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Leistungsdaten im Blick: Zentrale Steuerungs­systeme helfen, hohe Verfügbarkeit bei Wind­energieanlagen wirtschaftlich umzusetzen. Bild: Phoenix Contact
Automatisierungs- & Elektrotechnik

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Starkes Nervensystem für Windenergieanlagen

Text: Marc Reitmaier, Phoenix Contact Electronics
Wenn die Steuerung das Gehirn einer Windenergieanlage ist, arbeitet der Feldbus als Nervensystem. Beides sind kritische Lösungen, die maßgeblich zu einer hohen Anlagenverfügbarkeit beitragen. Deshalb setzen immer mehr Anlagenbauer auf Echtzeit-Ethernet-Standards.

Aufgrund der immer umfangreicheren Gridcodes müssen Windparks heute geregelt werden. Das bedeutet, dass eine intelligente Einheit, die an zentraler Stelle montiert ist, alle wichtigen Leistungsdaten – also Wirk-, Blind- und Scheinleistung – am Übergabepunkt des Windparks zum Netzbetreiber misst und mit dessen Vorgaben vergleicht. Bei Abweichungen werden entsprechende Sollwerte an die Wind­energieanlage (WEA) geschickt, um die Differenzen auszuregeln.

Dieser Regelvorgang muss in wenigen Sekunden abgeschlossen sein, was ein schnelles Kommunikationssystem zwischen der Windpark- und der WEA-Steuerung bedingt. Zudem fordern einige Länder, dass ein Windpark ohne Regelung abzuschalten ist, damit eine Überlastsituation in den Netzen vermieden wird. Fällt die Windpark-Steuerung folglich aus, müssen sämtliche Windenergieanlagen vom Netz getrennt werden. Bei mehreren hundert Anlagen pro Windpark führt dies beim Betreiber zu hohen finanziellen Einbußen.

Redundanz für schnelle Regelvorgänge

Um eine derartige Situation zu umgehen, verwenden zahlreiche Anlagenhersteller die redundanten Remote Field Controller RFC 460R PN 3TX von Phoenix Contact als Windparksteuerung. Die hochverfügbare SPS mit einem Multi­tasking-Betriebssystem gemäß IEC 61131 synchronisiert alle Prozesswerte Task-synchron.

Darüber hinaus stellt der Profinet Redundancy Layer (PRL) sämtliche Eingangsprozesswerte beiden Steuerungen zur Verfügung. Der Windparkregler läuft somit sowohl in der aktiven als auch der passiven Steuerung mit den gleichen Prozesswerten und kann jederzeit im sogenannten Hotswopping-Verfahren den Regelungsprozess übernehmen.

In der Netzwerkinfrastruktur des Windparks werden GHS-Switches der Produktfamilie Factoryline von Phoenix Contact genutzt. Auf Basis des Media Redundancy Protocols (MRP) ermöglichen sie den Netzwerkaufbau in Ringstrukturen sowie die Umsetzung eines 1000 MBit/s schnellen Backbones. Mit dieser hochperformanten Infrastruktur lassen sich zyklussynchrone Prozesswerte aus jeder WEA in der Windpark-­Steuerung verarbeiten und loggen. Die hohen Datenvolumen, die Condition-Monitoring-Systeme (CMS) erzeugen, werden über die gleiche Infrastruktur übertragen und gespeichert.

In einem durchgängigen System kommen auch innerhalb der WEA identische Technologien wie im Windpark zum Einsatz, also das Profinet-Protokoll zur Kommunikation. Falls der Anlagenhersteller hier ein günstiges Konzept realisieren möchte, kann er durch die Zwei-Port-Strategie von Profinet Linienstrukturen aufbauen, ohne zusätzliche Infrastruktur wie Switches zu benötigen.

Sofern weitere Ethernet-Ports in der Bottom- oder der Top-Box erforderlich sind, bieten sich Netzwerkkomponenten wie beispielsweise die Lean Managed Switches von Phoenix Contact an. Mit Hilfe dieser kompakten Geräte ist es möglich, managebare Ethernet-Netze innerhalb der Wind­energieanlage flexibel und wirtschaftlich umzusetzen.

Aufgrund der Vielzahl an Anschlussvarianten sowie des erweiterten Temperaturbereichs von -40 °C bis 70 °C decken die Lean Managed Switches, die die Profinet Conformance Class A unterstützen, die besonderen Anforderungen der Wind­branche sehr gut ab.

Mit Hilfe der integrierten Software lassen sich Netze über IT-Standardpro­tokolle redundant aufbauen, diagnostizieren und überwachen. Als weiterer Vorteil von Profinet erweisen sich die sogenannten Profile wie Profidrive für die Antriebstechnik. Mit Profidrive wird die Profinet-Schnittstelle eines Umrichters einheitlich beschrieben. Hier sind sowohl die Prozessdaten als auch die Parameter und Alarme standardisiert.

Verwendet der Anlagenhersteller beispielsweise ein Pitch-System von An­bieter A, das im Profidrive-­Profil betrieben wird, kann er dieses ohne Software-Anpassung gegen eine Lösung von Anbieter B austauschen, die ebenfalls auf dem Profi­drive-Profil basiert. Auf diese Weise lässt sich ein Zweitlieferantenkonzept realisieren. Somit können Abhängigkeiten von einem Anbieter vermeiden werden.

I/O-System spart Kosten

Als I/O-System nutzen viele Windenergieanlagen-Hersteller die Produktfamilie Axioline F von Phoenix Contact. Denn die speziell für die Windbranche entwickelte blockmodulare Lösung für den Schaltschrank ist mit einer Update-Zeit von einer Mikrosekunde pro I/O-Modul eines der weltweit schnellsten I/O-Systeme. Die Update-Zeit der kompletten I/O-Station ergibt sich aus der Anzahl der I/O-Module, weshalb jeder Prozesswert verzögerungsfrei im Profinet-Buskoppler eintrifft. Eine Station mit 256 I/Os benötigt beispielsweise weniger als sechs Mikrosekunden Update-Zeit.

Die Produktfamilie Axioline F zeichnet sich ferner durch eine große Robustheit im Design und in der Mechanik aus. Die durch Filterzeiten einstellbare hohe elektromagnetische Verträglichkeit ermöglicht außerdem den problemlosen Einsatz selbst in Büro- oder Wohngebäuden. Weitere Vorteile von Axioline F liegen im erweiterten Temperaturbereich sowie der reduzierten Abstrahlung, sodass die I/O-Module auch im Fall einer Senkung von Grenzwerten noch verwendbar sind.

Aufgrund der Push-in-Anschlusstechnik lassen sich die Axioline-F-Stationen werkzeuglos und deshalb effizient verdrahten. Dazu werden die starren oder mit Aderendhülse bestückten Leiter einfach in die Klemme gesteckt. Die farbliche Kennzeichnung der Kontaktstellen erlaubt eine intuitive und schnelle Verdrahtung, was Installationszeit und damit Kosten einspart. Intelligente Markierungssysteme von Phoenix Contact erleichtern zudem die individuelle Kennzeichnung des I/O-Systems. Nach oben und unten abführbare Kabel tragen zu einer übersichtlichen Verdrahtung bei. Müssen Module gewechselt werden, kann dies bei bestehender Verdrahtung besonders schnell erfolgen.

Im Rahmen der CE-Zertifizierung gemäß Maschinenrichtlinie muss der Anlagenhersteller eine Risikobeurteilung durchführen. In diesem Zusammenhang werden alle personengefährdenden Risiken identifiziert und beurteilt. Wenn eine Windenergieanlage zum Beispiel für den Betrieb bis -20 °C ausgelegt ist und tiefere Temperaturen zu strukturellen Schäden führen würden, geht von der WEA eine Gefahr für die sich in ihrer Umgebung befindlichen Personen aus. Sicherheitsfunktionen haben hier die Aufgabe, die ermittelten Risiken auf ein vertretbares Maß zu reduzieren.

Für jede dieser Funktionen muss der Hersteller den Performance Level required (PL r) bestimmen. Auf der Grundlage verschiedener Formeln erbringt er dann den Nachweis, dass der PL der von ihm erarbeiteten Sicherheitsfunktion die Anforderungen des PL r erfüllt oder sogar übertrifft. Sollte der PL r der Sicherheitskategorie PL d entsprechen, muss die Temperaturüberwachung und Abschaltung der WEA ebenfalls PL d genügen.

Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Temperatur nicht mit Standard-I/Os gemessen werden darf. Stattdessen sind Safety-Komponenten zu nutzen. Ein weiteres Beispiel ist die Abschaltung der Windenergieanlage bei Sturm. Andernfalls könnte es ebenso zu strukturellen Schäden kommen. Die Windgeschwindigkeit muss also auch sicher erfasst werden.

Sicherheitsbezogene Verarbeitung mit ​Standard-Modulen

Vor diesem Hintergrund ist das Axioline-I/O-System darauf ausgelegt, analoge Signale sicher bis PL e aufzunehmen und direkt in der sicheren Steuerung zu überwachen. Speziell für die Windbranche entwickelte sichere Funktionsbausteine berechnen zum Beispiel aus zwei Anemometer-Signalen einen Mittelwert. Wird die maximal zulässige Windgeschwindigkeit für die WEA überschritten, erfolgt eine Sturmabschaltung.

Sollten sich die beiden Signale unterscheiden, was auf ein defektes Anemometer hindeutet, schaltet sich die Wind­energieanlage ebenfalls ab. Das beschriebene Safe-AI-Konzept ist am Markt einzigartig. Es bietet sich überall dort an, wo Analogwerte sicherheitsbezogen verarbeitet werden müssen. Durch Verwendung der TÜV-zertifizierten und Software-basierten Lösung benötigen die Hersteller keine sicherheitsgerichteten I/O-Baugruppen. Das erhöht die Flexibilität des Automatisierungssystems und spart Kosten.

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