5 MW-os szélturbina TwinCAT 3-vezérlése
TwinCAT Wind Framework-alapú, rugalmas rendszer Kínában
Egy 5 MW teljesítményű szélturbina prototípusának megépítésekor az aerodyn cég a legújabb vezérlés- és szoftvertechnológiákra, többek között egy sokrétű, PC-alapú vezérlő rendszerre és az új, moduláris, TwinCAT Wind Framework környezetre támaszkodott. Ez utóbbi a nagy adatmennyiségek (Big Data) kezelésére szolgáló alkalmazásokkal az Ipar 4.0 irányelveit vezeti be a szélerőművek világába. A moduláris szoftver lehetővé teszi az érzékelők adatainak közvetlen átvitelét az üzemeltető adatbázisába, általában pedig megkönnyíti a szélturbinák felügyeleti műveleteinek illesztését jövőbeni elvárásokhoz is.
A németországi Rendsburgban működő aerodyn Energiesysteme GmbH. szakmérnökei szélturbinákat és rotorlapátokat fejlesztenek. A vállalat áttervezési és továbbfejlesztési szolgáltatásokat is nyújt, emellett már meglévő rendszertervek engedélyezésével is foglalkozik. Termékeinek alapját a saját maga által kidolgozott, moduláris, aeroMaster elnevezésű technológia adja, amely egy háromlapátos rotor, elektromosan állítható állásszögű lapátokkal és változtatható sebességű generátor-inverter fokozattal. Az aeroMaster különféle éghajlati körülményekhez és speciális szélviszonyokhoz igazodva háromféle változatban készül, így világszerte bárhol használható, még szélsőséges szélsebességeknél is.
A kínai Windey rendszergyártóval közösen megépített, 5 MW-os, tengerbe telepített turbina az első aeroMaster berendezés, amely TwinCAT 3 szoftverre és a TwinCAT Wind Framework rendszerre épül.
Az új, 139 méteres lapátátmérővel rendelkező, 5 MW névleges kimeneti teljesítményt szolgáltató, aeroMaster 5.0 modellt tengeri környezetben való üzemeléshez tervezték, a GL 2009 TC 2B dokumentumban szereplő szélsebességekhez. Ez azt jelenti, hogy 8,5 m/s-os átlagos szélsebességet és 16%-os turbulenciát kell elviselnie. A cég mérnökei az energiatermelés és üzembiztonság legmagasabb szintű követelményeinek teljesítésére törekedtek.
A kínai Windey rendszergyártóval közösen megépített prototípus a megbízhatóságot fokozó, tartalékolt alrendszereket, és a gondolán belüli korrózió megelőzése érdekében különleges légáramlási és klímaszabályozó megoldásokat tartalmaz, valamint a karbantartó technikusok munkáját segítő rámpa is található rajta.
A turbina prototípusának mind a toronybeli vezérlőszekrénye (jobboldalt), mind a gondolában található vezérlőszekrénye (baloldalt) egy Beckhoff CP2915 típusú, többérintéses vezérlőpanelt tartalmaz15” képátlójú érintőképernyővel.
Sokrétű vezérléstechnika az 5 MW-os elektromos rendszer számára
Az elektromos rendszert három kapcsolószekrény foglalja magában:
-
A toronybeli vezérlőszekrény a kezelőszerveket, a megjelenítő-rendszert és egy TwinSAFE-alapú biztonsági rendszert tartalmaz a szélfarm magasabb szintű kommunikációs rendszeréhez kapcsolódó berendezésekkel együtt.
-
Az utóbbiak EtherCAT-slave eszközök, amelyek soros alkalmazások kezelésére is fel vannak készítve.
-
A gondolában található vezérlőszekrény kezeli magán a gondolán belül és a kerékagyban elhelyezett érzékelőket, illetve beavatkozó szerveket, továbbá a lapátszögeket és az invertert.
-
A szintén a gondolában elhelyezett inverterszekrény egyes ventilátorok és szivattyúk invertereit, valamint a pozícióállításhoz szükséges hajtásokat tartalmazza.
A vezérlőrendszer „lelke” a toronyban elhelyezett, karbantartás során könnyen megközelíthető vezérlőszekrényben található. A Beckhoff CX2030 típusú, Intel® Core™ i7 processzorral rendelkező beágyazott számítógépe minden folyamatot önállóan, távoli beavatkozás nélkül „tart kézben”.
A Beckhoff C6930 típusú, Intel® Core™ i5 processzorral működő, és igény esetén 256 Gbájt méretű félvezetős háttértárat tartalmazó, vezérlőszekrénybe építhető ipari PC-je távvezérléssel érhető el. Ez a gép a távvezérlési műveleteken túlmenően a Beckhoff CP2915 típusú, 15” képátlójú vezérlőpanelje segítségével megfigyelési és megjelenítési feladatokat is ellát, sőt, igen nagy kapacitású félvezetős háttértárának köszönhetően hatékony adattárolási funkciókat is nyújt. Markus Rees, az aerodyn ügyvezető igazgatója így nyilatkozott erről: „Mindez különösen fontos egy prototípus esetében, amikor is lényegesen több adatot kell gyűjtenünk, mint normál üzemi körülmények között. A gondola vezérlőszekrényébe épített ipari PC és a megjelenítési műveleteket ellátó vezérlőpanel ugyanakkor kizárólag ebbe a prototípusba került be, a sorozatgyártott turbinákban nem lesz rájuk szükség.”
„A PC-alapú vezérlés nyújtotta rugalmasságból további előnyök következnek” – tette hozzá Rees. – „A moduláris be-kimeneti egységek rendkívül széles választéka igen nagymértékben segítségünkre volt. Összességében véve 408 adatgyűjtési pontot kezelünk, 218 digitális EtherCAT be-kimeneti egységgel, 110 analóg EtherCAT be-kimeneti egységgel, 9 CAN-master modullal, 2 RS485-ös interfésszel, valamint 31 be-kimeneti adatkapcsolati terminállal, 5 kódoló terminállal és 2 teljesítménymérő terminállal rögzítve és feldolgozva ezek információit. A felsoroltak mellett 33 TwinSAFE terminál felhasználásával alakítottuk ki az emberek és gépek védelmi rendszerét, amely többek között vészleállítást, túlsebesség és berezgések elleni védelmet, valamint pozíció-határhelyzet figyelési funkciót nyújt. A TwinSAFE kitűnő biztonsági megoldásnak bizonyult a szélturbinák esetében, mert az EtherCAT rendszeren keresztül biztosított kommunikációs mechanizmusával nagy távolságok is áthidalhatók, beleértve a száloptikás adatátvitelt is. A különféle rendszerek egybeintegrálása is könnyű, mert járulékos áramköri egységek beiktatása nélkül a vezérlőben mindenféle biztonsági adathoz hozzá lehet férni.”
„Az EtherCAT jól bizonyította használhatóságát szélturbinákban is, nem csupán azáltal, hogy a torony talapzata és a gondola közötti, sokszor a 100 m-t is meghaladó, nagy távolságok könnyedén áthidalhatók vele, hanem” – amint Rees kifejtette – „a tartalékolt kivitelű kábelezés és a hibakeresést megkönnyítő, széles körű diagnosztikai képességei miatt is. A felsorolt tulajdonságok együttesen megbízható kommunikációt tesznek lehetővé a turbina alapvető elemei között, sőt, egy új turbina még egy szélfarm magas szintű kommunikációs mechanizmusába is fennakadásmentesen integrálható. Így volt ez az éppen most telepített, egyetlen prototípus esetében is” – jegyzi meg Rees.
A toronybeli vezérlőszekrény Beckhoff CX2030 típusú beágyazott PC-je (baloldalt) a teljes rendszert vezérli, míg a Beckhoff C6930 típusú, vezérlőszekrénybe építhető ipari PC a prototípus-berendezés megjelenítési, felügyeleti és távoli hozzáférési műveleteiért felelős.
A modulrendszerű megoldások TwinCAT Wind Framework támogatása
Az aerodyn által kifejlesztett, aeroMaster 5.0 típusú szélturbina az első ilyen jellegű rendszer, amely a TwinCAT 3 szoftvergenerációra és az új, TwinCAT Wind Framework programrendszerre épül. Ez utóbbi a moduláris felépítéséből következően tökéletesen illeszkedik a szintén moduláris szerkezetű turbinához, melynek lapátszög-állító rendszerei, energia-átalakító fokozatai és generátorai különféle gyártóktól származhatnak. A TwinCAT Wind Framework erőssége abban rejlik, hogy a Beckhoff által nyújtott vezérléstechnikát és szélerőművekkel kapcsolatos szakismereteket célmodulokon keresztül, alkalmazásorientált sablon keretei között biztosítja. E célmodulok igen sokféle funkciót tartalmaznak a szélturbinák automatizálásához, emellett valósidejű hozzáférést engednek minden adathoz és hosszúidejű adatbázis-kezelési képességeket is tartalmaznak. Az alkalmazási sablon gyors és hatékony tervezést támogató, moduláris architektúrával rendelkezik. Markus Rees hozzáteszi: „A TwinCAT 3 Wind Framework lehetőségeit teljes mértékben kihasználva a szoftvert összekapcsoltuk egy Microsoft SQL Server adatbázissal. Mivel a programrendszer már számos kulcsfontosságú műveletet tartalmaz, újabb feladatok megvalósítására, módosítására és karbantartására nincs szükség. Mérnökeink így teljes mértékben a tényleges turbina-funkciókra összpontosíthatnak, az alapvető működési mechanizmusokkal viszont nem kell foglalkozniuk. Mindezek mellett a rendszer tartós, valósidejű adattárolási képességeinek köszönhetően jelentős mértékben egyszerűsíthetők mind az elemzési, mind a diagnosztikai műveletek. A TwinCAT 3 Wind Framework moduláris kialakításából következően pedig kiválthatók a különálló szoftverblokkok. Már meglévő funkciók egyszerűen újrafelhasználhatók, és újakkal is könnyen bővíthető a rendszer.”
Az 5 MW-os aeroMaster turbina rotorja kettős tengelycsapágyazású, és a hézagmentes csapágyak kedvező tulajdonságait ötvözi, ami ipari léptékkel mérve igen kisméretű gondola kialakítását teszi lehetővé – bár a kiterjedése még így is figyelemreméltó.
Markus Rees tájékoztatása szerint az aerodyn a TwinCAT 3 általános képességeiből fakadó lehetőségeket is kiaknázza: „Az extrém és normál terhelési viszonyok meghatározásához a szélturbina vezérlésének szimulációs algoritmusait egyszerűen át lehet emelni forráskód szinten, C++ modulként beépítve a szoftverrendszerbe. Emellett, a Visual Studio®-ba való integrálás következtében, és a Subversion segítségével biztosított forráskód-kezelés révén lényegesen könnyebb lett a projektek irányítása, ami a német és kínai mérnökök között határozottan gördülékenyebb együttműködést eredményezett.”
(A felvételek tulajdonosa és a szerzői jogok birtokosa: Beckhoff Automation)
BECHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 9940
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
