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Konfigurierbares Steuerungs­system sorgt für Sicherheit bei WEA

Bild 1. Das konfigurierbare Steuerungssystem Pnozmulti erfüllt die hohen Anforderungen sowohl hinsichtlich der Sicherheitsnormen als auch der widrigen Umgebungsbedingungen

Bild 2. Das konfigurierbare Sicherheitsschaltgerät Pnozmulti bietet vielfältige Kommunikationsschnittstellen und Zertifizierungen

Sicherheit ist auch bei Windenergieanlagen ein großes und breit angelegtes Thema, das durch vielfältige Normen und Richtlinien abgedeckt wird. Sichere Automatisierungstechnik kommt dabei nicht nur im Hinblick auf funktionale Sicherheit zum Einsatz, sondern bietet unter anderem auch im Zusam­menhang mit dem Condition Monitoring Vorteile. Pilz stellt seinen Kunden neben der sicheren Steuerungs­technik auch Beratungs­dienst­leis­tung rund um die Normen und Richtlinien zur Verfügung.

Steuerungslösungen, die in einer Windenergieanlage (WEA) zum Einsatz kommen, müssen einerseits alle Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllen. Zum anderen müssen sie für die rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt sein, denen sie in einer WEA ausgesetzt sind. Dazu zählen extreme Temperaturen, Vibrationen und Schwingungen sowie eine aggressive Luftzusammensetzung im Offshorebereich. Gerade die Vibrationen und Schwingungen stellen große Belastungen dar. So gehen rund 80 % aller Ausfälle bei WEA auf Schwingungen und Schwingungsbrüche zurück. Sie sind die Folge von ungünstigen Wechselwirkungen zwischen den Bauteilen einer kinematischen Kette, die trotz korrekter mechanischer Dimensionierung der einzelnen Komponenten auftritt. Wichtig ist deshalb, die an der Windenergieanlage auftretenden Wechselwirkungen und Grenzbelastungen bereits im Vorfeld zu erkennen und zu reduzieren. Sichere Automatisierungstechnik, die auf mehrere Faktoren im Betrieb der Windenergieanlage entsprechend schnell reagiert, macht dies möglich.

Die Sicherheitslösung
Pilz bietet mit seinem konfigurierbaren Steuerungssystem Pnozmulti (Bild 1 und Bild 2) eine passende Lösung. Es reagiert selektiv auf auslösende Geräte und Signale, wie Not-Halt/Not-Aus, Vi­brationsschalter und Grenzwertrelais für Drehzahl, Position und Druck. Mit einer selektiven Reaktion des Steuerungssystems auf Störungssituationen werden Kräfte und Drehmomente an denjenigen Stellen reduziert, an denen sie als Extrem- und Dauerlasten auftreten und übertragen werden. Der Vorteil besteht in einem geringeren mechanischen Verschleiß, zum Beispiel der Bremsen und des Getriebes. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer. Frühere Sicherheitslösungen in Windenergieanlagen haben in der Regel auf einer Reihenschaltung von Sicherheitssignalen basiert. Die Reaktion war dann immer identisch und die Windenergieanlage wurde hart gestoppt. Die mechanische Konstruktion musste diesen Betriebsbedingungen gerecht werden. Durch den Einsatz von Sicherheitssteuerungen, wie dem Pnozmulti, und seiner differenzierten Reaktion auf unterschiedliche Betriebsfälle konnte eine Auslegungsreserve für Bauteile der Gondel und des Turms erreicht werden. Durch ihren Einsatz sinkt der Serviceaufwand und Gefahren werden reduziert.

Für hohe Sicherheits­anforderungen ausgelegt
Daneben erfüllt das Pnozmulti auch alle Anforderungen, die im Zusammenhang mit der funktionalen Sicherheit auf dem Plan stehen. So wird ihm Performance Level (PL) e nach DIN EN ISO 13849-1 und Safety Integrity Level (SIL) 3 nach DIN EN 62061 (VDE 0113-50) bescheinigt. Das konfigurierbare Sicherheitssystem stellt sicher, dass die Windenergieanlage insbesondere bei einem Versagen der Betriebsführung oder einzelner Komponenten in einen für Mensch und Material sicheren Zustand gebracht wird. Das kann zum Beispiel bedeuten, die Drehzahl des Rotors zu reduzieren, alle Bewegungen zu unterbinden oder gefährliche Spannungen abzuschalten, sofern sie nicht für die Sicherheitsfunktion notwendig sind. Das Steuerungssystem überwacht mehrere Not-Halt-Taster, den Hauptschalter für Niederspannung, den Öldruck- und Hermetikschutz für den Mittelspannungstransformator sowie die Pitch Logic Unit. Hinzu kommt die Überwachung einer Vielzahl von Grenzwerten hinsichtlich Wirkleistung, Vibration, Generatordrehzahl, Rotordrehzahl sowie die Azimutposition im und gegen den Uhrzeigersinn (Leitungsverdrillung). Zudem werden die Signale der Brandmeldeanlage ausgewertet.

Alle Funktionen des Steuerungssystems werden mit einem Konfigura­tionstool am PC grafisch parametriert. Als Speichermedium für das erstellte Programm dient eine mehrfach beschreibbare Chipkarte, die in das Pnozmulti-Basisgerät eingelegt wird. Das Anwenderprogramm des Steuerungssystems ist durch Passwörter geschützt und lässt sich somit nicht durch einen ungewollten Eingriff oder eine Fehlbedienung deaktivieren. Auch unberechtigte Manipulationen sind damit ausgeschlossen. Die serienmäßig integrierte Diagnoseschnittstelle des Steuerungssystems ermöglicht sowohl eine Onlinediagnose vor Ort als auch eine Ferndia­gnose mittels eines einfach zu konfigurierenden Com-Servers. Damit ist das Servicepersonal in der Lage, ohne selbst vor Ort zu sein, alle geräterelevanten Daten und Zustände über ein TCP/IP-Netzwerk von einem entfernten PC, auf dem die Serviceversion des Konfigurationstools installiert ist, abzurufen.
Serviceeinsätze lassen sich auf diese Weise gezielt vorbereiten. Mit der Serviceversion der Software werden lediglich die Diagnosefunktionen unterstützt und damit bewusste oder unbewusste Änderungen am Programm sicher verhindert.

Fazit
Durch die differenzierte Reaktion auf unterschiedliche Betriebsfälle erreicht das Pnozmulti eine Reduzierung der Belastungen an mechanischen Verschleißteilen. Ein für Mensch und Windenergieanlage sicherer Zustand kann unter anderem durch die Reduzierung der Drehzahl des Rotors und das Unterbinden aller Bewegungen oder Abschalten gefährlicher Spannungen erreicht werden, sofern diese nicht für die Sicherheitsfunktion notwendig sind. Mit dem Sicherheitssystem werden unnötige Stillstandszeiten vermieden und somit die Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlage erhöht.
Für den Einsatz unter extremen Umweltbedingungen ist das Pnozmulti als „coated Version“ erhältlich. Diese Version erlaubt den Einsatz in erweiterten Temperaturbereichen, die Zulassung von Betauung und ist resistent gegen aggressive Luftzusammensetzung.

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Dipl.-Betriebsw. (FH) Sándor Kaufmann ist im Bereich International Sales Market Development bei der Pilz GmbH & Co. KG in Ostfildern tätig.