Renewables Windmühlen mit minimalem Stillstand

Wenn die Steuerung das „Gehirn“ einer Windenergieanlage (WEA) ist, fungiert der Feldbus als „Nervensystem“. Bei beiden handelt es sich um kritische Lösungen, die maßgeblich zu einer hohen Anlagenverfügbarkeit beitragen. Deshalb setzt eine steigende Zahl von WEA-Produzenten das Echtzeit-I/O-System Axioline von Phoenix Contact und das Profinet- respektive das Profisafe-Protokoll ein.

Dies vor dem Hintergrund, dass Funktionen des Kommunikationsstandards wie die automatische Gerätetaufe oder herstellerübergreifende Profile die Anforderungen der Wind­energieanlagen-Anbieter erfüllen. Kein anderes Ethernet-basiertes Feldbussystem lässt sich so einfach und trotzdem sicher mit der restlichen Ethernet-Infrastruktur in der WEA und im Windpark kombinieren. Außerdem kann der Anwender flexible Strukturen aufbauen. Und schließt der Service-Techniker aus Versehen ein Gerät an einem falschen Port an, wird dies zwar erkannt, aber das System arbeitet trotzdem fehlerfrei.

Redundantes Steuerungssystem

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 den Vorgaben des Netzbetreibers vergleicht. Bei Abweichungen werden entsprechende Sollwerte an die Windenergieanlage geschickt, um die Differenzen auszugleichen. 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 aus, müssen folglich sämtliche Windenergieanlagen vom Netz getrennt werden. Bei mehreren hundert WEA pro Windpark führt dies beim Betreiber zu hohen finanziellen Einbußen.

Zum Umgehen einer derartigen Situation verwenden zahlreiche Anlagenhersteller die redundanten Remote Field Controller RFC 460R PN 3TX von Phoenix Contact als Windpark-Steuerung. Die SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) 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.

Ring- und Linienstrukturen

In der Netzwerk-Infrastruktur des Windparks werden GHS-Switches (Gigabit Head Station) 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 Windenergieanlage 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 zum Einsatz wie im Windpark, also das Profinet-Protokoll zur Kommunikation. Falls der Anlagenhersteller hier ein günstiges Konzept realisieren möchte, kann er durch die Zwei-Port-Strategie von Profinet auch 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 die Lean Managed Switches von Phoenix Contact an. Die kompakten Geräte erlauben die flexible und wirtschaftliche Umsetzung managebarer Ethernet-Netze innerhalb der Wind­energieanlage.

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 Anforderungen der Windbranche ab. Mit der integrierten Software lassen sich Netze über IT-Standardprotokolle redundant aufbauen, diagnostizieren und überwachen.

Zweitlieferanten-Konzept

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 Zweitlieferanten-Konzept realisieren und die Abhängigkeit von einem Anbieter vermeiden.

I/O-System zum Einsparen von 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 ist zudem robust im Design und in der Mechanik. Die durch Filterzeiten einstellbare elektromagnetische Verträglichkeit ermöglicht außerdem den Einsatz selbst in Büro- oder Wohngebäuden. Weitere Vorteile der I/O-Module liegen im erweiterten Temperaturbereich sowie der reduzierten Abstrahlung, sodass die Module auch im Fall einer Senkung von Grenzwerten noch verwendbar sind.

Aufgrund der Push-in-Anschlusstechnik lassen sich die Axioline-F-Stationen werkzeuglos verdrahten. Dazu werden die starren oder mit Aderendhülse bestückten Leiter in die Klemme gesteckt. Die Kontaktstellen sind farblich markiert und lassen sich dadurch intuitiv verdrahten, 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 machen die Verdrahtung übersichtlich. Müssen Module gewechselt werden, ist das dann bei bestehender Verdrahtung schnell möglich.

Ermittelte Risiken reduzieren

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 einen Betrieb bis -20 °C ausgelegt ist und tiefere Temperaturen zu strukturellen Schäden führen würden, geht von der WEA eine Gefahr für die 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 (Sicherheitskategorien von PL_a bis PL_e). 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, sondern Safety-Komponenten zu nutzen sind. Als weiteres Beispiel sei die Abschaltung der Wind­energieanlage bei Sturm genannt. Andernfalls könnte es ebenso zu strukturellen Schäden kommen. Die Windgeschwindigkeit muss also auch sicher erfasst werden.

Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact 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.

Kompetenzen nutzen

Zusätzlich zu den Safety-Komponenten verfügt Phoenix Contact über Kompetenzen bei der Risikobeurteilung von Windenergieanlagen. WEA-Hersteller können somit beim Nachweis der CE-Konformität auf die Unterstützung des Competence Center Safety des Blomberger Unternehmens zurückgreifen. Auf Basis von Dokumentenvorlagen und der Mitwirkung der Safety-Ingenieure kann die Automatisierungsaufgabe bis zur Abnahme der ersten Prototypen umgesetzt werden.