Windenergieanlagen mit einem integrierten System einfach, effizient, skalierbar, modular, offen und flexibel automatisieren.

Die Solutions 4 Energy GmbH setzt auf eine offene, transparente und flexible Automatisierung ihrer Windenergieanlagen

Windenergieanlagen mit einem integrierten System einfach, effizient, skalierbar, modular, offen und flexibel automatisieren.

Mit einer offenen und leistungsfähigen Echtzeitsteuerung von Weidmüller mit zwei Prozessorkernen und einer anwendungsspezifischen Software-Bibliothek beschleunigt die Solutions 4 Energy GmbH das Engineering und die Inbetriebnahme ihrer Kleinwindanlagen deutlich. Eine abgestimmte, modulare und skalierbare Visualisierungslösung einschließlich Cloud-Funktionen macht den Betrieb von Windenergieanlagen zum Kinderspiel.

Die Solutions 4 Energy GmbH, kurz S4E, ist als ambitionierter, innovativer Hersteller und Beratungsdienstleister in Bereich der erneuerbaren Energien bekannt, insbesondere im Segment der Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen. „Um seine Windkraftanlagen noch effizienter installieren und in Betrieb nehmen zu können, hat S4E jüngst eine strategische Partnerschaft mit Weidmüller geschlossen‟, berichtet Thomas Schubert, Geschäftsführer der Solutions 4 Energy GmbH. Der Auftrag umfasst die gesamte Automatisierungstechnik inklusive zweier betriebsbereiter Schaltschränke – jeweils einen für die Top-Box und die Bottom-Box. Damit die Schaltschränke einsatzbereit angeliefert werden können, erfolgt ihre Planung, Montage und Prüfung bei Weidmüller.

„Zu Beginn unserer Partnerschaft erarbeiteten wir gemeinsam einen umfassenden Anforderungskatalog, den Weidmüller bei seinen Lösungen berücksichtigte‟, ergänzt Thomas Schubert.

Der Anforderungskatalog bildete die Grundlage für die Auswahl unseres Partners und seiner Lösungen:

  • Offene Hardware, Software und Kommunikation für eine einfache Integration bewährter Anlagenkomponenten verschiedener Hersteller über unterschiedliche Bussysteme und Protokolle
  • Skalierbare Leistung und Funktionen zur Realisierung unterschiedlicher Windenergieanlagen mit ein und demselben System
  • Ein offenes, webbasiertes SCADA-System zur Visualisierung aller relevanten Produktionsdaten, Alarme und historischen Daten. Zudem musste die Möglichkeit bestehen, entsprechende Berichte für verschiedene Kunden erstellen zu können. Die Komponenten müssen natürlich den Zertifizierungsanforderungen für Windenergieanlagen entsprechen
  • Lieferung der zertifizierten Schaltschränke für Top- und Bottom-Boxen

„Beim gemeinsamen Erarbeiten des Anforderungskatalogs konnten wir unsere Erfahrung einbringen, die wir bereits in zahlreichen Windprojekten gewonnen haben‟, erklärt Marc Liebert, Industry Development Manager Wind bei Weidmüller.

PC-basierte Steuerung von Weidmüller als offene und individuelle Lösung

„Zentrale Elemente der Windenergieanlagen sind eine robuste, leistungsfähige Steuerung mit zwei Prozessorkernen, dem Betriebssystem RTLinux für Kommunikations- und Visualisierungsaufgaben und eCos als Echtzeit-Betriebssystem. Die innovative und nach IEC 61131 programmierte Steuerung ist für deterministische Prozesse zuständig, d. h. besonders kurze, genau definierte Zykluszeiten. Die Steuerung ist IoT-fähig und ihre Architektur ermöglicht zudem die Einrichtung von zwei „vertrauenswürdigen Zonen‟. „Das System wurde für den Einsatz unter rauen Betriebsbedingungen besonders robust und zuverlässig ausgelegt ‒ es hält extremer Kälte, Hitze und Vibrationen stand‟, führt Liebert weiter aus.

Eine Anforderung von S4E war die einfache Übertragbarkeit erstellter Simulations- und Regelungsmodellen an die Steuerung. Neben anderen Lösungen kam als Engineering Tool Simulink zum Einsatz, eine Blockdiagrammumgebung für Simulationen in mehreren Domänen. Das Tool unterstützt die Prozessgestaltung und -simulation auf Systemebene und ermöglicht eine automatische Codegenerierung sowie die kontinuierliche Systemprüfung und -verifizierung. Simulink ist in die Software MATLAB von MathWorks eingebunden, daher können Algorithmen aus MATLAB ohne Probleme in Simulationsmodelle aufgenommen, analysiert und weiterverarbeitet werden. Die MATLAB/Simulink-Modelle lassen sich einfach auf die Steuerung von Weidmüller übertragen und dort in Echtzeit ausführen.

„Wir bei Solutions 4 Energy nutzen für die Betriebsführung des Windparks das in Funktion und Leistung skalierbare SCADA-System „Zenon“ von Copa Data. Das System unterstützt auch die Integration von Steuerungen anderer Hersteller und verfügt über alle nötigen Kommunikationsprotokolle wie z. B. IEC 61850 oder IEC 61870. Der Datenzugriff erfolgt aus der Ferne über eine sichere VPN-Verbindung und/oder mithilfe einer Cloud-Lösung‟, erläutert Liebert. Im dargestellten Beispiel nutzt Weidmüller die Microsoft Azure Cloud, in der zenon Runtime installiert und die Visualisierung jeder Installation weltweit verfügbar ist. Maßgeblich bei der Entscheidung für ein System war in dieser Hinsicht auch die freie Wahl der Cloud-Lösung, um die Abhängigkeit von einem bestimmten Anbieter zu vermeiden.

Für die Automatisierung von Windenergieanlagen bietet Weidmüller eine spezielle Bibliothek mit vorgefertigten Software-Modulen an, die rund 80 % der heute gefragten Funktionen abdeckt. Zur Verfügung stehen Module zur schnellen und einfachen Umsetzung von Systemfunktionen, Pitch- und Gondelsteuerung, Turmfunktionen, Zustandsüberwachung und diversen physikalischen Aufgaben. Anwender können diese Module nach Belieben miteinander kombinieren und sie bei Bedarf sogar modifizieren, um sie an ihre eigene spezifische Hardware oder Aufgabe anzupassen. Der Schutz von Know-how in diesem Zusammenhang ist eine Selbstverständlichkeit.

Schon bei der erstmaligen Verwendung der „Wind Library‟ konnte Solutions 4 Energy rund 70 % der benötigten Funktionen direkt mit Modulen aus der Bibliothek abdecken. Die Bibliothek wurde von Solutions 4 Energy in Übereinstimmung mit verfahrenstechnischen Vorgaben entwickelt. Die restlichen Module wurden in enger Abstimmung mit Weidmüller modifiziert bzw. neu programmiert und implementiert.

„Für Automatisierungslösungen im Windbereich betreibt Weidmüller einen umfangreich ausgestatteten Applikationsraum, in dem alle programmierten Funktionen vor Auslieferung an realen Modellen getestet werden. Dadurch erhält der Kunde die Gewissheit, dass die Anlage auch im Betrieb fehlerfrei funktioniert‟, so Liebert.

Durchgängige Kommunikation

Um die Komponenten der verschiedenen Systeme problemlos anbinden zu können, war eine essenzielle Anforderung an Weidmüller die Gewährleistung einer offenen Kommunikation. Dazu gehört beispielsweise der zuverlässige Datenaustausch der Sicherheitssteuerung über PROFINET. Zusätzliche Erweiterungen lassen sich einfach über die entsprechenden Module des Weidmüller I/O-Systems u-remote durchführen. Feldgeräte wie Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsanzeiger, Vibrationssensoren und die Absolutwertgeber zur Erfassung der Position von Gondel und Pitchsystem werden einfach mit den für diesen Zweck bereitgestellten u-remote-Module verbunden und auf diese Weise in das Steuersystem von Weidmüller integriert.

Die Schaltschränke in Gondel und Turmfuß werden über Switches miteinander verbunden. Der Switch im Turmfuß versorgt nicht nur die Hauptsteuerung, sondern auch das SCADA-System mit Daten. Sämtliche Kommunikation zwischen den Komponenten erfolgt über PROFINET und u-remote. Diese Wege nutzt auch ein multifunktionales Messgerät von Bender, das sich im Turmfuß befindet und alle wesentlichen elektrischen Größen (Stromstärke, Spannung, Frequenz, Ausgangsleistung usw.) misst und diese zur Auswertung und Archivierung an das SCADA-System übermittelt. Ein Router mit einem integrierten 3G/UMTS-Modem verbindet die Windenergieanlage mit der Leitwarte.

Erfolgreiche Umsetzung

„Das erste gemeinsame Projekt mit der neuen Automatisierungslösung konnten wir als Team erfolgreich umsetzen‟, freuen sich Schubert und Liebert. Solutions 4 Energy konnte sein erworbenes Know-how einbringen und es in großen Teilen der Projektplanung direkt anwenden. Das Bibliothekskonzept hat diesen Prozess unterstützt und die bequeme, mehrmalige Verwendung der Steuerungs- oder Visualisierungsfunktionen ermöglicht. Für die schnelle und einfache Realisierung neuer Projekte und anderer Anwendungen müssen die Bibliotheksmodule lediglich kopiert werden. „Wir sind sicher, dass weitere gemeinsame Projekte folgen“, versichert Thomas Schubert, Geschäftsführer Solutions 4 Energy GmbH.