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Echtzeit-Embedded-Controller für Offshore-Windenergieanlagen

Bild 1. Deutschlands erster Offshore-Windpark: Alpha Ventus. Areva Multibrid lieferte hierfür Windenergieanlagen der 5-MW-Klasse. Aufgrund der schwierigen Verhältnisse auf hoher See müssen diese unter anderem hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit erfüllen

Bild 2. Errichtung der Windenergieanlage auf offener See, 45 km nördlich der Insel Borkum

Bild 3. Embedded-PC CX1020 mit Windows Embedded CE und Bewegungssteuerungs-Software von Beckhoff

Die Windenergieindustrie boomt seit Jahren. Neue Anlagen werden zum Großteil offshore errichtet. Dementsprechend legen Hersteller von Windenergieanlagen, wie die Areva Multibrid GmbH, immer größeren Wert auf die Zuverlässigkeit einzelner Komponenten und der Anlage insgesamt. Der Einsatz eines Embedded-Controllers mit Windows Embedded CE und Bewegungssteuerungs-Software von Beckhoff verwandelt die Windturbine Multibrid M5000 in ein vollautomatisiertes, selbstüberwachendes „Kraftwerk“. Sechs solcher Turbinen wurden beispielsweise in einem Testfeld in der Nordsee aufgestellt. Hier generieren sie auf zuverlässige und effiziente Weise saubere Energie mit vorhersehbaren Wartungsintervallen.

Wind ist ein weltweit vorhandener Energielieferant. Allerdings ist die Errichtung von Windparks nicht überall willkommen. Immer beliebter werden Offshore-Windparks. Doch die raue Seeumgebung und die Unzugänglichkeit großer Windparks machen Zuverlässigkeit zu einem Hauptthema.
Alpha Ventus verlangt nach hoher Zuverlässigkeit
Die Areva Multibrid GmbH bekam 2007 den Auftrag, Windenergieanlagen der 5-MW-Klasse an Alpha Ventus zu liefern, Deutschlands ersten Offshore-Windpark (Bild 1 und Bild 2). Das Projekt erhält Unterstützung von einem Konsortium bestehend aus den drei deutschen Energieunternehmen E.ON, Vattenfall und EWE . Das Ziel ist, bis zum Jahr 2030 rund 5 000 Windenergieanlagen in über 20 Windparks in Nord- und Ostsee aufzustellen. Diese sollen ca. 25 000 MW liefern, was rund 15 % von Deutschlands gegenwärtigem Energiebedarf entspricht. Der Offshore-Windpark von Alpha Ventus befindet sich etwa 45 km nördlich der Insel Borkum. Aufgrund seiner Erbauung auf offener See gilt Zuverlässigkeit als einer der Hauptentscheidungsfaktoren für den langfristigen Erfolg des Projekts. So verlangen die Energieversorgungsunternehmen einen steten Energiefluss, sodass Unterbrechungen inakzeptabel sind.
Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit waren zu Projektbeginn die obersten System-Software-Prioritäten. Die Zugänglichkeit von Offshore-Windparks hängt stark von den Wetterbedingungen ab. Entsprechend wichtig ist es, dass die Ausrüstung mit langen Wartungsintervallen betrieben werden kann. Selbst bei normalen Betriebsbedingungen ist die Windparkausrüstung Wasser, Salz und rauen Wetterbedingungen, wie extremen Temperaturen, ausgesetzt. Betreiber müssen einen Weg finden, den Zustand von Park und Ausrüstung kontinuierlich zu überwachen und dann bei Bedarf die Ausrüstung von Land aus fernzusteuern. Aus diesem Grund müssen die Mess-, Überwachungs- und Steuerungsanwendungen sowie die System-Software, die ihnen zugrunde liegt, äußerst zuverlässig sein.
Eine weitere Geschäftsanforderung ist die Betriebseffizienz. „Um die Effizienz zu maximieren, erfordern große Windenergieanlagen Bewegungssteuerungssysteme. So können elektromechanische Prozesse auf Basis von Windstärke, Windrichtung und anderen physischen Bedingungen automatisiert werden“, erklärt Bernd Zickert, Teamleiter Elektrotechnik bei Areva Multibrid. „Mit anderen Worten: Wir müssen die beste Leistung erzielen – und zwar zu jeder Zeit und unter verschiedenen Wind- und Wetterbedingungen.“
Zuverlässigkeit von Lieferanten und Technik
Umfang und Lebensdauer des Projekts schufen den Bedarf nach einer zuverlässigen Kette von Teilelieferanten mit erwiesener Erfolgsgeschichte in Bezug auf langfristige Produktunterstützung. Der Windanlagenhersteller musste für das Projekt von Alpha Ventus auch diverse technische Anforderungen erfüllen: Die Mess-, Überwachungs- und Steuerungssysteme an Bord der Turbinen müssen in Millisekunden-Zyklen operieren. Zudem ist ein System für harte Echtzeit erforderlich, um Vorhersehbarkeit und Determinismus sicherzustellen.
„Die Energieversorgungsunternehmen, die Offshore-Windturbinen betreiben, benötigen durchgehende Konnektivität“, so B. Zickert. „Dies ermöglicht dem PC-Controller an der Turbine, mit den Informationssystemen des Unternehmens an Land zum Zweck der Fernsteuerung, -wartung und -messung zu kommunizieren.“
Um den Zeitplan der Projektentwicklung zu beschleunigen, suchte Areva Multibrid nach einer Betriebssystem-Software mit leistungsfähigen sowie bekannten Entwicklungshilfsmitteln und Programmiersprachen. Außerdem musste die Software noch den aktuellen internationalen Normen im Bereich Industrieautomatisierung entsprechen.
Die Lösung
Im Zusammenhang mit der Realisierung der zentralen Steuerungseinheit der Offshore-Windturbinen kooperieren die Windenergieanlagenspezialisten mit Beckhoff . Der Experte für offene Automatisierungssysteme auf Basis von PC-Steuerungstechnologie ist Gold-Level-Windows-Embedded-Partner von Microsoft . Das Unternehmen entwickelt und produziert Hardware-Komponenten in Deutschland. Seine offene Automatisierungsplattform Twincat stellt SPS-Logik sowie Motion- und HMI-Funktionalität auf Microsoft-Betriebssystemplattformen bereit. „Als Experten in den Bereichen Automatisierung und Echtzeitsteuerung empfehlen wir eine Lösung, die auf Windows Embedded und unserem Embedded-Controller CX1020 basiert“, sagt Stefan Hoppe, Twincat-Produktmanager bei Beckhoff. „Die Verwendung der Windows-Technologie ermöglicht Areva Multibrid, alle Steuerungs- und Kommunikationsanforderungen auf einer Software-Plattform zu standardisieren – von der Windturbine auf See bis hin zu den Datenbanken und Systemen an Land.“
Der Embedded-PC-Controller CX1020 (Bild 3) startet von einer Compact-Flash-Karte und erfordert keinen Lüfter oder andere rotierende Komponenten, wie ein Festplattenlaufwerk. Das robuste Gerät verfügt über direkte IO-Anschlüsse für die Anbindung der Sensoren und Aktoren und ist für raue Umgebungen konzipiert. „Wie Areva Multibrid erhalten etwa 95 % unserer Kunden das von uns skalierte standardmäßige Betriebssystem-Image mit Schnittstellen zum Hinzufügen ihrer eigenen Treiber und zum Erweitern der Funktionalität“, erläutert S. Hoppe. Als einen der Hauptvorteile von Windows Embedded nennt er die Entwickler-Tools. Dadurch könnten die Kunden per Software-Erweiterungen Gerätelösungen anbieten, die sich am Markt unterscheiden.
Zum Einsatz kommt das Echtzeit-Betriebssystem Windows Embedded CE 6.0 R2. Für Areva Multibrid lässt sich damit die Leistung zu den Zykluszeiten realisieren, die von den Überwachungs- und Steuerungssystemen an Bord der Turbine gefordert werden. So führt eine Steuerung bis zu drei Aufgaben parallel aus, in Zyklen von 1 ms, 10 ms und 100 ms. „Windows Embedded CE ist ein kleines, stabiles und skalierbares Echtzeit-Betriebssystem, dem auch PC-artige Funktionalitäten, wie FTP-Datenübertragung und grafische Benutzeroberfläche, hinzugefügt werden können. Windows Embedded CE liefert harte Echtzeit-Performance in komponentenbasierter Form, zusammen mit der Vertrautheit und Stärke der Windows-Technologie“, fasst B. Zickert zusammen.
Beckhoff stellt auf Basis von Windows Embedded CE internationale Standards zur Industrieautomatisierung bereit, zum Beispiel IEC 61131-3 und OPC-UA (Unified Architecture). Letztgenannter dient der sicheren und schnellen Kommunikation zwischen den Embedded-Controllern und den ERP-Lösungen in den Unternehmen.
Schnelle Produkteinführung und hohe Zuverlässigkeit
Durch die Embedded-Technologie von Windows ergeben sich für Areva Multibrid unter anderem Vorteile hinsichtlich schneller Produkteinführungszeiten und hoher Zuverlässigkeit. So ließen sich mit den bewährten und hochleistungsfähigen Tools sowie integrierten Technologien von Windows Embedded Entwicklungskosten senken und Anwendungen schneller implementieren. Ausgerüstet mit den leicht zu handhabenden Tools stellte das interne Software-Entwicklungs-Team von Areva Multibrid schnell die erste einsatzfähige Version des Embedded-Controllers fertig.
Daneben bringt der komponentenbasierte Aufbau von Windows Embedded CE Kundennutzen. So ist es Entwicklern möglich, das Betriebssystem-Image von Grund auf aufzubauen und nur die spezifischen Funktionen einzuschließen, die erforderlich sind, um eine Anwendung zu betreiben. Diese Methode verringert zum einen den für das Betriebssystem benötigten Speicherplatz (Footprint) und minimiert zum anderen die Angriffsfläche für Schad-Software. Zudem benötigt das Betriebssystem weniger Wartung, da Korrekturen nur für Features erforderlich sind, die im Image enthalten sind.
„Die Betriebs- und Überwachungssysteme an Bord der M5000 funktionieren wie beabsichtigt und erwartet“, berichtet B. Zickert. „Das gesamte Steuerungssystem ist völlig automatisiert. Echtzeit-Messungen von Windstärke, Windrichtung, Lufttemperatur und einer Unzahl anderer Sensoren werden an den Rechner übermittelt, der die Aktoren der Turbine zur Erreichung einer höheren Effizienz steuert. In der Leitwarte an Land überwachen Techniker einfach die Aktivitäten an einem auf Windows basierenden Arbeitsplatzrechner.“
Technische Vorteile
Weitere Vorteile bringt die einheitliche Entwicklungsumgebung: Microsoft .NET Framework und Microsoft Visual Studio bieten eine einzige Entwicklungsumgebung zur Erstellung von Embedded- und Non-Embedded-Anwendungslösungen. So ermöglicht beispielsweise ein mittels Microsoft .NET Compact Framework entwickeltes integriertes Überwachungssystem für den Anlagenzustand eine genaue Analyse der Windparkkomponenten und eine zuverlässige Meldung von Unregelmäßigkeiten an Land befindlicher Systeme. Dies resultiert in einer effizienten, langfristigen Instandhaltungsplanung.
Die Software-Entwickler von Areva Multibrid sehen einen der größten Vorteile von Windows darin, dass es damit möglich ist, eine einzige Code-Basis zum Schreiben von Anwendungen zu erstellen, von der SPS, die auf der Turbine läuft, bis zur Überwachungs- und Steuerungsanwendung, die auf irgendeinem Rechner mit Windows XP irgendwo in der Welt läuft.
Daneben wird der vertraute Umgang mit den Produkten und Technologien von Windows als vorteilhaft für den Kunden gesehen. So gelten die Microsoft-Produkte als weitverbreitet und damit bekannt im Umgang.
Ausblick
„Wir freuen uns auf die Freigabe von Windows Embedded CE 6.0 R3 , einschließlich Silverlight für Windows Embedded, was es uns ermöglichen wird, funktionsreiche, interaktive Anwendungs-Benutzerschnittstellen mit integrierten Animationen und 2-D-/3-D-Interaktionen zu erstellen“, so S. Hoppe. „Diese plattformunabhängigen Anwendungen laufen auf Arbeitsplatzrechnern, Embedded-Systemen und Browsern, ohne dass jedesmal ein neuer Code kompiliert werden muss – eine wesentliche Produktivitätsverstärkung für uns.“
Als nächste Generation des komponentenbasierten Echtzeit-Betriebssystems Windows Embedded CE verfügt die Version 6.0 R3 aufgrund der Integration des Microsoft-„Silverlight for Windows Embedded“-User-Interface-Framework über neue Möglichkeiten der Darstellung und Bedienung von Anwendungen. Dadurch können OEM spezialisierte Consumer- und Enterprise-Geräte entwerfen, die über besonders intuitive und benutzerfreundliche grafische Oberflächen mit animierten Bedienelementen verfügen. Gerätehersteller sind dadurch in der Lage, das Design der Bedienoberfläche und der eigentlichen Kernfunktionen des Geräts voneinander zu trennen. Außerdem lassen sich die Geräte nahtlos mit Windows-7-PC, -Servern und -Online-Diensten verbinden. Damit eröffnet diese Version bisher nicht gekannte Möglichkeiten in der Zusammenarbeit zwischen Geräte-Designern und Software-Entwicklern – sie können die Nutzerfreundlichkeit der Oberflächen verbessern und gleichzeitig die Entwicklungszeiten und -kosten reduzieren.

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Dr. Frank Prengel ist Technical Evangelist Mobile & Embedded bei der Microsoft Deutschland GmbH in Unterschleißheim.