PC-based Control: die durchgängige Steuerungsplattform für Gezeitenkraftwerke

Dank ihrer Offenheit, Skalierbarkeit und Flexibilität beim Steuerungsdesign passt die Beckhoff Steuerungsarchitektur perfekt zum Anforderungsprofil von Gezeitenkraftwerken. Für alle Produktbereiche, von den Industrie- und Embedded-PCs über die Bedienpanels und I/O-Komponenten bis hin zur Automatisierungssoftware TwinCAT, bietet Beckhoff leistungsmäßig exakt skalierbare, modulare Lösungen. Schnittstellen für alle gängigen Feldbusse und die große Signalvielfalt der Beckhoff I/O-Module decken alle für Gezeitenkraftwerke relevante Signalarten und Feldbussysteme ab. Wie aus einem Baukasten können Sie aus unseren Standardkomponenten eine leistungsgerechte Steuerung konfigurieren. Auch nachträgliche Erweiterungen und Änderungen sind aufgrund der Modularität möglich. Die integrierte PC-Steuerungsplattform eliminiert die „Black Boxes“ hardwarebasierter Sicherheits- oder Überwachungslösungen und sorgt für ein effizientes Zusammenwirken aller Systemkomponenten. So profitieren Sie von einer erhöhten Verfügbarkeit und Effizienz Ihres Gezeitenkraftwerks sowie einer Reduktion von Hardware- und Engineering-Kosten. Das Aufsetzen der Beckhoff Technologie auf industriellen Kommunikationsstandards, wie der IEC 61850, Ethernet TCP/IP und OPC, gewährleistet darüber hinaus eine hohe Investitionssicherheit.

Mit PC-based Control profitieren Sie von:

• einer durchgängigen Steuerungsplattform für Betriebsführung, Pitch-Control und Condition Monitoring
• hoher Flexibilität beim Steuerungsdesign
• leistungsmäßiger Skalierbarkeit
• modularer Erweiterbarkeit
• reduzierten Hardware- und Engineering-Kosten
• erhöhter Effizienz
• verbesserter Wettbewerbsfähigkeit

TwinSAFE: die modulare und skalierbare Safety-Lösung

Mit TwinSAFE stellt Beckhoff Entwicklern von Gezeitenkraftwerken ein durchgängiges zertifiziertes Sicherheitskonzept zur Verfügung, das alle sicherheitsrelevanten Funktionalitäten in die Standard-Steuerungsplattform integriert. Eine separate Sicherheitssteuerung wird damit überflüssig. Aufgrund ihrer Modularität und Vielseitigkeit fügen sich die TwinSAFE-Komponenten nahtlos in das Beckhoff Steuerungssystem ein. Die I/O-Komponenten sind in den Formaten EtherCAT-Klemme, EtherCAT-Steckmodul und EtherCAT-Box-Modul in Schutzart IP20 und IP67 verfügbar, wobei sich die sicheren Signale beliebig mit den für die eigentliche Automatisierung der Anlage erforderlichen Standardsignalen mischen lassen und die Standardsignale so für sicherheitstechnische Aufgaben nutzbar gemacht werden können. Die z. B. in den Richtlinien des DNV GL für die Zertifizierung von Gezeitenkraftwerken geforderten sicherheitsrelevanten Überwachungen von EStop, Drehzahl, Leistung oder Schock werden entweder in den TwinSAFE-Logikklemmen EL6900 oder EL6910 oder auf TwinSAFE-I/O-Klemmen mit integrierter TwinSAFE-Logik auf Basis von Standard-Safety-Funktionsbausteinen programmiert bzw. konfiguriert.

Highlights von TwinSAFE und FSoE:

• Verarbeitung digitaler und analoger Signale
• Integration sicherheitsrelevanter Funktionen in die bestehende Steuerungsarchitektur
• bestehende Steuerung kann FSoE-Kommunikation „mithören“, also auf sicherheitsrelevante Signale und Situationen reagieren, sie protokollieren oder kommunizieren
• Realisation sicherheitsgerichteter Erfordernisse unterschiedlicher Anlagenkonfigurationen in einer gemeinsamen TwinSAFE-Applikation: Optionen werden für jeweiligen Anlagentyp durch das sogenannte Customizing freigeschaltet
• EP1908: Erfassung von Drehzahlen ohne analogen Geber, Sicherheitsauslösung bei Überschreiten eines parametrierbaren Schwellwertes, zusätzliches Auslesen der analogen Drehzahlwerte über CoE (CAN over EtherCAT)
• Funktionalität auch bei Einsatz von EtherCAT-Kabelredundanz gewährleistet

EtherCAT: der Highspeed-Feldbus für Gezeitenkraftwerke

EtherCAT als Feldbussystem verfügt über alle erforderlichen Eigenschaften für die Steuerung und Signalübertragung in Gezeitenkraftwerken. Der EtherCAT-Feldbus ermöglicht eine performante und durchgängige Kommunikation mit allen Teilnehmern via Ethernet, ohne den Einsatz von Kopplern oder Konvertern. Dabei kann jede Verbindung, jeder Überträger und jeder Teilnehmer im Detail überwacht und diagnostiziert werden, um etwaiges Fehlverhalten direkt zu erkennen und die Ursache zu ermitteln.

Aufgrund seiner hohen Bandbreite übernimmt EtherCAT nicht nur die Verarbeitung sämtlicher Standardsignale, sondern auch hochgenaue Messtechnik- und Sicherheitstechniksignale. Feldbusmaster von Standardfeldbussen lassen sich problemlos im Feld realisieren. Dabei kann das System auch kabelredundant aufgebaut werden. EtherCAT lässt sich selbst in Subsystemen, welche höchste Anforderungen an die Geschwindigkeit und die Synchronität stellen, wie zum Beispiel in Umrichtern, einsetzen.

TwinCAT als Automatisierungs- und Laufzeitumgebung für die Betriebsführung

Die Automatisierungssoftware TwinCAT 3 ist in Microsoft Visual Studio integriert und erlaubt die Entwicklung der Applikationssoftware nach den Sprachen der IEC 61131-3, inklusive der objektorientierten Erweiterungen. Auch die Entwicklung in C/C++ oder die Integration von Algorithmen direkt aus MATLAB^® und Simulink^® stehen zur Verfügung. Die so entwickelten TwinCAT-Module können frei miteinander kombiniert und in der Laufzeitumgebung auf einem Industrie-PC oder Embedded-PC zur Ausführung gebracht werden. Die entwickelten Softwaremodule sind unabhängig von der eingesetzten Hardware auf verschiedenen CPUs wie auch in Kombination mit unterschiedichen I/O-Komponenten und Feldbussystemen verwendbar.

Die offenen und modularen Schnittstellen von TwinCAT unterstützen nicht nur die interne sowie die Kommunikation zu den I/Os, sondern auch die Anbindung unterlagerter oder übergeordneter Systeme. So können Subsysteme, parallele Systeme oder Monitoringsysteme direkt mittels EtherCAT oder über Feldbusse wie CANopen, PROFIBUS und PROFINET angebunden werden. Aber auch die Integration in eine größere Parkstruktur über Feldbussysteme wie EtherCAT oder PROFINET oder die Anbindung an ein SCADA-System über Protokolle wie Modbus TCP, OPC UA sowie über die Fernwirkprotokolle IEC 60870 oder IEC 61850 sind problemlos möglich. Darüber hinaus können IoT-Technologien eingesetzt werden, um Daten von verteilten Anlagen zu sammeln, diese z. B. über MQTT zu kommunizieren oder − direkt über SQL − in eine Datenbank zu schreiben, um auch Parks zu verwalten und Cloud-Szenarien umzusetzen.

Steuerungsintegriertes Condition Monitoring steigert die Effizienz und Verfügbarkeit von Gezeitenkraftwerken

Der Betrieb und die Wartung von Gezeitenkraftwerken verursachen hohe Kosten. Um diese wettbewerbsfähig zu halten, müssen die Ausfallrisiken minimiert, die Wartungskosten gesenkt sowie die Anlagenverfügbarkeit und die Energieeffizienz gesteigert werden. Hier kommt Condition Monitoring zur Überwachung von Getrieben und Generatoren ins Spiel: Mit den leistungsstarken Prozessoren unserer modernen PC-Technologie und dem schnellen Kommunikationssystem EtherCAT lässt sich Condition Monitoring nahtlos in die Steuerung integrieren. Dabei werden die Schwingungen von Lagern oder elektrischen Maschinen von unseren Standard-Messtechnikklemmen erfasst und über EtherCAT an die Steuerung übertragen. Konfiguration, Programmierung und Diagnose erfolgen mit TwinCAT in einem System.

Das steuerungsintegrierte Condition Monitoring ist den klassischen hardwarebasierten Condition-Monitoring-Lösungen durch eine bessere Fehlererkennung und die ganzheitliche Systembetrachtung überlegen. Indem weitere Signale der Betriebsführung, wie Temperatur, Druck und Strom, in die Steuerungsplattform integriert werden, lassen sich Fehlalarme vermeiden und die Fehlererkennung verbessern. Aber auch Kostensenkungen in Bezug auf die Systemkosten, den Installationsaufwand und die Wartung sprechen für ein steuerungsintegriertes Condition Monitoring. Bestehende Anlagen können einfach und kostengünstig nachgerüstet werden.

Steuerungsintegriertes Condition Monitoring bietet:

• zeitsynchrone Aufzeichnung aller Daten deutlich unter einer Mikrosekunde
• zuverlässige Datenanalyse
• verbesserte Diagnostik
• erhöhte Anlagenverfügbarkeit
• längere Lebensdauer von Windenergieanlagen
• geringere Wartungskosten
• geringere Systemkosten
• verbesserte Wettbewerbsfähigkeit

Leistungsstark und flexibel erweiterbar: die Embedded-PC-Serie für Steuerungsaufgaben in Gezeitenkraftwerken

Die kompakten Hutschienen-PCs der Serie CX mit direkt anreihbarer I/O-Ebene bieten eine platzsparende Steuerung im Schaltschrank. Das umfangreiche Produktspektrum an Embedded-Controllern von Beckhoff umfasst für jede Anwendung ein auf Budget, Leistungsklasse und Komplexität der Steuerungsaufgabe zugeschnittenes Gerät. Die einzelnen Geräte der CX-Serie unterscheiden sich, neben der CPU, in den verfügbaren Systemschnittstellen und Netzteilvarianten und lassen sich als modulares Steuerungssystem je nach Aufgabenstellung im Gezeitenkraftwerk zusammenstecken und erweitern.

Die CX-Familie umfasst mehrere CPU-Grundmodule mit unterschiedlichen Prozessoren zur leistungsgerechten Anpassung an die jeweilige Steuerungsaufgabe. Für hoch performante Anwendungen, welche z. B. die Messtechnik einschließen, bietet sich als lüfterlose Variante der CX2033 an. Die CX-Familie der Arm^® Baureihe wird gerne als Pitchregler in der Nabe eingesetzt.

EtherCAT-Klemmensystem für effiziente Ein- und Ausgabesignale

Durch das breite Portfolio an Feldbuskomponenten können I/O-Klemmen in Gezeitenkraftwerken als EtherCAT-Slaves frei verteilt und über beliebige Topologie eingebunden werden. Das umfangreiche I/O-Klemmenspektrum reicht von der Aufnahme einfacher digitaler und analoger Signale bis hin zur präzisen Messung von Schwingungen, Temperaturen oder Dehnungen und ermöglicht damit den Anschluss nahezu beliebiger Sensoren. Genauso können auch Aktoren, Antriebe sowie hydraulische Systeme über Ausgangsignale angesteuert werden. Die Integration von Subsystemen erfolgt einfach über unterlagerte Feldbussysteme, welche mittels Kommunikationsklemmen im Feld in das EtherCAT-System eingebunden werden.

Dabei sind die Feldbus- und I/O-Komponenten nicht nur zur Montage auf der Hutschiene in Schutzart IP20 verfügbar, sondern auch in IP65 zur Montage direkt an der Maschine. Das erlaubt die Platzierung der I/Os je nach Bedarf im Schaltschrank oder direkt bei den Sensoren und Aktoren, wie z. B. am Getriebe, am Generator oder in Subsystemen wie einem Hydraulik-Aggregat.

Durchgängig EtherCAT bis in die IP67-Welt

Mit den IP67-EtherCAT-Box-Modulen kommt die EtherCAT-Technologie ohne Schaltschrank zum Einsatz. Die robuste Bauweise sowie die hohe Schock- und Schwingungsfestigkeit der wasserdichten EtherCAT-Box-Module erlauben ihren Einsatz direkt an der Maschine, auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Dank ihrer kompakten Bauform eignen sich die EtherCAT-Box-Module besonders für Anwendungsfälle mit beengten Platzverhältnissen. In Gezeitenkraftwerken lässt sich durch ihren Einsatz direkt an den jeweiligen Aggregaten der Schaltschrank kleiner designen. Die Module der IP67-Serie haben durchgängig ein direktes EtherCAT-Interface, d. h. die hohe Performance bleibt bis in jedes Modul erhalten.

TwinCAT 3 Wind Framework: das komplette Softwarepaket zur Automatisierung von Gezeitenkraftwerken

Das für Windenergieanlagen entwickelte modulare Softwarepaket TwinCAT 3 Wind Framework umfasst auch alle notwendigen Funktionen und Tools für ein modernes und effizientes Engineering von Gezeitenkraftwerken. Alle Basisfunktionen sind in TwinCAT 3 in einfach verwendbare Bausteine gekapselt. Sie bilden eine Art Baukasten für den Programmierer und vereinfachen die Entwicklung der Anwendungssoftware. Neben den Grundfunktionen für Betriebsführung und Zustandsmaschine stehen Softwarebausteine für die Datenanbindung, Power- und Condition Monitoring sowie Simulation zur Verfügung. Die integrierte Datenbankanbindung „Big Data“ ermöglicht die umfassende Sammlung, Auswertung und Bereitstellung von Daten aus der Betriebsführung, dem Condition Monitoring und dem Power Management in Echtzeit. Alle Daten werden permanent aufgezeichnet, in der zentralen Steuerung zusammengefasst und detailliert analysiert. So lassen sich beispielsweise Verschleißerscheinungen an einzelnen Komponenten der Gezeitenkraftwerke, die zu einem Betriebsausfall führen könnten, frühzeitig erkennen, wodurch die Verfügbarkeit der Anlage erhöht wird. Die vorgefertigten Softwaremodule und Applikationstemplates sind getestet und erprobt und bieten eine hohe Qualität und Zukunftssicherheit. Einzelne Softwaremodule können – analog zu Veränderungen an der Hardware – hinzugefügt oder entfernt werden. Damit wird das Engineering maximal vereinfacht und der Entwickler kann sich bei seiner Arbeit auf die eigentlichen Anlagenfunktionen konzentrieren.

Optimiert wird das Engineering auch durch die Aufteilung im Team: Entwicklung und Tests an kundenspezifischen Modulen können parallel durchgeführt werden, was in einer kürzeren Time-to-Market resultiert. Mit der durchgängigen Nutzung der TwinCAT-Module und der einheitlichen 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, auch wenn diese von einem anderen Programmierer umgesetzt wurden.

Das TwinCAT 3 Wind Framework bietet:

• zukunftssichere Standardapplikationssoftware
• maximal vereinfachtes Engineering
• sichere und effiziente Softwareentwicklung
• erhöhte Softwarequalität und optimale Wiederverwendbarkeit
• deutlich reduzierte Time-to-Market
• tiefgreifende Überwachung und Interaktion
• dauerhaftes Aufzeichnen und Auswerten der Signale
• Nutzung der Industrie-4.0-Eigenschaften in Gezeitenkraftwerken