Der Embedded-PC im Turmfuß sammelt und verarbeitet alle Daten, kontrolliert die Netzeinspeisung und kommuniziert mit der Leitwarte. Sicherheits- und Messtechnik sowie Condition Monitoring werden über entsprechende I/O-Module nahtlos in die Steuerung integriert. An den Leitrechner sind – via EtherCAT – der Umrichter im Turmfuß, das I/O-System zur Betriebsführung in der Gondel und der Pitch-Controller in der Nabe angebunden. Unterlagerte Feldbusse zur Ansteuerung von Subsystemen werden über Schnittstellen ins Feld verlagert. Die durchgängige Nutzung von EtherCAT beschleunigt die Kommunikation, gleichzeitig vereinfachen sich Projektierung, Programmierung und Verkabelung der Windenergieanlage. Offene Schnittstellen in Hard- und Software erlauben die durchgängige Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud.
Für die Betriebsführung in Turmfuß und Gondel steht eine vollständige Lösung in Hard- und Software zur Verfügung, die mit TwinCAT 3 in IEC 61131, C/C++ und/oder MATLAB®/Simulink® programmiert wird. Die Anbindung an übergeordnete Leitsysteme erfolgt über international genormte Fernwirkprotokolle. Auf dem PC sind Server für den Remote-Access integriert, die den Fernzugriff auf die Steuerung erlauben. Über TwinSAFE wird die traditionell hart verdrahtete, überlagerte Sicherheitskette in die Automatisierung integriert. Die Kommunikation zwischen Turmfuß und Gondel wird kostengünstig und flexibel mit EtherCAT realisiert. Für Pitchsysteme von Windkraftanlagen steht eine komplette Steuerungslösung zur Verfügung. Die hutschienenmontierbaren Embedded-PCs mit angereihten EtherCAT-I/O-Klemmen- oder -Box-Modulen in IP67 eignen sich optimal zur Kollektiv- oder Einzelblattverstellung der Rotorblätter. Encoder-Klemmen für alle Arten von Blattwinkelgebern sind als Standard verfügbar.
Beckhoff Technologie-Highlights für Pitchregelung und Betriebsführung
Durchgängige Steuerungsplattform für Windkraftanlagen
Die Beckhoff Steuerungsarchitektur passt perfekt zum Anforderungsprofil der Windenergiebranche: Offenheit und Skalierbarkeit, Flexibilität beim Steuerungsdesign und ein hoher Integrationsgrad. Für alle Produktbereiche, von den Industrie- und Embedded-PCs, über die Bedienpanels und die I/O-Komponenten bis hin zur Automatisierungssoftware, bieten wir leistungsmäßig exakt skalierbare, modulare Lösungen. Schnittstellen für alle gängigen Feldbusse und die große Signalvielfalt unserer I/O-Module decken alle für die Windkraft relevanten Signalarten und Feldbussysteme ab. Wie aus einem Baukasten kann der Anwender aus Beckhoff Standardkomponenten eine leistungsgerechte Steuerung für seine Windenergieanlage konfigurieren. Auch nachträgliche Erweiterungen und Änderungen sind aufgrund der Modularität dieser Lösung problemlos und ohne großen Kostenaufwand möglich. Die integrierte PC-Steuerungsplattform eliminiert die Black Boxes hardwarebasierter Sicherheits- oder Überwachungslösungen und sorgt für ein effizientes Zusammenwirken aller Systemkomponenten. Die Vorteile auf Seiten des Nutzers sind die erhöhte Verfügbarkeit und damit die Effizienz seiner Windenergieanlage sowie die Reduktion von Hardware- und Engineering-Kosten. Das Aufsetzen unserer Technologie auf industriellen Kommunikationsstandards, wie der IEC 61400-25, Ethernet TCP/IP und OPC, gewährleistet dem Anwender darüber hinaus eine hohe Investitionssicherheit.
Mit PC-based Control profitieren Sie von:
- einer durchgängigen Steuerungsplattform für Betriebsführung, Pitch-Control, Parkvernetzung und Azimut-System
- hoher Flexibilität beim Steuerungsdesign
- leistungsmäßiger Skalierbarkeit
- modularer Erweiterbarkeit
- reduzierten Hardware- und Engineering-Kosten
- erhöhter Effizienz und Wirtschaftlichkeit
- verbesserte Wettbewerbsfähigkeit
Embedded-PCs für Windenergieanlagen: robust, lüfterlos und hoch performant
Als zentrale Komponente der Windenergieanlagen-Steuerung bietet sich die Verwendung der von uns eigens entwickelten und gefertigten Embedded-PCs an. Die Geräteserie CX vereint die Welten von Industrie-PC und Hardware-SPS und ist für Steuerungsaufgaben in jedem Leistungsbereich geeignet. Alle Geräte der CX-Baureihen sind speziell für den industriellen Einsatz konzipiert, d. h. sie sind shock- und vibrationsfest, EMV-optimiert und im erweiterten Temperaturbereich einsetzbar. Direkt montierbar auf der Hutschiene im Schaltschrank lässt sich der Embedded-PC durch das Anreihen von EtherCAT-I/O-Modulen beliebig erweitern. Der lüfterlose Aufbau sowie einfach austauschbare Speichermedien erlauben einen wartungsarmen Einsatz.
Das Embedded-PC-Portfolio bietet verschiedene Prozessorklassen: vom Ein-Chip-System bis hin zu Multi-Core-Server-CPUs mit dedizierter GPU. Hinzu kommen die Optionen für diverse Komponenten, wie Arbeitsspeicher, Speichermedien, Schnittstellen und Betriebssystem, um für jede Anwendung die optimale Konfiguration mit bestmöglichem Preis-Leistungs-Verhältnis einzusetzen. Aufgrund eigener Motherboard- und BIOS-Entwicklung sowie der Inhouse-Produktion sind wir in der Lage, CPUs und Komponenten einzusetzen, die als Embedded-Komponenten für mindestens 10 Jahre verfügbar sind. Danach beginnt ein Servicezeitraum von weiteren 10 Jahren. Währenddessen bleiben Ersatzgeräte und Ersatzteile für unsere Kunden verfügbar, wodurch eine Lebenszeit von mindestens 20 Jahren im Markt abgedeckt wird.
EtherCAT-Klemmensystem für effiziente Ein- und Ausgabesignale sowie unterlagerte Feldbussysteme
Der EtherCAT-Feldbus ermöglicht eine performante Kommunikation über Ethernet. Sie erfolgt durchgängig, ohne den Einsatz von Kopplern oder Konvertern, über Kupfer- und Lichtwellenleiter mit allen Teilnehmern. Dabei kann jede Verbindung, jeder Übertrager und jeder Teilnehmer im Detail überwacht und diagnostiziert werden, um etwaiges Fehlverhalten unmittelbar zu erkennen und die Ursache zu ermitteln.
Durch das breite Portfolio an Feldbuskomponenten können I/O-Klemmen als EtherCAT-Slaves frei verteilt und über beliebige Topologie in der Anlage 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 aber 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.
TwinCAT als Automatisierungs- und Laufzeitumgebung für die Betriebsführung
Die Automatisierungsumgebung TwinCAT 3 ist integriert in das Microsoft Visual Studio 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®/Simulink® oder eine beliebige Kombination aus diesen Möglichkeiten 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. Dabei werden die I/O-Komponenten genauso modular angebunden und in der Software frei mit den TwinCAT-Modulen verknüpft. Die entwickelten Softwaremodule sind unabhängig von der eingesetzten Hardware, auf verschiedensten CPUs, wie auch in Kombination mit verschiedensten I/O-Komponenten und Feldbussystemen verwendbar.
Offene Schnittstellen ins Feld: zu übergeordneten Systemen und bis in die Cloud
Die offenen und modularen Schnittstellen von TwinCAT 3 unterstützen nicht nur die interne sowie die Kommunikation zu den I/Os, sondern auch die Anbindung unterlagerter oder übergeordneter Systeme. So können Subsysteme oder parallele Systeme sowie Monitoringsysteme direkt mittels EtherCAT oder über Feldbusse wie CANopen, PROFIBUS und PROFINET angebunden werden. Aber auch die Integration in einen Windpark 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, IEC 61850 oder das IEC 61400-25 sind aufgrund der Offenheit der Plattform problemlos möglich. Darüber hinaus können IoT-Technologien eingesetzt werden, um Daten von einer großen Anzahl an verteilten Anlagen zu sammeln, diese zum Beispiel über MQTT zu kommunizieren oder − direkt über z. B. SQL − in eine Datenbank zu schreiben, um auch Flotten zu verwalten und Cloud-Szenarien umzusetzen.
TwinSAFE integriert die Sicherheitskette in die Betriebsführung und das EtherCAT-System
Mit der Sicherheitslösung TwinSAFE lassen sich die in Windenergieanlagen geforderten Sicherheitsvorkehrungen nahtlos in die Betriebsführung und die PC-basierte Automatisierung integrieren. Die I/O-Klemmen für die sicherheitsgerichtete Kommunikation und die Einbindung sicherheitsrelevanter Sensoren und Aktoren können einfach im EtherCAT-System verteilt, bzw. in den Klemmenstrang eingereiht werden. Dadurch ist keine zusätzliche Verkabelung nötig. Ebenso werden auch keine weiteren Komponenten zwischen Gondel und Turmfuß gebraucht, da die existierende EtherCAT-Verbindung zur Übertragung der sicherheitsgerichteten Signale einfach mitverwendet wird.
Über eine programmierbare Logik lassen sich logische Verknüpfungen der sicheren I/Os untereinander herstellen und mittels Sicherheitsfunktionsbausteinen die entsprechenden Anwendungen realisieren.
Beckhoff Produkt-Highlights für Pitchregelung und Betriebsführung
TwinCAT 3 Wind Framework: das komplette Softwarepaket zur Automatisierung von Windenergieanlagen
Das modulare Softwarepaket umfasst alle notwendigen Funktionen und Tools für ein modernes und effizientes Engineering von Windenergieanlagen. 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 Windenergieanlage, die zu einem Betriebsausfall führen könnten, frühzeitig erkennen, wodurch die Verfügbarkeit der Anlage erhöht wird. Die vorgefertigten Softwaremodule und Applikations-Templates 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 die Entwicklungsarbeit auch durch die Aufteilung im Team: Entwicklung und Tests an kundenspezifischen Modulen können parallel durchgeführt werden und leisten damit einen weiteren Beitrag zu einer kürzeren Time-to-Market. 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 der Windenergie
Auch für extreme Temperaturen und Belastungen: Beckhoff Standard-Komponenten
Im Verlauf der letzten Jahre hat Beckhoff das Portfolio seiner Steuerungen immer weiter ausgebaut. Mittlerweile sind alle Embedded-PCs der Baureihen CX5xxx, CX20x0, CX9xxx und CX8xxx für den erweiterten Temperaturbereich von -25 °C bis 60 °C zugelassen. Analog dazu erfüllen sämtliche I/Os (EtherCAT- und Busklemmen), die für die Steuerung einer Windenergieanlage erforderlich sind, diese Temperaturanforderungen. Zudem bietet Beckhoff für besonders sensitive EMV-Bereiche in der Windenergieanlage Klemmen mit erweitertem Surgeschutz an.