieser Aufbau vermeidet Common-Cause-Fehler, also Fehler mit einer gemeinsamen Ursache, und ist Grundlage für die systematische Eignung der Beschleunigungserfassung. Die in ebenfalls redundant ausgeführten Microcontrollern implementierte Safety Rated Embedded Software erfüllt alle Anforderungen zur Erfüllung der Sicherheitsintegrität gemäß PLd beziehungsweise SIL2 und ist damit konform zum ISO-Standard 13849 und zur Sicherheitsgrundnorm IEC 61508, insbesondere des umfangreichen Teils 3 „Software“.

Der Sensor nutzt zwei redundante Relais mit Rücklesekontakt, um das sichere Schalten auch im Fehlerfall zu garantieren. Die Relais werden zweikanalig angesprochen und ihr Zustand von der Embedded Software kreuzweise verglichen. Die Aktivierung des nach außen geführten Testeingangs deckt sogenannte schlafende Fehler mit Auswirkungen auf beide Relais auf. Der Beschleunigungssensor arbeitet verschleiß- und wartungsfrei. Seine Elektronik ist komplett vergossen. Damit erfüllt das Gerät die Schutzart IP 67 und ist unempfindlich gegen Schmutz, Flüssigkeiten und Betauung.

Drehzahlwächter

Die Kombination aus PLd-konformem Drehgeber am Schleifring und geeignetem Drehzahlwächter vereinfacht die Realisierung der Sicherheitsfunktion Schutz vor übermäßiger Drehzahl und damit die Sicherheitsbewertung der Anlage. Sichere Komponenten reduzieren die Gesamtkosten, da redundante oder mehrfache Sensoren entfallen können.

Die Drehgeber werden für den An- oder Einbau in den Schleifring verwendet. Die Kommunikation mit dem Drehzahlwächter wird über die sicheren Inkrementalsignale hergestellt. So kann im Notfall die Sicherheitssteuerung entsprechende Schritte einleiten, um die Sicherheit aufrecht zu erhalten.

Die einfachste Möglichkeit zur Drehzahl- und Positionserfassung sind inkrementale Drehgeber. Der SIL2- und PLd-zertifizierte ITD22H0 SIL gibt bis zu 2048 Sinsussignale aus. Mit durchgehender Hohlwelle und tangentialem Kabelabgang ist er sehr kompakt in der Montage. Der SIL2-geprüfte Drehgeber GI357 gibt bis zu 5000 Rechteckimpulse pro Umdrehung als HTL- oder TTL-Signal aus.

Der Absolutgeber GBASW bietet neben sicheren, SIL2-konformen Inkrementalsignalen eine hochperformante, FPGA-basierte Signalverarbeitung. Damit liefert er ein äußerst präzises, digitales Drehzahlsignal über SSI. Komplexe Algorithmen und Filter hoher Ordnung unterdrücken kompensieren Fehler im Drehzahlsignal, deren Ursache zum Beispiel Vibrationen sein können. So werden eine steifere Pitch-Regelung und der Betrieb näher an der Nenndrehzahl möglich. Gleichzeitig steigt die Verfügbarkeit, da Drehzahlmessungen ohne performante Signalaufbereitung zu Fehlauslösungen der Sicherheitskette wegen „überhöhter Rotordrehzahl führen“ können.

Generatordrehzahl erfassen

Heavy-Duty-Drehgeber sind seit über 20 Jahren die zuverlässige Lösung zur Erfassung der Generatordrehzahl. Ihre äußerst robuste Ausführung gewährleistet eine maximale Lebensdauer im 24/7-Betrieb. So prüft beispielsweise die integrierte Funktionsüberwachung EMS (Enhanced Monitoring System) permanent alle Drehgeberfunktionen und erleichtert auch den Drehgeber-Anschluss, denn korrekte Verdrahtung und Geber- sowie Schnittstellen-Funktion werden automatisch überprüft und signalisiert. Robuste, isoliert eingebaute Lager oder Hybridlager mit besonders langer Lebensdauer schützen vor Lagerschäden durch induzierte Wellenströme.

Der inkrementale Heavy-Duty-Drehgeber HOGS 100S ist PLd-zertifiziert und gibt bis zu 5000 Sinusperioden pro Umdrehung aus. Die Kombination mit einem geeigneten Drehzahlwächter erleichtert die Realisierung der Sicherheitsfunktionen Abschaltung bei Überdrehzahl und damit die Sicherheitsbewertung der Anlage.

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