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Vorteile des modellbasierten Designs von Windenergieanlagen

Bild 1. Der modellbasierte Designprozess

Bild 2. Test der funktionalen Äquivalenz

Bild 3. Automatische Code-Generierung: Die C-Code-Generierung geschieht mit dem Real-Time-Workshop von Mathworks quasi per Knopfdruck und wird über M-Target for Simulink von Bachmann vollautomatisch auf die M1-Steuerung übertragen

Bild 4. Hardware in the Loop (reale Anlage)

Hohe Anlagenverfügbarkeit und damit hohe Erträge sind die zentralen Ziele bei der Stromerzeugung durch Windenergie. Nach Auffassung von Bachmann Electronic und Mathworks kommt vor diesem Hintergrund der Entwicklung von Steuerungs- und Regelalgorithmen von Windenergieanlagen (WEA) eine besondere Bedeutung zu. Die entscheidende Herausforderung: Das Verhalten des Gesamtsystems unter realen Einsatzbedingungen einzuschätzen. Im Rahmen eines von beiden Unternehmen organisierten Workshops erfuhren interessierte Teilnehmer in Hamburg, wie man diese Herausforderung meistert.

Studien belegen, dass die klassische Code-basierte Entwicklung fehleranfällig ist und damit zeit- und kostenintensiv sein kann. Mit Blick auf die Entwicklung komplexer Maschinen oder Anlagen, wie WEA, werden die Schwächen dieser Vorgehensweise deutlich (Bild1).
Ein Entwicklungsprozess beginnt zunächst mit der Spezifizierung der Anforderungen, die gemeinsam mit einer bestimmten Systemarchitektur vorgegeben werden. Im Zug des Designprozesses konzentrieren sich verschiedene Spezialisten dann meist ausschließlich auf ihren Aufgabenschwerpunkt, wie Elektronik, Mechanik usw.
„Erst zu einem sehr späten Zeitpunkt, nämlich im Zug der Implementierung des Anlagendesigns, werden oft die tatsächlichen Auswirkungen und Einflüsse der einzelnen Entwicklungsstufen zueinander erkennbar. Um Fehler oder auch Missverständnisse zu eliminieren und auch das Gesamtsystem zu optimieren, sind zahlreiche Iterationsschleifen erforderlich, die den gesamten Workflow äußerst komplex und zeitaufwendig gestalten“, so Michael Ebnicher, Manager R&D bei Bachmann Electronic.

Modellieren statt Codieren
Welche Alternativen es bei der Entwicklung von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen für WEA zur klassischen Programmierung in Textsprachen, wie ST nach DIN EN 61131-3 oder C/C++, gibt, erfuhren die Teilnehmer des Workshops von Bachmann Electronic und Mathworks (Bild 2). „Beim modellbasierten Design bewegen sich die Entwickler auf einer grafischen und damit höheren Abstraktionsebene. Im Zug des Designs von Windenergieanlagen geht man im Hinblick auf die Systemvoraussetzungen mit konkreten Anforderungen in die Entwicklung, um beispielsweise das elektrische, mechanische und hydraulische Verhalten zu modellieren. Alle an einem Projekt beteiligten Entwickler arbeiten hierbei auf einer Plattform, wobei grafische Beschreibungssprachen die Modellierung von Systemteilen, wie Regelstrecken und Reglern, ermöglichen. Hierzu stehen nicht nur die formal logische Beschreibung wie bei einer klassischen Regelungstechnik zur Verfügung, sondern auch vorgefertigte Bausteine der Mechanik, Elektrotechnik oder Hydraulik“, erläutert Gernot Schraberger, Senior Application Engineer bei Mathworks.

Hinzunahme der physikalischen Welt
Möglich wird dies durch das signalorientierte Modellierungs- und Simulations-Tool Simulink von Mathworks, das auf einer grafischen Modellierungsoberfläche mit verschiedenen Funktionsblöcken basiert. In Simulink werden die Anforderungen an das zukünftige Gesamtsystem über grafische Blöcke und deren Verschaltung definiert. Diese Blöcke verfügen neben einer definierten Funktion über Ein- und Ausgangsgrößen sowie innere Parameter. Aus jeder Gruppe von verschalteten Blöcken können per Mausklick neue Blöcke, sogenannte Subsysteme, zusammengefasst werden. Ergänzt wird Simulink durch physikalische Modellierungs-Tools, wie Simscape, Simmechanics, Simpowersystem, Simdriveline, Simhydraulics und Simelectronics. So wird etwa in Simmechanics ein 3-D-mechanisches Modell nicht signalorientiert dargestellt, sondern anhand von Komponenten, wie Körpern und Gelenken, die eine Mehrkörpersimulation auf mechanischer Ebene ermöglichen, und dem Entwickler die mathematische Beschreibung des Modells erspart.

Frühe Erkenntnisse zum Systemverhalten
Mit diesen Tools lässt sich in einem ersten Schritt zunächst ein grobes Anlagendesign strukturell erstellen und parametrieren, das im Hinblick auf das Systemverhalten (Mechanik, Elektrik, Regelungstechnik) stetig weiter verfeinert und mit Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Windstärke usw., ergänzt wird. G. Schraberger: „Man tastet sich hierdurch schrittweise an die einzelnen Anforderungen heran, wobei das Modell immer komplexer wird. So ist zum Beispiel ein Elektroingenieur in der Lage, das Design einer von ihm entwickelten elektronischen Schaltung bezüglich der Interaktion mit einem mechanischen Teilsystem zu überprüfen, dass ihm aus einer anderen Abteilung zugeliefert wurde. Er erhält somit zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Entwicklung wertvolle Erkenntnisse auf Systemebene und kann entsprechende Korrekturen oder Änderungen frühzeitig vornehmen.“
Das auf diese Weise entwickelte vollständige Modell wird abschließend offline am Rechner simuliert und dabei umfassende Testreihen aller erdenklichen Betriebszustände oder Fehlersituationen durchgespielt. Iterative Modellanpassungen und neue Simulationen können dabei nahtlos folgen (Bild 2).

Intuitiver Aufbau eines WEA-Designs
Die modellbasierte Entwicklung erlaubt somit eine intuitive Herangehensweise an ein spezifisches WEA-Design, wobei basierend auf dem Simulationsmodell innerhalb des Workflows entwickelt sowie überprüft wird. Das Ergebnis: Weniger Fehler selbst bei sehr komplexen Designs und damit schnellere und weniger Iterationsschleifen.
Wie ein derartiges Design in der Praxis ausschauen kann, erfuhren die Teilnehmer des Workshops unter anderem anhand eines Beispiels zur Auslegung eines Aktuators für eine Rotorblatt-Pitchverstellung.

Code-Generierung per Knopfdruck
Ist die Modellierung sowohl des Prozesses (Regelstrecke) als auch der Regler- und Steuerungsalgorithmen sowie die Simulation des vollständigen Modells abgeschlossen, wird das Algorithmusmodell vom Regelstreckenmodell separiert und per Mausklick die automatische Code-Generierung und die Erstellung einer fertigen Applikation für das Echtzeitsystem durchgeführt (Bild 3). „Die C-Code-Generierung geschieht mit dem Real-Time-Workshop von Mathworks quasi per Knopfdruck und wird über M-Target for Simulink von Bachmann vollautomatisch auf die M1-Steuerung übertragen. Anschließend wird eine Online-Verbindung zur Steuerung aufgebaut, sodass Techniker und Entwickler das erzeugte Echtzeitprogramm direkt auf dem Zielsystem ablaufen lassen können“, so M. Ebnicher.

Benutzerfreundliches Frontend
Das Echtzeitprogramm kann sich über die während der Code-Generierung integrierten Kommunikationsschnittstellen direkt mit der Simulink-Oberfläche austauschen. Die tatsächlichen Prozesswerte stehen in diesem sogenannten „External Mode“ unmittelbar in Simulink online bereit. Von dort aus lassen sich die internen Parameter der Simulink-Blöcke im Echtzeitprogramm verändern. Simulink fungiert hier als benutzerfreundliches Frontend, das ebenso ständig aktuelle Daten vom Echtzeitprogramm erhält.
„Mit dem Real-Time-Workshop in Kombination mit M-Target for Simulink steht somit ein intelligentes Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich automatisch C-Code und fertige Steuerungsapplikationen erzeugen lassen, die dann interaktiv auf der Bachmann-Steuerung getestet werden können, ohne komplizierte Programmiertechniken beherrschen zu müssen. Hierdurch werden Portierungsfehler vermieden, wie sie bei der manuellen Umsetzung in eine Programmiersprache entstehen können. Gleichzeitig reduziert sich der Zeitaufwand, da jetzt nur noch wenige Iterationen in sehr kurzen Intervallen durchgeführt werden müssen“, so M. Ebnicher, der im Rahmen seines Vortrags auf die Besonderheit hinwies, mit der M1-Steuerung auch die Hardware einer WEA in einem geschlossenen Regelkreis simulieren zu können.

Hardware in the Loop
Hierbei erfolgt in Simulink eine Auftrennung des Gesamtmodells in eine M1-Steuerung (Regler), auf der sich die Regel- und Steuerungsalgorithmen befinden, und einer zweiten Steuerung (Prozess), auf der die Anlagensimulation überspielt wird. Durch die Verdrahtung beider Steuerungen lässt sich eine sogenannte Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL) in Echtzeit realisieren (Bild 4). Hierzu M. Ebnicher: „Derartige Simulationen lassen sich vor allem für Softwaretests nutzen. Im Zug einer solchen Simulation kann dann genau überprüft werden, wie sich Veränderungen an der Software in der Anlagensteuerung auf das reale Anlagenverhalten auswirken, wobei dem Techniker oder Ingenieur verschiedenste Varianten für die Simulation zur Verfügung stehen.“

Positives Fazit
Die Technik in WEA wird mit der Entwicklung immer leistungsfähigerer Anlagen zusehends komplexer. Mit den Potenzialen von Matlab und Simulink sowie M-Target for Simulink und dem M1-Automatisierungssystem ist es zukünftig möglich, bereits im Designprozess das Gesamtsystem einer WEA wirklichkeitsnah zu modellieren und noch vor der Errichtung eines WEA-Prototypen genaue Vorhersagen zum Systemverhalten zu treffen.

Bild 5. Mit Simulink lässt sich beispielsweise die Krafteinwirkung auf den Rotor bei starkem oder schwachem Wind

Auslegung eines Aktuators für eine Pitchverstellung in Simulink
Im Zug der Entwicklung einer Rotorblatt-Pitchverstellung sind folgende Komponenten zu berücksichtigen: das Rotorblatt, ein Mechanismus für die eigentliche Pitchverstellung, ein Aktuator, eine elektrische oder hydraulische Ansteuerung sowie Regelungstechnik, um das System möglichst exakt ansteuern zu können. Auf der Simulink-Plattform wird das Rotorblatt in Simmechanics als dreidimensionales mechanisches System abgebildet. Der Mechanismus zur Rotorblattverstellung wird als Teilsystem ebenfalls in Simmechanics dargestellt. Soll die Pitchverstellung hydraulisch erfolgen, kann zur Darstellung dieses Teilsystems Simhydraulics verwendet werden.

Die Abbildung der Regelungstechnik erfolgt in Simulink unter Berücksichtigung von Rückkopplungselementen zur Rotorlageerfassung, zum Beispiel Sensoren. An dieser Stelle lassen sich aus Simmechanics entsprechende Positionen abgreifen.
Der Aktuator, der auf den Verstellmechanismus wirken soll und über die Regelungstechnik eine bestimmte Kraft benötigt, wird im Modell zunächst allgemein definiert. Die Kraftabschätzung im Zug der Simulation führt in diesem Beispiel zu dem Ergebnis, dass ein hydraulisches System für die Pitchverstellung notwendig ist, sodass ein hydraulischer Aktuator in das Modell integriert wird. Auf diese Weise lässt sich nicht nur das physikalische System entwickeln, sondern auch die konkrete Auslegung des Reglers. Abschließend kann das Modell unter Annahme verschiedener Szenarien, zum Beispiel die Krafteinwirkung auf den Rotor bei starkem oder schwachem Wind, getestet werden (Bild 5).

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Autor: Martinus Menne ist freier, selbst¬ständiger Fachjournalist bei der Redaktion für innovative Technik in Drolshagen.