Richtig Wind machen – Steuerungstechnische Gesamtlösung für optimiertes Engineering von Windenergieanlagen

Die Komplexität von Windenergieanlagen steigt zusehends, um deren Leistungsfähigkeit und Effizienzgrad zu erhöhen. Ein weltweit tätiger Konzern aus der Automatisierungsbranche rückt diesbezüglich ein modernes, robustes und flexibles System in den Mittelpunkt, das seinesgleichen sucht. Eingebundene Steuerungssysteme, dezentrale Peripherie, ein zentrales Bussystem und eine spezielle „Wind Library“ lassen sich komfortabel zu einem Gesamtsystem zusammenfügen, wie es in der industriellen Automation schon lange Stand der Technik ist.

Bild (Siemens): Die Software durchläuft deterministisch eine Hauptschleife. Darin enthalten sind die ausgewählten Funktionsbausteine. Durch diese Architektur ist auch ein Optimieren der Steuerung sehr einfach möglich.

Nach Angaben des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V. sieht die Entwicklung erneuerbarer Energien äußerst positiv aus. So schätzt der VDMA in seinem Bericht „Strommix in der EU27“, dass zum Beispiel allein die Windkraftbranche bis zum Jahr 2020 einen Anteil von 20 Prozent an der weltweit gesamten Stromerzeugungskapazität erreichen wird. Bis zum Jahr 2030 soll sich dieser Wert auf bis zu 27 Prozent steigern, was dann 280.000 MW installierter Leistung entspräche. Das zeigt, welch wichtige Rolle eine funktionierende, robuste und serviceorientierte Technik für eine ökologische Nachhaltigkeit in der Energieversorgung spielt.
Darüber hinaus wird deutlich, dass sich die Windenergiebranche weiter zu einem bedeutenden Industriesektor entwickelt. Unterstützt wird sie dabei zum Beispiel von Automatisierungsspezialisten wie Siemens. So bietet der Konzern einen ganzheitlichen Systemansatz mit der Bezeichnung „Simatic Wind Automation“ an, um komplette Windenergieanlagen zu steuern bzw. zu automatisieren. Die „Support Center Wind“ unterstützen dabei die Anlagenhersteller bzw. -ausrüster bei der Auswahl und Integration der Komponenten sowie bei der Programmierung.

„Offene“ Softwarelösung für die gesamte Turbinen-Steuerung
Zentrales Element der Steuerung ist dabei die so genannte „Simatic Wind Library“ von Siemens. Dabei handelt es sich um eine Softwarelösung, die speziell für Windenergieanlagen entwickelt und optimiert worden ist. Der große Vorteil gegenüber den vielen proprietären Steuerungslösungen, die in der Windbranche zum Einsatz kommen, ist der standardisierte Aufbau sowie die einfache und offene Programmierung. Während es bereits modulare Lösungen auf der Basis von Baustein-Bibliotheken gibt, ist die Simatic Wind Library ein vollkommen offenes System, das ohne weiteres an die Wünsche der Turbinen-Hersteller bzw. -Betreiber angepasst werden kann. Während ca. 80 % der Steuerungsroutinen vorhanden sind, können Anwender die verbleibenden 20 % mit ihrem Fachwissen veredeln und sich somit im Wettbewerb behaupten.

Damit folgt der Automatisierungsbereich von Siemens auch in der Windbranche seiner Philosophie von Totally Integrated Automation. Hardwareseitig besteht eine solche durchgängige Lösung zum Beispiel aus einem IPC427C, dem so genannten Microbox PC, der als „Embedded System“ äußerst kompakt, robust und leistungsfähig ist. Darauf arbeitet die Steuerungsplattform WinAC RTX-F, eine echtzeitfähige Soft-SPS. Dies ist die einzige Software-Steuerung auf der das Standard- und das fehlersichere Programm auf einer gemeinsamen Plattform laufen. Darüber hinaus erlaubt die Soft-SPS durch die offene C-Schnittstelle auch die Integration von weiteren Programmen wie z. B. Matlab oder Simulink. Es gibt Ausrüster von Windenergieanlagen, die mit einer solchen zentralen Architektur eine Einsparung von 30 % bezüglich des Entwicklungsaufwands für möglich halten.

Weltweiter Standard: Die gesamte Peripherie kommuniziert über Profinet
Die vielen Daten einer Windenergieanlage werden über dezentrale Peripheriegeräte wie zum Beispiel aus der Familie ET 200 zusammengefasst und über Profinet an den Microbox PC gemeldet. Den gleichen Weg nehmen auch die Steuerungssignale zu den Aktoren bzw. zu den einzelnen Subsystemen wie der Pitch-Verstellung, der Umrichtersteuerung, der Hydraulik u. a. Selbst die Anbindung an die Scada-Leitsysteme sowie an gängige Condition-Monitoring-Systeme ist mit einer solchen standardisierten Industrielösung besonders einfach umzusetzen. Selbst Retrofit von Anlagen ist mit den Möglichkeiten von Siemens ausführbar, da neben Profinet auch andere Bussysteme unterstützt werden können.

In der Wind Library sind alle relevanten technologischen Einheiten als einzelne Bausteine vorhanden, wie zum Beispiel die Netzüberwachung, die Eis-Detektion, der Generator, das Yaw-System, die Flugbefeuerung etc. Auch für die Darstellung der Grid-Codes, wie sie die Energieversorger (EVU) vorgeben – und die in vielen Regionen der Welt sehr unterschiedlich sind – gibt es einen eigenen Funktionsbaustein. Aus etwa 50 Bausteinen können Windanlagenhersteller nach ihrem Bedarf auswählen. Diese werden dann einfach in die zentrale Anlagensteuerung eingebunden. Die einzelnen Bausteine können nach dem Anpassen als DLL-Datei kompiliert und damit „abgeschlossen“ werden, so dass das firmeneigene Wissen auch tatsächlich geschützt bleibt.

Der Vorteil für Ausrüster und Hersteller von Windenergieanlagen ist, dass dadurch bereits 80 % der Funktionen einer neuen Turbine erledigt sind.

Einfaches Optimieren und Einbinden der Funktionsbausteine

Bild (Siemens): Trends und Parameter können einfach per drag and drop visualisiert werden.
Prinzipiell läuft auch das sehr einfach ab: Die Steuerung durchläuft immer die gleiche Hauptschleife. Darin werden die besagten Bausteine automatisch vom Programm eingebunden. Nimmt ein Programmierer nun im Rahmen der Inbetriebnahme oder größerer Servicearbeiten eine Anlagenoptimierung vor, verändert er zum Beispiel einen Temperaturwert innerhalb der so genannten Init-Datei. Dieser Programmteil steht zu Beginn des beschriebenen Haupt-Loops und liest die Parameter ein. Einfach formuliert: Ein dort geänderter Parameter wird automatisch in den dazu gehörigen Softwarebaustein übertragen und beim nächsten Durchlauf sofort berücksichtigt. Auf diese Weise ist ein schnelles, einfaches und übersichtliches Anpassen der Wind Library sichergestellt.

Der offene Quellcode und die Programmierung in Hochsprache geben zusätzlich sämtliche Freiheiten, das firmeneigene Know-how einfach in die Steuerung mit übernehmen zu können und so eine optimale Gesamtlösung zu schaffen. Auch ist die Software in der Lage, Ergebnisse aus Simulationsprogrammen wie Matlab und Simulink direkt einzubinden. Dabei hat Siemens bei der Entwicklung dieser standardisierten Steuerung streng darauf geachtet, dass praktisch jeder damit arbeiten kann. Dafür gibt es drei unterschiedliche Beschreibungen in deutsch und englisch für den Umgang mit der Wind Library: für Einsteiger, für Betreiber und für Programmierer.

Umfassende Fehlerauswertung verkürzt Servicezeiten
Die gesamte Anlagensteuerung läuft im Auto-Run-Modus, so dass die Windenergieanlage selbst bei einem Stillstand nach einer Störungsbeseitigung wieder gesichert anlaufen kann. Auch die Fehlerauswertung ist aufgrund der zentralen Steuerungsarchitektur erheblich einfacher als bei Lösungen mit vielen proprietären Systemteilen bzw. -kernen, denn jeder einzelne Baustein, der in die Hauptschleife eingebunden ist, hat seine eigene Fehlerauswertung.
Die Fehlerlokalisierung funktioniert mit der Wind Library sehr gezielt und schnell, was aus Sicht der Servicefreundlichkeit im Vergleich zum heutigen Stand der Technik einen erheblichen Vorteil darstellt. Denn über eine Fehlerausgabe plus optionaler Visualisierung und der Nutzung eines digitalen Ausgangs kann in der Leitwarte sofort – sogar in Klartext und gegebenenfalls in einem schematischen Anlagenbild – der Grund der Störung gemeldet werden.

Die Wind Library wird den jeweiligen Planern, Systemintegratoren und OEMs projektspezifisch im Rahmen einer schriftlichen Projektvereinbarung zur Verfügung gestellt.

Bewährte Standardlösung aus einem Guss
Unter „Green Automation“ versteht man heute eine ganzheitliche Automatisierung im Sinne von Totally Integrated Automation, die aufgrund ihrer modernen Komponenten in Verbindung mit einer leistungsfähigen Steuerungsarchitektur besonders Ressourcen schonend ist. „Simatic Wind Automation“ von Siemens mit der Software „Wind Library“ ist ein solcher Gesamtansatz – speziell für Windenergieanlagen. Die „Support Center Wind“ in Hamburg und China unterstützen dabei die Planer, OEMs und Systemintegratoren von Windenergieanlagen. Basierend auf bewährten Industriestandards lässt sich damit Robustheit, Einfachheit, Nachhaltigkeit und Flexibilität in einer Weise verbinden, wie es in der Windenergiebranche noch nicht üblich ist – aber zu enormer Produktionssteigerung führen kann.

Siemens AG
Industry Sector
Industry Automation Division
I IA CC P



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