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Vernetzung und Condition Monitoring bei Windenergieanlagen

Bild 1. Kommunikation mit Windenergieanlagen im Verbund¬netz geschieht effizient mit dem Bachmann-M1-System

Bild 2. Das M1-Automatisierungssystem von Bachmann Electronic

Bild 3. Vernetzte Windenergieanlagen: Mit dem in der IEC 61850 bzw. IEC 61400-25 beschriebenen Fernwirkprotokoll werden die Messdaten einem übergeordneten Condition Monitoring System zur Verfügung gestellt

Bild 4. Messmodul AIC212: Bis zu neun Vibrationsmesseingänge zur hochauflösenden, signalkorre­lierten Erfassung verschiedener Messstellen sowie drei Signaleingänge mit

Das Condition Monitoring von Windenergieanlagen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dabei sind die Lösungsansätze steuerungsseitig unterschiedlich. Das Bachmann-M1-Automatisierungssystem erlaubt die Implementierung von mess-, regelungs- und steuerungstechnischen Abläufen und Auswertungen bis hin zu einem umfassenden Condition Monitoring auf der Steuerung. Zusammen mit einem Expertensystem lassen sich mechanische und elektrische Teilsysteme überwachen und Fehler erkennen, bevor diese schädigende Auswirkungen auf den Betriebszustand der Anlage haben.

Windenergieanlagen sind Produktionseinrichtungen, deren Verfügbarkeit unmittelbaren Einfluss auf deren Amortisation einerseits und auf die zuverlässig planbare Bereitstellung von Energie im Netz andererseits hat. Immer mehr Windenergieanlagen werden deshalb mit Condition-Monitoring-Systemen (CMS) ausgerüstet, die dem Betreiber kontinuierlich Daten über den Betriebszustand der Turbine zur Verfügung stellen. Mit diesen Informationen lassen sich mechanische und elektrische Defekte schon frühzeitig während des Betriebs erkennen. Stillstände für Reparatur und Wartung können dann gezielt geplant und vorbereitet und Folgeschäden vermieden werden. So lassen sich die Kosten für Betrieb und Instandhaltung um bis zu 50% reduzieren. Insbesondere bei Offshore-Anlagen, die nur eingeschränkt und mit großem zeitlichen sowie finanziellen Aufwand erreichbar sind, ist ein solches System unverzichtbar.

Das Condition Monitoring (Zustandsüberwachung) basiert auf einer kontinuierlichen oder in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführten Erfassung des Maschinenzustands durch Messung und Analyse aussagefähiger physikalischer Größen, wie Schwingungen, Temperaturen und Schmiermittelzustände. Eine zentrale Erfassungsgröße bei Windenergieanlagen ist der Schwingungszustand der Triebstrangkomponenten. Aus dem Vergleich mit Referenzmessungen lässt sich der Zustand von Getriebe, Generatoren, Wälzlager, Rotoren und weiterer Elemente ablesen. Dabei haben sie alle typische und signifikante Schwingungsbilder und Schädigungsmerkmale, die sich in den Frequenzspektren zeigen. Damit wird eine zustandsorientierte Instandhaltung möglich. Die allgemein praktizierte präventive Wartung, bei der Komponenten innerhalb festgelegter Zeitabstände ausgetauscht werden, lässt sich so ablösen. Die Lebensdauer kritischer Maschinenelemente kann praktisch vollständig ausgenutzt und auf diese Weise können Kosten minimiert werden.

Automatisierungslösung mit integriertem MMS-Server
Bachmann Electronic unterstützt Windenergieanlagenhersteller bei der Zustandsüberwachung ihrer Windparks. Dabei profitiert ein mit dem Bachmann-M1-System (Bild 2) aufgebautes CMS von dessen Kommunikations- und Serviceschnitt-stellen (Bild 1) und reduziert zudem die Einarbeitungszeit für das Inbetriebsetzungs- und Wartungspersonal. Darüber hinaus erlauben sichere Webtechnologien den definierten Zugriff auf das Gesamtsystem oder auf individuelle Anlagenteile, auch von außen. Die Daten sind somit Betreibern und Servicepersonal jederzeit zugänglich, sodass eine optimale Prozesssteuerung und Energiegewinnung gelingt.
Die gesammelten Daten der Windenergieanlage werden in dem auf dem M1-Automatisierungssystem implementierten MMS-Server (Manufacturing Message Specification) zusammengefasst. Sie können mit dem in der DIN EN 61850 beschriebenen Fernwirkprotokoll für Energieanlagen dem übergeordneten Monitoringsystem zur Verfügung gestellt werden (Bild 3).

Dabei wird der MMS-Server als Software-Modul direkt auf einer M1-Steuerung gestartet und kommuniziert die Variablen, die in den Anwendungsprogrammen auf der Steuerung verfügbar sind, IEC-konform nach außen. Ob mit dem MMS-Server ein Gerät nach DIN EN 61850 oder nach IEC 61400-25 dargestellt wird, entscheidet der Anlagenhersteller. So bestimmt der Anwender des MMS-Servers selbst über die standardisierte ICD-Datei (Intelligent Electronic Device Capability Description), welche Informationen seiner Anlage vom Server dargestellt werden und somit am Client, zum Beispiel dem Leitstand, sichtbar sein sollen. Dadurch ist die individuelle Anpassung auf unterschiedliche Anlagen oder auf modulare Ausbaustufen realisierbar.
Da im realen Betrieb eine Rechteverwaltung unumgänglich ist, wurde der MMS-Server entsprechend erweitert. Über eine definierte Schnittstelle zu einem weiteren Software-Modul kann jeder Zugriff, abhängig vom jeweiligen Client, erlaubt, abgelehnt und/oder protokolliert werden. Dadurch wird dem Hersteller eine weitere Möglichkeit geboten, den MMS-Server an seine Anforderungen anzupassen.

Die passende Hardware
Insgesamt stellen Condition-Monitoring-Systeme somit höchste Anforderungen an die Sensorik und Messdatenerfassung, aber auch an die Weiterleitung der Daten und deren anschließende Analyse bzw. Diagnose. Hochgenaue Messfühler an der richtigen Messstelle, eine Hardware, welche die hohe Datenmenge bewältigen kann, signalanalytische Verfahren und Expertenwissen um das Gesamtsystem sind die Voraussetzung für zuverlässige Aussagen über den Maschinenzustand. In diesem Zusammenhang bietet Bachmann die direkt in sein M1-Automatisierungssystem integrierbare Baugruppe AIC212 (Bild 4) an. Sie stellt bis zu neun Vibrationsmesseingänge zur hochauflösenden, signalkorrelierten Erfassung verschiedener Messstellen zur Verfügung. Drei Signaleingänge mit ±10 V Einheitssignalpegel und ein Lagegebereingang dienen der konsistenten Erfassung von weiteren relevanten Größen sowie des Winkel- oder Positionsbezugs der Mechanik. Darüber hinaus verfügt das Modul über einen eigenen internen Arbeitsspeicher, der es möglich macht, auch Zeitreihen von Signalverläufen bis 50 Kilosamples pro Sekunde aufzuzeichnen. Dank der Integration können darüber hinaus Auswertungen beliebige Signale und Variablen des gesamten Steuerungsverbunds, zum Beispiel die aktuelle Leistung oder der Betriebszustand, direkt mitberücksichtigen, ohne dass eine doppelte Sensorik notwendig wäre.

Externes Expertensystem
Die Erfahrungen im Condition Monitoring von Windenergieanlagen haben Bachmann gezeigt, dass zertifizierte CMS und neue Diagnoseverfahren allein nicht ausreichen. So sind Windturbinen komplexe Systeme und ständig wechselnden Betriebsbedingungen ausgesetzt. Die Zustandsüberwachung muss daher an die Besonderheiten des Anlagentyps angepasst sein und deren mögliche Betriebszustände berücksichtigen. Das Ergebnis steht und fällt dabei mit der richtigen Installation, Parametrierung und Inbetriebnahme des CMS sowie der schnellen und richtigen Reaktion auf gemeldete Zustandsänderungen. Der Lösungsweg der österreichischen Automatisierungsspezialisten führt über externe Expertensysteme. Darin untersuchen erfahrene Diagnosespezialisten die Messdaten auf signifikante Zustandsveränderungen, identifizieren deren Ursachen, beurteilen den Maschinenzustand und machen Vorschläge zur Verbesserung der Anlagensicherheit.

Fazit
Die Anforderungen an die Automatisierungskomponenten im Bereich Windenergieanlagen sind in vielerlei Hinsicht hoch. Bachmann Electronic begegnet diesen unter anderem damit, dass seine Systeme nach den einschlägigen Standards zertifiziert sind und sie über eine nachgewiesene Verfügbarkeit von mehr als 99,96% verfügen. Mit ihnen automatisierte Windenergieanlagen produzieren in mehr als 40 000 Installationen weltweit saubere Energie. Die Langzeitkompatibilität und die Verfügbarkeit aller Module über die durchschnittliche Lebensdauer einer Windkraftturbine von 20 Jahren geben darüber hinaus den Anlagenbetreibern die notwendige Sicherheit in ihrer Investition.

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Autor: Dipl.-Ing. Frank Spelter ist Leiter der Unternehmenskommunikation bei der Bachmann Electronic GmbH in Feldkirch, Österreich.