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Offene Engineeringplattform sorgt für effiziente Windenergie

Bild 1. Dirk Kordtomeikel ist Branchenmanager Windkraft bei Beckhoff Automation

Bild 2. Mit Twincat 3 sind in einer Entwicklungsumgebung alle wesentlichen Programmiersprachen, wie C/C++, eine Matlab/Simulink-Anbindung oder die Sprachen der IEC 61131-3 [2] inklusive der objektorientierten Erweiterungen integriert

Bild 3. An die Twinsafe-Klemme Safety-PLC EL6900, in die 256 Funktionsbausteine integriert sind, die – je nach Anwendung – konfiguriert oder programmiert werden, lassen sich bis zu 128 sicherheitsrelevante Busteilnehmer anschließen

Bild 4. Mit der Ethercat-Klemme EL3632 lassen sich Condition-Monitoring-Funktionen einfach in das Ethercat-IO-System von Beckhoff integrieren

Im vergangenen Jahr konnte Beckhoff seinen Umsatz im Bereich der Windenergie verdoppeln. In den Wachstums­märkten China, Indien und Brasilien hat sich der Spezialist für PC-basierte Steuerungstechnik einen Namen gemacht. Über die Erfolgsfaktoren des Unternehmens und die technischen Neuheiten sprach die etz-Redaktion mit dem Branchenmanager für Windkraft, Dirk Kordtomeikel.

Herr Kordtomeikel, 2010 hat Beckhoff über 6 000 Windenergieanlagen mit seiner Steuerungstechnik ausgerüstet. Was ist Ihr Erfolgsrezept?
D. Kordtomeikel (Bild 1): Wie auch in anderen Branchen beruht unser Erfolg auf der Offenheit der PC-basierten Steuerungstechnik sowie der leistungsmäßigen Skalierbarkeit unserer Steuerungen und unserer feingranularen Feldbustechnologie. Darüber hi­naus bieten wir mit unserem „Kompetenzteam Wind“, in der Niederlassung von Beckhoff in Lübeck, ein Expertenteam mit mehr als 60 Mannjahren Winderfahrung. Auf der Basis dieses Know-hows sind wir in der Lage, im Auftrag unserer Kunden eine Komplettlösung für die Automatisierung einer Windenergieanlage zu erstellen. Diese umfasst die vollständige Softwareentwicklung, inklusive der Weitergabe des Source Codes und einer entsprechenden Schulung, die Erstellung der Pläne für die Schaltschränke, den Prototypenbau sowie – auf Kundenwunsch – auch die Serienfertigung von Schaltschränken.

Lässt Ihre aktuelle Auftragslage wieder so ein erfolgreiches Jahr erwarten?
D. Kordtomeikel: Nach den bisherigen Zahlen gehen wir davon aus, dass dieses Jahr ebenso erfolgreich wird, wie das vergangene. Aber auf diesem mittlerweile sehr hohen Niveau lassen sich nicht mehr die Steigerungsraten der letzten Jahre erzielen.

Ein wesentlicher Bestandteil ihres Automatisierungskonzepts ist Twincat 3. Was zeichnet diese Softwareplattform aus?
D. Kordtomeikel: Die offene Engineering-Plattform, auf Basis des leicht erweiterbaren Microsoft Visual Studio, sowie die Verwendung von Tools, wie Matlab/Simulink, und von Programmiersprachen, wie C/C++, sind das Erfolgsrezept von Twincat 3 – auch in der Windenergie (Bild 2). Auf dieser Plattform werden außerdem HMI, Safety, Condition-Monitoring-Systeme (CMS) und Hydraulikansteuerungen im Engineering und in der Runtime integriert. Die verschiedenen, über den Ethercat-Feldbus eingesammelten Signale lassen sich – extrem schnell und hochauflösend – auf der PC-Plattform mithilfe von Twincat 3 auswerten und analysieren. Das führt zu einer effizienten und kostengünstigen Lösung.

Welche Funktionalität hat ihr Engineeringtool?
D. Kordtomeikel: Neben der Konfiguration des Steuerungssystems lässt sich damit auch die Programmierung in SPS-Programmiersprachen oder in C/C++ und Matlab/Simulink durchführen. Die offene Architektur des Microsoft Visual Studio bietet die Möglichkeit, weitere Tools, wie das Softwarescope Twincat Scope 2, zu integrieren. Twincat 3 ermöglicht auch die Anbindung verschiedener Source-Code-Verwaltungs-Tools, mit denen die Software einfach versioniert werden kann. Dies sowie die Möglichkeit, objektorientiert in der SPS und in C++ zu programmieren, führen zu einer verbesserten Softwarequalität.

Unterstützt Ihre Lösung auch das Einspeisemanagement?
D. Kordtomeikel: Wir sind gerade dabei, uns Gedanken über das Einspeisemanagement zu machen. Als Plattform nutzen wir natürlich auf der Input-Seite unsere Leistungsmessklemme, und da uns übliche TCP/IP- Netzwerke, bezüglich der Antwortzeiten, nicht hinreichend erscheinen, setzen wir auf unsere Ethercat-Infrastruktur. Ethercat erlaubt, aufgrund der vielen verfügbaren Schnittstellen, die Ankoppelung anderer Steuerungen; die Verkabelung entspricht der der jetzigen Windparknetze. Das heißt, hardwareseitig sind bereits sämtliche Komponenten für ein Windpark-Echtzeitnetzwerk vorhanden.

Warum setzen Sie bei der Pitchsteuerung auf Fuzzy- statt auf die übliche PD- beziehungsweise PID-Regelung?
D. Kordtomeikel: Wir bieten definitiv beide Varianten an. 30 Jahre erfolgreicher Einsatz von PID/PD-Reglern lassen sich nicht wegdiskutieren. Unser softwarebasierter Fuzzy-Regler hat jedoch bei unseren Tests sehr erfolgreich abgeschnitten und bietet Vorteile, insbesondere beim Einfahren und der Inbetriebnahme der Anlage, durch vereinfachte Parametrierung. Der Regler ist so robust, dass selbst bei schwerwiegenden Änderungen am Getriebe oder Pitch ein erfolgreiches Regelverhalten erzielt werden kann.

Da Windenergieanlagen als Maschinen eingestuft werden, unterliegen sie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und müssen die Anforderungen nach funktionaler Sicherheit erfüllen. Wie realisieren Sie diese?
D. Kordtomeikel: Diese Bedingung haben in erster Linie die Konstrukteure der Anlage einzuhalten, deren Steuerungs- und Sicherheitskonzepte wir entsprechend umsetzen. Hierbei setzten wir auf unsere Erfahrungen aus dem Maschinenbau und den mittlerweile mehr als fünfjährigen, erfolgreichen Einsatz unserer integrierten Sicherheitstechnik Twinsafe (Bild 3). Alle Twinsafe-Komponenten sind für den Performance Level (PL) e nach DIN EN ISO 13849-1 zertifiziert.
Twincat 3 vereinfacht das Engineering – insbesondere von sicherheitstechnischen Applikationen – nochmals erheblich. Ein neuer grafischer Editor verbessert das Handling auch großer sicherheitstechnischer Applikationen. Die nach der neuen Maschinenrichtlinie notwendigen Berechnungen wurden mit dem Twinsafe Calculator komplett in das System integriert. Einfaches Engineering mit entsprechenden Tools führt zu verbesserten sicherheitstechnischen Lösungen.

Um die Stillstandzeiten und die Wartungskosten zu minimieren, ist ein Condition-Monitoring-System heute quasi Pflicht. Wie sieht Ihre Lösung diesbezüglich aus?
D. Kordtomeikel: Gerade im Bereich CMS kann die PC-basierte Steuerungstechnik punkten. Ethercat als performantes Bussystem sorgt dafür, dass Signale aus der Anlage schnell und mit hoher Auflösung – und noch dazu mit Zeitstempeln versehen – im PC ankommen. Für das Erfassen von Schwingungssignalen steht die Spezialklemme für Schwingungssensoren EL3632 mit IEPE-Schnittstelle zur Verfügung (Bild 4); Signale für den Anschluss von Dehnungsmessstreifen werden von der schnellen Ethercat-Klemme EL3356 erfasst. In den Klemmen erfolgt nur eine minimale Vorverarbeitung. Die Rohdaten werden im PC analysiert und weiterverarbeitet. Dazu stehen dem Nutzer umfangreiche Softwarebibliotheken für das Filtern, für die statistische Auswertung und die Mustererkennung zur Verfügung.
Wir können zwar im Windbereich keine Installation oder nachgeschaltete Begutachtung übernehmen, wie es zum Angebots­portfolio der etablierten CMS-Anbieter gehört, aber wir laden alle Hersteller von Windenergieanlagen und alle CMS-Anbieter ein, mit unserer Technik zu arbeiten. Die Integration unserer CMS-Lösung in die Automatisierungsplattform macht sie so preiswert, dass Kostengründe einer Installation künftig nicht mehr im Wege stehen dürften.

Inwieweit wollen Sie Ihr Automatisierungskonzept für Windenergieanlagen noch ergänzen?
D. Kordtomeikel: Wir werden die Integration von Funktionalitäten in unsere Automatisierungsplattform konsequent fortsetzen und auch Themen aus dem Umfeld der Windkraftanlagen, wie Anlagenvernetzung oder Netzeinspeisung in unsere Überlegungen einfließen lassen. Durch die Kommunikation mit unseren Kunden entstehen ständig neue Ideen und werden Lösungen entwickelt, von denen wir auf der nächsten Husum Wind einige präsentieren werden.

Autor: Frank Nolte