A PC-alapú vezérléssel ellátott szélturbinákkal működő „alpha ventus”

Tíz évvel ezelőtt Németország az „alpha ventus” létesítmény felavatásával belépett a tengeri szélenergia-hasznosítás korszakába. Ez volt egyúttal világszerte az első olyan szélerőmű, amely mélytengeri körülmények között kezdte meg üzemelését.

Az elmúlt tíz év alatt az erőmű tengeri transzformátorállomásra csatlakozó 12 turbinája 2,1 TWh zöld energiát táplált a német energiahálózatba. A turbinák közül hatot a Siemens Gamesa Renewable Energy (Adwen, korábbi nevén Areva) szállított. Ebben az interjúban Bernd Zickert, az Adwen Technology munkatársa kifejti, hogyan használják ezekben a rendszerekben a Beckhoff PC-alapú technológiáját.

Milyen Beckhoff termékeket használnak az „alpha ventus” szélerőműben?

Bernd Zickert: Az általunk telepített turbinákban elsősorban a Beckhoff termékeit használjuk. A 2006-os második prototípusrendszer alapvető architektúráját PC-alapú vezérlésre építettük. Mivel akkor még nem állt rendelkezésre minden szükséges EtherCAT terminál, vagy nem volt velük elegendő üzemi tapasztalat, úgy döntöttünk, hogy a be/kimeneti eszközök kezeléséhez egy BK1120 típusú EtherCAT buszcsatolót és K-Bus terminálokat, a gondolában és a rotoragyban pedig egy EL6731 típusú PROFIBUS master/slave terminálokkal ellátott, EK1100 típusú EtherCAT buszcsatolót használunk. Ez nagyszerű kompromisszumnak bizonyult, mert az első perctől ki tudtuk használni a magasabb szintű buszrendszerként működő EtherCAT költségmegtakarítási lehetőségeit és műszaki képességeit. A gondolában elhelyezett két PROFIBUS master-egységhez nem kellett külön számítógépet beszerezni és konfigurálni: ezt a funkciót intelligens és költséghatékony módon két EL6731 típusú terminállal oldottuk meg.

Akkoriban milyen ipari PC-ket választottak?

Bernd Zickert: A fő számítógép egy C6515 típusú, fixen beépített, ventilátor nélküli, Windows CE operációs rendszert futtató ipari PC. Ez vezérli többek között a PROFIBUS slave-ként működő fő transzformátort, a középfeszültségű kapcsolóberendezést és a légkeringető frekvenciaváltóját. A slave-egység Windows CE operációs rendszert futtató CX9000 típusú beágyazott PC, amely egy BK3150 típusú kompakt PROFIBUS buszcsatolón keresztül kommunikál a rotorlapátok szögét állító frekvenciaváltókkal. Az üzemi adatok turbinák közötti cseréje valós idejű Ethernet-kapcsolaton keresztül zajlik, és az adatokat a rendszer az IEC 61400-25 adatátviteli szabvány szerint továbbítja a szélerőműrendszer magasabb szintű felügyeletéhez. Használunk továbbá egy OPC UA szervert a közvetlen megjelenítéshez, Modbus TCP/IP kommunikációt az erőátvitel, a fő csapágyak és a lapátok állapotát figyelő rendszerekkel folytatott adatcseréhez, valamint egy FTP-kiszolgálót az üzemi adatok vagy új PLC-verziók feltöltéséhez. A turbinákon belül EtherCAT kommunikációs protokollon keresztül folyik az adatforgalom. Mindegyik turbinának mintegy 1000 digitális és 400 analóg be/kimenete van. Ezzel a megoldással 10 ms hosszú feladatvégrehajtási ciklusidőt értünk el. Mivel a valós idejű terhelés jelenleg 30% alatti, a jövőbeni fejlesztésekhez elegendő erőforrás áll rendelkezésre.

Németország első tengeri szélerőműve, az „alpha ventus” 2010 áprilisában állt üzembe (© DOTI 2010 / alpha ventus / Picture: Matthias Ibeler)

Milyen gyakorlati tapasztalatokat szereztek a Beckhoff technológiájával?

Bernd Zickert: A PC-alapú vezérlés szárazföldi prototípus-kísérletei során egységesen jó tapasztalatokat szereztünk, amiket a jelen projekt teljes egészében visszaigazolt. Az alapokat jórészt már definiáltuk a három szárazföldi prototípusnál és az M5000-116 típusú, környezetszimulációs (HIL) tesztturbina telepítésekor. Az „alpha ventus” projektbe tehát be tudtuk építeni a fejlesztés, a funkcionális tesztelés, az üzembe helyezés és az üzemeltetés tapasztalatait. A Beckhoff rendszerelemei tíz év múltán is megbízhatóan működnek, csak néhányat kellett lecserélnünk. Komoly előnyük, hogy a be/kimeneti egységeik modulárisak és rendkívül rugalmasak, továbbá a teljes rendszer könnyen karbantartható távolról, és nagyszerű részletes diagnosztikai lehetőségekkel, illetve számítási teljesítménnyel rendelkezik.

Vannak-e a vezérlőszoftvernek sajátos előnyei?

Bernd Zickert: A szélturbinák PLC-programjait TwinCAT 2 szoftverben fejlesztettük ki. A PLC-t futtató valós idejű környezet és a rendszerkezelő szétválasztása révén a kezdetektől függetleníteni tudtuk a PLC-programot a konkrét hardvertől. Ezzel a megoldással egyetlen PLC-programmal képesek vagyunk kiszolgálni az összes M5000-116-alapú turbinaprojektünket, függetlenül azok konkrét alkalmazásától és követelményeitől, sőt, az egyes hardverrendszerek eltérő felépítésétől is. Ugyanazok a PLC-programok futnak az összes M5000-116-alapú, 02-től 130-ig terjedő sorozatszámú turbinánkon, valamint az összes M5000-135 típusú, 01 és 71 közötti sorozatszámmal rendelkező turbinánkon. Ez az egységesítés nagy előnyökkel jár a program karbantartása, a hibaokfeltáró elemzés (RCA), továbbá a hibamód- és hatáselemzés (FMEA) terén. Mindezeknek köszönhetően minden ügyfelünk számára megengedhető utólagos kiegészítéseket és optimalizálásokat tudunk kidolgozni.

Milyen mértékben valósítottak már meg IoT-koncepciókat a szélerőműben?

Bernd Zickert: Az IoT általános célkitűzéseit tekintve a legfontosabb lépéseket többé-kevésbé tudatosan már a kezdetektől megvalósítottuk. Mindegyik turbinának akár három, fizikailag külön IP-hálózata is lehet, ami összesen mintegy 15 számítógépet jelent. A turbinák egy tengeri transzformátorállomásra csatlakoznak 33 kV-os vízalatti kábelekkel, amelyek optikai vezetékeket is tartalmaznak a különféle hálózatok számára. Ezek az optikai szálak a tengeri transzformátorállomás kommunikációs szekrényében végződnek, amelyet mi terveztünk, és a Beckhoff épített meg. A transzformátorállomástól a szárazföldre egyetlen 110 kV-os, optikai vezetékeket is tartalmazó vízalatti kábel juttatja el az energiát. Mindegyik hálózat nyilvános IP-címről érhető el. Az összes turbina önállóan egy központi adatbázisba írja be az üzemi adatait – például a mérési adatokat, a részletes hibanaplókat, a tájékoztató üzeneteket, a figyelmeztetéseket, a hibaüzeneteket és a paraméterváltoztatásokat. Meggyőződésem, hogy az automatikus hibaelemző eszközök nagy lehetőségeket rejtenek magukban az üzemeltetés és a szolgáltatás javítása terén. Az üzemi adatok automatikus eljuttatása és központi tárolása máris biztosítja az ehhez szükséges alapokat.

Bernd Zickert, az Adwen Technology vállalat AD5-116/AD5-135 rendszerekért felelős ügyfélszolgálati mérnöke

Hogyan vált be a Beckhoff vállalattal folytatott együttműködés és közös munka?

Bernd Zickert: Az „alpha ventus” szélerőmű M5000-116 típusú turbinájának fejlesztéséhez már néhány évvel a program elindulása előtt lefektettük az alapokat, és az első szárazföldi prototípust már 2004. végén üzembe állítottuk a Multibrid fejlesztővállalat megbízásából. Ennél az automatizálási megoldásnál már a Beckhoff be/kimeneti egységeit használtuk. A szélturbinák egységes, nyílt, rugalmas, kiváló jellemzőkkel rendelkező és jövőbiztos automatizálási megoldásának kialakításához a második prototípustól kezdődően 2005. végén a Beckhoff vállalattól rendeltük meg a vezérlőrendszert és a vezérlőszekrényt. Az M5000-116 turbina 2006. decemberében üzembe állított második szárazföldi prototípusa Beckhoff gyártmányú, CX1020/CX9000 típusú vezérlőkkel működött. A Beckhoff kezdettől fogva a projekt aktív résztvevője volt; például a teljes turbina automatizálási rendszerét és az M5000-116 környezetszimulációs (HIL) elrendezését egyidejűleg kellett kifejlesztenie, valamint a kezelőfelületi keretrendszer C# nyelvű fejlesztését, a vezérlőszekrény megtervezését és megépítését, továbbá a helyszíni funkcionális teszteket is a Beckhoff végezte. Komoly előnyt jelentett, hogy a Beckhoff nemcsak a vezérlőelemeket szállította, hanem a kisfeszültségű rendszer vezérlőszekrényét, valamint a tesztelési és üzembe helyezési fázishoz szükséges összes berendezésszekrényt is. A sokéves együttműködés mindkét vállalat számára kölcsönös előnyökkel járt.

Az M5000-116 turbina környezetszimulációs (HIL) tesztelő elrendezése, „alpha ventus” 2010

Meg tudná nevezni az együttműködés néhány főbb közbenső lépését?

Bernd Zickert: A Beckhoff 2008-ban kifejlesztette a külső szélerőmű-felügyeleti rendszerek illesztésére szolgáló IEC-61400-25-alapú szervert, amelyet tudomásom szerint elsőként az „alpha ventus” szélerőműbe építettek be. A Beckhoff kifejlesztette 2009-ben a PLC-t a szélturbina kezelőfelületéhez illesztő OPC UA szervert, valamint 2011-ben szélerőmű-felügyeleti rendszerünk tesztkörnyezetéhez első ízben végeztünk környezetszimulációs (HIL) szélturbina-vizsgálatot TwinCAT 3 szoftverrel. A 110/33 kV-os hálózati modulokat MATLAB^®/Simulink^® környezetbe képeztük le, és ehhez nagy segítséget nyújtott a Beckhoff támogatói csapata. Ezenfelül 2017-ben a szélerőmű-fel-ügyeleti rendszer melegtartalékának TwinCAT 3 szoftverrel történt megvalósításánál a szoftverfejlesztés oroszlánrészét a Beckhoff végezte el.

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.,
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.beckhoff.hu

még több Beckhoff