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Um Windanlagen sicher zu automatisieren, sollte die Komponentenauswahl besondere Beachtung verdienen. Bild: Pilz, iStock sandsun
Windkraft

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Messdaten unter Kontrolle

Text: Martin Kurth, Pilz
Die Herausforderung bei Windenergie besteht darin, einen möglichst großen Ertrag zu erzielen sowie die Anlagen sicher und effizient zu betreiben. Anhand des Beispiels Drehzahlüberwachung wird deutlich, wie sich mit sicherer Automatisierungstechnik beides vereinen lässt.

Materialien und Bauteile für Windkraftanlagen sind dauerhaft den Naturgewalten und wechselnden Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Das stellt im Vergleich zum abgeschlossenen Umfeld von klassischen Produktionsmaschinen hohe Anforderungen an die Komponenten und verlangt die ständige Überwachung der Anlagenfunktionen. Um die Windanlagen sicher zu automatisieren, sollte daher die Komponentenauswahl besondere Beachtung verdienen. Mit der passenden Technik lassen sich Sicherheit und Effizienz steigern.

Die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG verpflichtet die Her­steller zu einer umfassenden Risikobeurteilung für alle Lebensphasen und Betriebsarten der Anlage. Den dabei ermittelten Performance Level (PL) für die sicherheitsrelevanten Funktionen erfüllen die Standardkomponenten in der Steuerung der Anlagen in der Regel nicht. Mit sicheren Automatisierungslösungen ist es allerdings möglich, Anlagenzustände jederzeit zu überwachen und zu steuern sowie die sicherheitstechnischen Vorgaben zu erfüllen.

Wie sich Sicherheit und Effizienz verbinden lassen, zeigen die drehzahlrelevanten Sicherheitsfunktionen einer Windkraftanlage, wie etwa Überwachung von Wellenbruch, Rotordrehzahl und Generatordrehzahl. Bei Anlagen, die mit einem Getriebe ausgerüstet sind, wird die kinetische Energie des Windes über die langsam drehende Rotorwelle und ein Getriebe auf die schnelldrehende Generatorwelle übertragen. Nach den Richtlinien des Germanischen Lloyd zur Zertifizierung von Windkraftanlagen stellt der Schutz vor Drehzahlüberschreitung des Rotors eine sicherheitsrelevante Funktion gemäß PL d dar.

Bei einer Störung können Standard-Komponenten diese Sicherheitsfunktionen nicht immer gewährleisten. Fallen die Systeme für die Drehzahlüberwachung aus, erhält der Anwender unter Umständen keine Rückmeldung über den tatsächlichen Anlagenzustand. Eine Gefahrensituation für Mensch und Anlage ist dann nicht auszuschließen. Neben Personenschäden kann es zu Anlagenschäden oder im schlimmsten Falle zum Totalausfall kommen.

Drehzahl im Blick behalten

Der Drehzahlwächter PNOZs30, die konfigurierbaren Steuerungssysteme PNOZmulti und das Automatisierungssystem PSS 4000 von Pilz überwachen Stillstand, (Über-)Drehzahl, Position, Wellenbruch, Drehzahlbereich und Drehrichtung nach EN ISO 13849-1 bis PL e. Weitere Parameter wie Öl- und Generatortemperatur, Vibration sowie elektrische Parameter werden ebenfalls kontrolliert. Alle drei Lösungen können sowohl mit einem einzigen (sicheren) Geber als auch mit zwei Standard-Gebern (Inkrementalgeber und Näherungssensoren) betrieben werden. Dabei stellt der Standard-Encoder in Verbindung mit dem Näherungsschalter ein zweikanalig redundantes und diversitäres System dar.

Um die hohen technischen Anforderungen der Sicherheitsfunktionen zu erfüllen, besitzt der Drehzahlwächter PNOZ s30 eine durchgängige zweikanalige Steuerungsarchitektur. Die zwei unterschiedlichen Signale werden als ein zweikanaliges Gesamtsystem ausgewertet. Der Drehzahlwächter kann als Stand-Alone-Modul für die sichere Überwachung von Stillstand, Drehzahl, Position, Drehzahlbereich sowie Drehrichtung nach EN ISO 13849-1 bis PL e und nach EN IEC 62061 bis SIL CL 3 eingesetzt werden. Er verfügt zudem über eine für den internationalen Einsatz wichtige nordamerikanische UL/cUL-Zulassung und ist TÜV zertifiziert.

Sichere Analogwertverarbeitung

Das konfigurierbare Steuerungssystem PNOZmulti hat die Drehzahlen mit speziellen Motion-Monitoring-Modulen im Fokus. Je nach Basisgerät sind bis zu acht dieser Module möglich, die jeweils ein oder zwei Achsen überwachen. Das System erlaubt den Anschluss an alle gängigen Inkrementalgeber über die Industrieschnittstelle Mini I/O. Konfiguriert werden die Module beziehungsweise Überwachungsfunktionen schnell und einfach über die Software PNOZmulti Configurator.

Mit dem Automatisierungssystem PSS 4000 können alle relevanten Funktionen kontrolliert und gesteuert werden, um die Sicherheit einer Windkraftanlage zu gewährleisten. Eine sichere Analogwertverarbeitung von Anlagenwerten erlaubt es nicht nur nach Drehzahl zu regeln, sondern auch Werte wie etwa die Beschleunigung bei plötzlich auftretenden Windböen zu berechnen und die Anlage entsprechend zu regeln. Neu ist das I/O-Modul für die sichere Drehzahlüberwachung für das Automatisierungssystem PSS 4000. Auch das I/O-Modul ist so in der Lage, mit nur einem Drehgeber sichere Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Stopp-Funktionen bis PL e zu überwachen.

Sichere Automatisierungslösungen bieten in Windkraftanlagen ein großes Potenzial für einen wirtschaftlichen Betrieb. Bei der Planung der Anlagen muss zwar in erster Linie darauf geachtet werden, dass die gewählte Sicherheitslösung auch den geltenden Sicherheitsanforderungen genügt. Automatisierungstechnik, die auf mehrere Faktoren im Betrieb der Windenergieanlage entsprechend schnell reagiert, kann außerdem Fehler- oder Störungsquellen frühzeitig identifizieren. Dadurch lassen sich Stillstandzeiten reduzieren, was letztlich einen effizienteren Betrieb bedeutet.

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