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Von Industrie 4.0 zu Wind 4.0

Bild 2.  Das Twincat 3 Wind Framework stellt Dienste über „TcCOM“-Module bereit sowie eine PLC-Bibliothek, Schnittstellen zur Datenbank und Visualisierung sowie ein vollständiges Applikations-Template

Bild 2.  Das Twincat 3 Wind Framework stellt Dienste über „TcCOM“-Module bereit sowie eine PLC-Bibliothek, Schnittstellen zur Datenbank und Visualisierung sowie ein vollständiges Applikations-Template

Bild 3.  Das Schema der Datenbank ist so vorbereitet, dass die Daten von einer einzelnen oder von multiplen Anlagen in einer Datenbank gesammelt und verwaltet werden können

Bild 3.  Das Schema der Datenbank ist so vorbereitet, dass die Daten von einer einzelnen oder von multiplen Anlagen in einer Datenbank gesammelt und verwaltet werden können

Beim Prototyp der 5-MW-Windenergieanlage Aero Master 5.0 setzt die Aerodyn Energiesysteme GmbH auf aktuelle Steuerungs- und Softwaretechnologien. Hierzu zählen eine durchgängige PC-Control-Lösung und das modular aufgebaute Twincat Wind Framework. Dabei wurden moderne Konzepte aus den Bereichen Softwareengineering und Big Data umgesetzt, um auch im Windbereich den Schritt hin zu Industrie 4.0 konsequent weiterzuführen.

Die Aerodyn Energiesysteme GmbH, Rendsburg, entwickelt als Ingenieurbüro Windenergieanlagen (WEA) bzw. Rotorblätter und bietet WEA-Redesigns oder -Optimierungen sowie Lizenzen zu bestehenden Anlagendesigns an. Die Basis bildet dabei die modulare Aero-Master-Technologie, eine Dreiblattanlage mit elektrischer Einzelblattverstellung und drehzahlvariablem Generator-/Umrichter-System (Bild 1).
Die für den Offshore-Einsatz konzipierte Aero Master 5.0, mit einem Rotordurchmesser von 139 m und 5 MW Nennleistung, ist ausgelegt für Windbedingungen nach GL 2009 TC 2B, also 8,5 m/s durchschnittliche Windgeschwindigkeit und 16 % Turbulenzgrad, sowie hohe Ansprüche in Bezug auf Energieertrag und Betriebssicherheit. Die Aero Master 5.0 ist die erste Windenergieanlage, bei der die Softwaregeneration Twincat 3 und das Twincat Wind Framework eingesetzt werden.

Framework für Windenergieanlagen
Mit dem Twincat 3 Wind Framework sind Entwickler von Windenergieanlagen in der Lage, ihre Anlagen schnell und komfortabel zu programmieren. Alle entscheidenden Funktionen sind in einem Softwarepaket integriert: von der Ereignisverwaltung über die Datenbankanbindung bis hin zu sämtlichen Grundfunktionen, wie Zustandsmaschine oder Hydraulik. Ein vorgefertigtes Applikations-Template reduziert den Aufwand, denn die Entwickler können sich direkt auf die eigentlichen Anlagenfunktionen konzentrieren. Das Ergebnis: effizientes Engineering, schnellere Time-to-Market und Nutzung der Indus­trie-4.0-Eigenschaften für die Windenergie.
Umfassende Funktionalitäten sind dabei in gekapselten Twincat-Modulen umgesetzt, welche sich in die Twincat-3-­Architektur integrieren. Eine effiziente Softwareentwicklung wird durch eine modulare Architektur im ­Applikations-Template und mittels erprobter und direkt verwendbarer Twincat-Module und -Funktionen gewährleistet. Durch die flexible Konfiguration ist eine Adaption an die spezifische Applikation des Anwenders einfach möglich. Die Anlagendiagnose wird mittels tief greifender Datenhaltung in einer Datenbank sichergestellt. Hieraus ergeben sich eine zukunftssichere Entwicklung, eine ­effiziente Inbetriebnahme sowie ein optimaler Betrieb der Automatisierungssoftware von Windenergieanlagen.

Applikation mit modularer Architektur
In der Applikation ist jedes Subsystem der WEA durch ein eigenständiges Objekt dargestellt. Somit können die Subsysteme unabhängig voneinander entwickelt, verwendet und getestet werden. Wie es in der mechanischen Modularisierung von Anlagen bereits üblich ist, sind die Subsysteme nun auch in der Software austauschbar. Die Modularisierung erlaubt eine parallele Entwicklung, und jeder Programmierer kann sich auf die eigentlichen Funktionen und seine spezialisierten Komponenten der Anlage konzentrieren. Damit wird die Qualität, Flexibilität und Wiederverwendbarkeit der Software erhöht und gleichzeitig reduzieren sich die Entwicklungszeit und -kosten.
Die allgemeine Regelung der Windenergieanlage, wie die Pitch- und Torque-Regelung, ist in der Software als Operational Control vorbereitet. Für die Regelung ist die Integration weiterer Module vorgesehen, um zum Beispiel die Algorithmen aus der Lastenrechnung zu übernehmen. Damit wird der gleiche Regler, der für die Lastenrechnung verwendet wurde, auch in der Steuerung genutzt. Der Regler muss nicht erst in eine zweite Programmiersprache übertragen werden, und die fehleranfällige zweite Umsetzung der Algorithmen kann entfallen.
Darüber hinaus ist eine adaptive Simulation von der Windenergieanlage in die Applikation integriert. Dies ermöglicht ein Testen der gesamten Betriebsführung in der Entwicklungsumgebung. Dabei ist das Modell der Anlage frei konfigurierbar und auf die jeweilige Anlage anpassbar. Die verwendete Anlagensimulation wird als Twincat-Modul bereitgestellt, ist aber genauso wie die Regelung dafür vorbereitet, um bei Bedarf durch ein spezifisches Modell aus Matlab/Simulink oder C/C++ ersetzt zu werden.
Mittels der integrierten Simulationen in der Applikation können die Vorgänge des Gesamtsystems, die Betriebsmodi und auch einzelne Subsysteme abgebildet, nachvollzogen und geprüft werden. Jedes Subsystem kann separat und unabhängig betrieben werden, indem zwischen ­Simulation und realer Hardware umgeschaltet wird. Dies ermöglicht es zum Beispiel, Teilkomponenten der Gondel in der Werkshalle in Betrieb zu nehmen und zu prüfen. Darüber hinaus wird der Aufbau von Testständen möglich, um Software-in-the-Loop- oder Hardware-in-the-Loop-Simulationen und sogar Schulungen ­direkt mit der originalen Applikationssoftware durchzuführen. Diese Echtzeitsimulationen ermöglichen ein Rapid Control Prototyping und virtuelle Inbetriebnahmen mit einer einzigen Version der Software und durch reine Parametrierung.
Die Betriebsführung und deren Subsysteme werden durch die Verwendung der verfügbaren Twincat-Module aus dem Twincat 3 Wind Framework vervollständigt. Über SPS-Funktionsblöcke aus der SPS-Bibliothek werden Objekte angelegt und konfiguriert. Diese Objekte integrieren sich automatisch in die übergeordneten Twincat-Module aus dem Wind Framework, welche die Dienste und Funktionalitäten bereitstellen. Dadurch definiert jedes Subsystem einen individuellen Satz an Objekten, welche die Informationen und Einstellungen in die Betriebsführung einbringen.
Mit der durchgängigen Nutzung der Twincat-Module und durch die einheitliche Architektur der Subsysteme entsteht ein Standard in der Applikation. Diese Standardisierung ermöglicht es dem Programmierer, sich schnell in die Applikation und den Source Code einzufinden, ­sogar wenn diese von einem anderen Programmierer umgesetzt wurde.

Generische Module als übergeordnete Dienste
Die generischen Twincat-Module stellen die übergeordneten Dienste bereit. Jedes Modul ist direkt verwendbar und wird nur noch in Twincat 3 als „TcCOM“-Modul eingebunden (Bild 2). Die Module können einzeln und unabhängig voneinander verwendet oder miteinander kombiniert werden, um eine Interaktion und den Datenaustausch zu ermöglichen.
Alle Informationen von den verschiedenen Twincat-Modulen werden permanent und in Echtzeit an das Database-Modul übermittelt. Über den Twincat 3 Database Server werden diese Daten in einer Datenbank verwaltet: Sie werden vom Database-Modul entsprechend vorbereitet und über SQL-Befehle in die Datenbank eingefügt oder abgerufen. Die Anbindung an einen Microsoft SQL Server wird dabei vollständig vom Data­base-Modul umgesetzt. Das entsprechende Datenbankschema, inklusive der Tabellen und Prozeduren für den Microsoft SQL Server, wird vom Wind Framework mitgeliefert. Die weitreichende Verwendung spiegelt sich in den nachfolgend beschriebenen Modulen wieder.
Das Proxy-Modul stellt einen direkten Zugriff auf die Echtzeitdaten aller Module und Objekte bereit. Dieser Zugriff kann direkt über das Twincat-ADS-Protokoll erfolgen, um jegliche Eigenschaften eines Objektes oder die protokollierten Daten abzurufen. Ein weiterer Dienst ist das Status-Modul, welches eine Überwachung aller Komponenten der Windenergieanlage bietet: Es ermöglicht die Fehlererkennung, die Ereignisverwaltung sowie die Fehlerbehandlung und die Berichterstattung.
Parameter- und Command-Module stellen Dienste zur Konfiguration und Interaktion mit der Applikation zur Verfügung. Ein Parameter-Objekt kann einen beliebigen Wert eines beliebigen Datentyps annehmen. So sind alle Datentypen aus dem IEC-61131-3-Standard vorbereitet, von denen auch Arrays als Vektoren oder Tabellen eingesetzt werden können. Mittels der Command-Objekte lassen sich Aktionen in der Applikation auslösen oder ­aktivieren. Jede Interaktion, zum Beispiel über einen Schalter an der Schaltschranktür oder einen Button aus der Visualisierung, kann über ein solches Command-­Objekt umgesetzt werden.
Das Erfassen von Signalen und eine statistische Auswertung werden vom Capture- und dem Mean-Modul bereitgestellt. Rohdaten werden flexibel über Capture-Objekte aufgezeichnet. Die Art des Signals, ob digital oder analog, sowie die Abtastrate zur Aufzeichnung werden individuell für jedes Capture-Objekt eingestellt. Erste Auswertungen für die spätere Diagnose werden bereits in Echtzeit durchgeführt. Ein stetiges Ermitteln von gleitenden Mittelwerten wird vom Mean-Modul ermöglicht. Aus beliebigen analogen Signalen können mittels der Mean-Objekte die Mittelwerte über frei wählbare Zeitintervalle berechnet werden. Arithmetischer Mittelwert, Effektivwert, Standardabweichung und die Mittelwertberechnung anhand der Windrichtung werden angeboten, ­genauso wie das Ermitteln von Minima, Maxima oder der Turbulenzintensität.

Datenbankanbindung für detaillierte Analysen
Die Anbindung über das Database-Modul und den Twincat 3 Database Server an die SQL-Datenbank bietet eine effiziente und kompakte Datenhaltung über ein einheitliches und bekanntes Format. Das Aufzeichnen aller Ereignisse und Signale sowie das Speichern und Laden der gesamten Konfiguration aller Objekte ermöglichen detaillierte Analysen. Nötige Vorverarbeitungen geschehen durch die Twincat-Module in Echtzeit. Durch das Erfassen und die Vorverarbeitung aller Daten in Echtzeit, welche dann zuverlässig in die Datenbank übertragen werden, können Auswertungen auf Anfrage und außerhalb der Betriebsführung geschehen. Mithilfe dieser historischen Daten können Zustandsänderungen erkannt, die Ursachen von Störungen ermittelt, detaillierte Statistiken berechnet und Optimierungen der Anlage durchgeführt werden.
Das Schema der Datenbank ist so vorbereitet, dass die Daten von einer einzelnen oder von multiplen Anlagen in einer Datenbank gesammelt und verwaltet werden können. So lassen sich über vorbereitete Prozeduren die Daten einfach zusammenführen, um eine übergeordnete Analyse und Vergleiche durchzuführen (Bild 3).

Fazit
Moderne Konzepte aus dem Software-Engineering und einer serviceorientierten Architektur wurden im Twincat 3 Wind Framework umgesetzt. Damit wird das breite Produktportfolio von Beckhoff um ein Twincat-3-Paket mit allen wichtigen Funktionen für Windenergieanlagen erweitert. Mit der modularen Architektur, den Kommunikationsschnittstellen, der Datenbankanbindung und der Möglichkeit, alle Daten zentral zu speichern, sind die Voraussetzungen für Industrie 4.0 für Windenergieanlagen gegeben. (mh)

Nils Johannsen ist in der Abteilung Applikationssoftware für die Beckhoff Automation GmbH & Co. KG, Niederlassung Lübeck, tätig. E-Mail: info@beckhoff.de