Drehgeber & Co. mit SIL2 Sicher Windstrom erzeugen

Auf der einen Seite soll die Verfügbarkeit einer Windkraftanlage hoch sein. Das bedeutet wenige Ausfälle der Anlage beziehungsweise der Sensorik und nur geringer Wartungsaufwand mit wenigen Reparaturen. Auf der anderen Seite werden Anlagen mehr und mehr mit Sicherheits-Sensorik ausgestattet. Die Richtlinien des Germanischen Lloyds unterstreichen diese Entwicklung zusätzlich. Daher wird in Windkraftanlagen zunehmend mit zertifizierten Sicherheitskomponenten gearbeitet – wie mit SIL2 Zertifikat. Seit mehr als 30 Jahren liefert TWK Produkte an die Windbranche. Zudem bietet das Unternehmen Safety-Sensoren an, die den steigenden Anforderungen nachkommen. Mittlerweile umfasst die Produktpalette eine Reihe von SIL2-zertifizierten Sensoren.

Bit-genaues Schalten

Ein gutes Beispiel ist das elektronische Nockenschaltwerk der CANopen Modelle NOCN/S3. Es löst in vielen Fällen ein mechanisches Nockenschaltwerk mit integriertem Drehgeber ab. Das elektronische ist kompakter, einfacher zu bedienen und einzustellen. Anpassungen an die Anlage können elektronisch erfolgen und müssen nicht mechanisch – beispielsweise durch verschiedene Zahnräder – realisiert werden. Die Schaltpunkte der Nocken sind Bit-genau. Eine Eigenschaft, die bei einem herkömmlichen Schaltwerk nicht erreicht wird. Da bei vielen Applikationen die Nockenschalter bestimmten Sicherheitsanforderungen entsprechen müssen, ist eine SIL2-Zertifizierung unumgänglich. Der Kunde erhält ein Gerät, das eine sichere Drehgeberposition und -Geschwindigkeit übermittelt (über CANopen Safety) und zwei sichere Schaltkontakte integriert hat, um Endlagen zu erfassen. Die Relais-Kontakte sind galvanisch getrennt und können Gleich- wie Wechselspannung bis 60 V schalten. Sie sind für die Sicherheitskette geeignet. Ein Beispiel: Die Gondel einer Windkraftanlage wird bei sich drehender Windrichtung entsprechend nachgefahren, damit der Rotor immer senkrecht zur Windrichtung steht. Nur so wird die im Wind enthaltene Energie bestmöglich genutzt. Nun kann sich die Gondel aber nicht beliebig oft in eine Richtung drehen, da sich sonst die Leitungen verdrillen, die den erzeugten Strom ins Netz speisen. Also wird bei etwa drei Umdrehungen in dieselbe Richtung die Gondel durch das Nockenschaltwerk gestoppt und wieder auf Null zurückgedreht.

Fehler erkennen und reagieren

Um eine sichere Arbeitsweise zu gewährleisten, werden – neben der ohnehin erforderlichen, sicheren Auslegung von Hard- und Software – zusätzlich die Schaltkontakte direkt über einen Controller abgefragt. Sollte der geforderte Schaltzustand nicht vorliegen – aufgrund eines Defektes oder aufgrund von Kontaktkleben – wird sofort eine Fehlermeldung generiert und an die Steuerung übermittelt. Das Kontaktöffnen in der Sicherheitskette wird sichergestellt, indem pro Schaltausgang zwei in Reihe geschaltete Relais etwa 20 ms zeitversetzt öffnen. Die Differenzierung in Sensor und Aktor in einem Gerät, mit jeweils eigenen Safety-Daten, lässt dem Anwender die Möglichkeit offen, auf den Drehgeber oder auf die Schaltkontakte oder auf beides sein Hauptaugenmerk zu richten. Er weiß, welcher Teil mit welchem SIL Wert in seine Applikation eingeht. Auf Wunsch können die Drehgeberdaten auch über das CANopen Standard Profil oder SSI ausgegeben werden.

Erfolgreich eingesetzt werden die Nockenschaltwerke seit langem in der Pitch- und Yaw-Steuerung. Sie sind auch mit SSI (NOCE) und analoger Schnittstelle (NOCA) erhältlich. Zusammen mit dem TWK-Messzahnrad ZRS lässt sich die Position spielfrei ermitteln. Wird ausschließlich ein Drehgeber gebraucht, kann TWK mehrere SIL2 zertifizierte Modelle anbieten. Der aktuellste ist der Fail-Safe-over-Ethercat (FSoE) TRK/S3. Dieser entstammt ebenfalls der zuverlässigen und robusten Baureihe der magnetischen Zweikammergeräte, wie das NOCN. Diese Bauweise liefert Geräte mit einer Schutzklasse bis IP69K bei hoher Schock- und Vibrationsbelastbarkeit bis 500 m/s². Im Rahmen dieser Baureihe sind auch andere Schnittstellen lieferbar: Profisafe über Profinet (TRT/S3), CANopen (TRN) und CANopen Safety (NOCN58/S3), SSI (TRE) mit zusätzlichen Inkrementalsignalen sowie die immer noch verwendete analoge Schnittstelle (TRA). Die neueste Entwicklung ist ein Drehgeber HBx mit einer Auflösung von 4 Millionen Schritten (> 21 Bit) der nun auch als Inkremental-Drehgeber verfügbar ist.

Störschwingungen messen

Der SIL2-Vibrationssensor NVA rundet das Produktprogramm für die Windindustrie ab. Dieser speziell für Windkraftanlagen entwickelte Sensor misst Schwingungen und Vibrationen in einem Bereich von 0,1 bis 60 Hz in x- und y-Richtung. Er gibt die Messwerte analog und über CANopen Safety aus. Man misst mit diesem Sensor langsame Störschwingungen, beispielsweise aufgrund einer Rotorunwucht. Getriebevibrationen höherer Frequenz können ebenfalls erfasst werden. Die Frequenzbereiche sind auf Wunsch durch digitale Filter trennbar. Werden aufgrund von Defekten an der Anlage bestimmte Grenzwerte überschritten, gibt es zwei voneinander unabhängige Schaltausgänge, die die Sicherheitskette unterbrechen oder andere Schaltvorgänge vornehmen. Dieses Gerät ist weitreichend parametrierbar. Dies beinhaltet: Grenzwerte, Verstärkung, Mittelungen. Zum guten Schluss ist eine Integrator-Funktion implementiert, die leichte Grenzwertüberschreitungen über eine längere Zeit summiert und erst verzögert reagiert. Sollten die Überschreitungen zurückgehen, kann es sein, dass kein Schaden an der Anlage entsteht und nicht gestoppt werden muss. Der NVA löst in diesem Fall dann auch nicht aus. Aber: Bei starker Schockeinwirkung unterbricht der NVA immer die Sicherheitskette unabhängig vom Integrator (Shock detection).