Windkraftanlagen automatisieren: Effizienzpaket für WKA und Windparks von Siemens

„Milieubild“ Windpark - Erste Anwendung der neuen Automatisierungslösungen von Siemens ist ein von China Creative Wind Energy (CCWE) ausgerüsteter Windpark bestehend aus 33 Windturbinen mit einer Leistung von je 1,5 MW
„Milieubild“ Windpark – Erste Anwendung der neuen Automatisierungslösungen von Siemens ist ein von China Creative Wind Energy (CCWE) ausgerüsteter Windpark bestehend aus 33 Windturbinen mit einer Leistung von je 1,5 MW / Pressebild: Siemens

Komfortpaket für Windanlagen: effizient, skalierbar, modular, offen, transparent, flexibel am Wind …

(WK-intern) – Chinesischer Hersteller setzt auf offene, transparente und flexible Automatisierung von Windkraftanlagen und Windparks

Mit offener PC-basierter Echtzeit-Steuerung und einer anwendungsspezifischen Software-Bibliothek „Made in Germany“ beschleunigt ein chinesischer Hersteller das Engineering und die Inbetriebnahme seiner Windturbinen deutlich. Ein darauf abgestimmtes, modulares Wind-SCADA-System optimiert zudem den Betrieb und die Diagnose einzelner Windkraftanlagen (WKA) sowie komplexer Windparks.

Die China Creative Wind Energy Co., Ltd. (CCWE) aus Qingdao ist ein aufstrebender, innovativer Hersteller von Windkraftanlagen und auch Ausrüster komplexer Windparks ((Bild 1)), vorwiegend im Inland, vereinzelt auch im Ausland. Um seine WKA effizienter auslegen, in Betrieb nehmen und den Betrieb optimal gestalten zu können, hat CCWE eine strategische Entscheidung getroffen und mit Siemens einen zweiten Ausrüster für Automatisierungstechnik ins Boot geholt. Man suchte vor allem eine Alternative zur bisherigen Turbinen-Hauptsteuerung, einer „Blackbox“ ohne ausreichende Möglichkeit der Veränderung oder Anpassung an unterschiedliche Anforderungen.

Schaltschrank mit Simatic IPC427C - Herzstück der Turbinen-Hauptsteuerung ist ein robuster Simatic Industrie-PC IPC 427C mit Windows-Embedded-Betriebssystem und Echtzeiterweiterung WinAC RTX 2010 für deterministische Abläufe, das heißt kürzeste Zykluszeiten / Pressebild: Siemens
Schaltschrank mit Simatic IPC427C – Herzstück der Turbinen-Hauptsteuerung ist ein robuster Simatic Industrie-PC IPC 427C mit Windows-Embedded-Betriebssystem und Echtzeiterweiterung WinAC RTX 2010 für deterministische Abläufe, das heißt kürzeste Zykluszeiten / Pressebild: Siemens

Im Fokus der Suche standen folglich größtmögliche

  • Offenheit in Hard- und Software sowie bei der Kommunikation, um bewährte Systemkomponenten anderer Hersteller über verschiedene Bussysteme einfach anbinden zu können,
  • Skalierbarkeit in Funktionsumfang und Leistung, um unterschiedliche Turbinen mit ein und demselben System realisieren zu können, und
  • einfache Integration einer oder mehrerer Turbinen in ein überlagertes, ebenso offenes SCADA-System für effizientes Turbinen- bzw. Windpark-Management. Die neuen Komponenten sollten außerdem den Anforderungen der Guideline 2010 („Richtlinie für die Zertifizierung von Windkraftanlagen“) des Germanischen Lloyd entsprechen, was die Zertifizierung der Anlagen und damit die weltweite Vermarktung vereinfacht. Die gemeinsam mit Spezialisten von der Siemens Landesgesellschaft in Peking und vom Stammhaus in Nürnberg entwickelte Lösung erfüllt alle diese Anforderungen und passt in den Kostenrahmen des Herstellers.
CCWE-Turbine 1,5 MW - Erfolgreiche Migration: CCWE hat die Hauptsteuerung seiner 1,5-MW-Windturbinen auf ein offenes, PC-basiertes System von Siemens umgestellt / Pressebild: Siemens
CCWE-Turbine 1,5 MW – Erfolgreiche Migration: CCWE hat die Hauptsteuerung seiner 1,5-MW-Windturbinen auf ein offenes, PC-basiertes System von Siemens umgestellt / Pressebild: Siemens

PC-basiert und offen zur individuellen Lösung

Neues Herzstück der Turbinen-Hauptsteuerung ist ein robuster Simatic-Industrie-PC IPC 427C ((Bild 2)) mit Windows-Embedded-Betriebssystem und der Echtzeiterweiterung WinAC RTX 2010 für deterministische Abläufe, das heißt kürzeste, exakt definierte Zykluszeiten. Das festplattenlose System bringt die erforderliche Robustheit und Zuverlässigkeit mit für die rauen Einsatzbedingungen bei oft extremer Kälte oder Wärme.

Eine Forderung des Anlagenbauers war es, mit externen Softwaretools erstellte Simulations- bzw. Regelungsmodelle möglichst einfach auf die Steuerung bringen zu können. Siemens erfüllt diese mit dem Add-On WinAC Target für Matlab/Simulink (von MathWorks), womit sich unter Step 7 und WinAC ODK (Open Development Kit) Simulink-Modelle schnell und einfach in die Steuerung übertragen und darauf in Echtzeit ausführen lassen.

Leitwarte - Für die Betriebsführung des Windparks setzt CCWE auf das in Funktion und Leistung skalierbare Multilevel Wind SCADA Center von Siemens, das auch die Einbindung von Steuerungen verschiedener Hersteller unterstützt / Pressebild: Siemens
Leitwarte – Für die Betriebsführung des Windparks setzt CCWE auf das in Funktion und Leistung skalierbare Multilevel Wind SCADA Center von Siemens, das auch die Einbindung von Steuerungen verschiedener Hersteller unterstützt / Pressebild: Siemens

Ein weiterer entscheidender Grund für die Siemens-Lösung war die Wind-Library, eine für die Automatisierung von WKA maßgeschneiderte Bibliothek mit rund 50 vorgefertigten Funktionsbausteinen für Simatic-S7-Steuerungen. Die Bausteine sind in Source-Code verfügbar und decken rund 80% der Funktionen heutiger Windkraftanlagen ab. Enthalten sind Bausteine zur schnellen und einfachen Umsetzung von Systemfunktionen, der Pitch- und Gondelsteuerung, von Turmfunktionen, der Zustandsüberwachung und diverser physikalischer Funktionen. Diese können vom Anwender frei miteinander kombiniert, bei Bedarf auch modifiziert und somit individuell an spezifische Hardware bzw. Aufgaben angepasst werden, Know-how-Schutz ist dabei selbstverständlich.

CCWE hat die Wind-Library erstmals beim Re-Engineering der Hauptsteuerung seiner Serienmaschine, der 1,5-MW-Turbine ((Bild 3)), eingesetzt und konnte dabei rund 75% der Funktionen direkt mit Bausteinen aus der Bibliothek umsetzen. Die übrigen wurden in enger Abstimmung mit dem Hersteller durch Siemens modifiziert bzw. neu programmiert und implementiert. Das hat das Engineering und im Anschluss die Inbetriebnahme schon bei der ersten Anwendung wesentlich beschleunigt und wird dies in Zukunft noch weitaus mehr tun.

Dazu trägt auch die flexible Ladefunktion von WinAC bei, die eine einfache Übertragung des Steuerungsprogramms via Copy&Paste von einem USB-Stick auf die Steuerung ermöglicht, so dass im Feld auf Engineeringtools verzichtet werden kann. Das Gleiche gilt für den Transfer und Download von Bedienoberflächen für das Visualisierungssystem Simatic WinCC, den die so genannte Pack&Go-Funktion ermöglicht. Beides bezeichnet der Hersteller, der Eingriffe durch Personal in die Software während der Inbetriebnahme strikt unterbindet, als „sehr komfortabel und praktikabel“.

Durchgängig offene Kommunikation

Eine essenzielle Anforderung an die neue Lösung war eine offene Kommunikation, um unterschiedliche Komponenten von Drittanbietern problemlos anbinden zu können. Darunter die Steuerung des Pitch-Systems, das über ein Schleifringsystem Daten via CANopen austauscht. Die Anbindung konnte einfach über ein 1 SI-CANopen-Modul des Siemens-Partnerunternehmens HMS Industrial Networks aus Karlsruhe realisiert werden. Dessen Modul erweitert die Simatic ET200S-Familie und ermöglicht eine direkte Anbindung von CAN- und CANopen-basierten Feldgeräten. Über ein weiteres 1 SI-Modul konnte auch ein Vibrationssensor per Modbus in das neue Steuerungssystem integriert werden.

Die Schaltschränke in der Gondel und im Turmfuß sind über zwei Scalance-Switches X206-1 und Lichtwellenleiter miteinander verbunden. Über den Switch im Turmfuß wird neben der neuen IPC-Hauptsteuerung auch das Wind-SCADA-System mit Daten versorgt. An die ET200S-Station im Turmfuß sind via Profibus ein Multifunktionsmessgerät Sentron PAC3200 von Siemens und ein Umrichter eines weiteren Zulieferers angebunden. Das Messgerät erfasst hier alle wichtigen elektrischen Größen (Ströme, Spannungen, Frequenz, Leistungen, …) und übergibt diese an das SCADA-System zur Auswertung und Archivierung.

Einstieg auf dem neuesten Stand des Engineerings

Für den Hersteller war es selbstverständlich, den Einstieg in eine Steuerungstechnologie auf dem neuesten Stand zu vollziehen, das heißt auf das Engineering Framework Totally Integrated Automation Portal (kurz TIA Portal) zu setzen. Damit profitiert er vom durchgängigen, integrierten Engineering von PLC- und HMI-Geräten, wie der automatischen Nachführung von Variablen in allen Editoren, das schneller und komfortabler ans Ziel führt. Er ist für die Zukunft bestens gerüstet und kann sicher sein, über viele Jahre hinaus Ersatzteile und Support zu erhalten.

Offenes, modulares SCADA-System für effizientes Windpark-Management

Zweiter Schwerpunkt der Migration war der Umstieg auf ein offenes und modulares, dadurch ebenfalls in Leistung und Funktionsumfang skalierbares SCADA-System. Die Lösung von Siemens für die Windkraftindustrie ist das so genannte Multilevel Wind SCADA Center ((Bild 4)) auf der Basis von Simatic WinCC Open Architecture (OA). Wie der Name sagt, ist das System auf verschiedenen Ebenen einsetzbar, das heißt skalierbar, als Service-Portal für einzelne Windturbinen, für die (in diesem Fall praktizierte) optimierte Betriebsführung eines Windparks, bis hin zur zentralen Überwachung/Visualisierung mehrerer Windparks an unterschiedlichen Standorten. Ein entscheidendes Kriterium ist dabei häufig die Möglichkeit, Steuerungen verschiedener Hersteller einbinden zu können, was die Siemens-Lösung grundsätzlich unterstützt.

Für CCWE wurde unter anderem das Datenmanagement an die bisherigen Abläufe angepasst und eine Möglichkeit des zyklischen Transfers gebündelter Betriebsdaten von den Windturbinen zum SCADA-System geschaffen. Die offene Systemplattform ermöglicht die Umsetzung praktisch beliebiger Reportfunktionen, die auch die Diagnose verbessern helfen und damit den Service und die Wartung optimieren. Künftig soll auch das Lastmanagement über das SCADA-System realisiert werden.

Erfolgreiche Migration und Premiere

Wie die Migration ist zwischenzeitlich auch die erste praktische Umsetzung der neuen Automatisierungslösung(en) erfolgreich abgeschlossen worden. Unterstützt durch Spezialisten von Siemens Peking wurden in einem für den chinesischen Markt typischen 50-MW-Windpark in der Provinz Shaanxi in Zentralchina die ersten 33 Turbinen mit einer Nennleistung von jeweils 1,5 MW in Betrieb genommen. In einer kargen Gebirgsregion gelegen, hat sich die Technik unter extremen Bedingungen bewährt. So dass dem Einsatz in weiteren Windkraftanlagen bzw. bereits geplanten Windparks von CCWE nichts im Wege steht. Dabei kann der Hersteller schon auf seinem eingebrachten Know-how aufsetzen und weite Teile der Projektierung einfach übernehmen. Das Bibliothekskonzept im TIA Portal unterstützt dies und ermöglicht komfortable, wiederholte Nutzung praktisch beliebiger PLC- oder HMI-Funktionen durch einfaches Kopieren von einem ins andere Projekt.

PM: Siemens

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