IT-basierte Kommunikation in Windenergieanlagen

Mehr Transparenz und höhere Effizienz

Ein IT-basiertes Automatisierungskonzept auf der Grundlage von Profinet bildet ein wesentliches Element für den Aufbau einer homogenen Automatisierungs-Landschaft, die mit einfachen, standardisierten Werkzeugen eine transparente Betriebsführung gestattet. Die Technologie erlaubt es, auch für die besonderen Anforderungen der Windenergie - die Kombination von schnellen Regelungen mit der Datenerfassung und Kommunikationsaufgaben in rauen Umgebungsbedingungen - wirtschaftliche Systeme zu realisieren.

Mit der Entwicklung von Einzel-Turbinen zu Anlagen der Megawatt-Klasse, die in großer Zahl in Windparks und Windpark-Clustern installiert werden, sind die Anforderungen an die Windenergieanlagen (WEA) deutlich gestiegen. Im Fokus steht dabei weiterhin die technische Betriebsführung mit dem Ziel, unter möglichst allen Umgebungsbedingungen eine optimale Energieerzeugung zu erreichen.

Von wachsender Bedeutung ist auch die Kommunikationsfähigkeit. Hersteller, Betreiber und Netzversorger möchten in Echtzeit mit den Anlagen kommunizieren, um beispielsweise Diagnosedaten sowie Performance- und Zustandswerte abfragen zu können oder die Anlagen aktiv in das Lastmanagement des Versorgernetzes einzubinden.

Das wird mit der stetig steigenden Zahl einspeisender Windparks immer wichtiger, denn die Netzversorger verschärfen weltweit die Einspeisekriterien (Transmission Codes) für Windstrom. Daraus resultieren erhöhte Anforderungen an die Anlagen, denn sie müssen auf die Netzvorgaben schnell reagieren und technische Einrichtungen bereitstellen, um die vorgeschriebene Einspeisegüte nachweisen zu können. Vor diesem Hintergrund fordern die Betreiber und Netzversorger einen einheitlichen Kommunikationsstandard. Die bisherige Praxis verschiedener proprietärer Hersteller-Protokolle zog insbesondere in heterogenen Windparks einen hohen Anpassungsaufwand nach sich. In langjähriger Normungsarbeit wurde schließlich die IEC 61400-25 als ein speziell für WEA und Windparks geltender Kommunikationsstandard definiert. Aufbauend auf der IEC 61850, dem Übertragungsprotokoll für Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik, setzt die IEC 61400-25 auf Diensten des TCP/IP–Protokolls auf und nutzt somit die TCP/IP–Infrastruktur, zu der auch Ethernet für lokale Netze zählt.

Aktuell implementieren die Hersteller weitreichende Funktionen zur Fernwartung und -diagnose in ihre WEA, die von der IEC 61400-25 nicht abgedeckt werden. Dazu gehören das zyklische Übertragen von speziellen Messwerten aus der Anlage zum Service-Center oder die Anlagen-Visualisierung auf dem Notebook des Service-Technikers. Auch in diesem Bereich setzen sich die flexiblen und schnellen IT-Dienste wie Web-Services, FTP-Filetransfer oder die direkte Datenbank-Kommunikation durch. Deshalb werden bei Neuinstallationen in Windparks durchgehend Netzwerk-Verbindungen - meist in Form von Glasfaserleitungen - zu den Anlagen gelegt, um zumindest innerhalb des Parks eine leistungsfähige Netzwerk-Infrastruktur zu schaffen.

Die in den WEA verwendete Steuerungstechnik basiert zumeist auf einer zentralen Intelligenz, die mit den verteilten Subsystemen wie Pitch-Controllern, Umrichtereinheiten oder Anzeigesystemen entweder über etablierte Feldbusse oder ein herstellereigenes System kommuniziert. Eine vorhandene Ethernet-Schnittstelle unterstützt in der Regel nur Programmierfunktionen oder den proprietären Datenaustausch mit einem OPC-Server. Für die von außen über den Glasfaser-Anschluss kommenden Kommunikations-Dienste wird somit ein zusätzliches Gateway benötigt. In der Praxis handelt es sich dabei zumeist um einen entweder in der Windpark-Zentrale oder direkt in der WEA installierten Industrie-PC, der alle Dienste zwischen Anlagen-Controller und Netzwerk per Software umsetzen muss. Die Steuerung fungiert also auch als Kommunikations-Stellvertreter für die Subsysteme der WEA, was zusätzliche Rechenleistung beansprucht. Damit entsteht bereits innerhalb der Anlage eine Kommunikationspyramide, die keine direkte vertikale Kommunikation erlaubt.

Im Vergleich dazu erweist sich eine auf dem Profinet-System aufbauende Steuerungsarchitektur als flexibel und einfach. Die TCP/IP-Kommunikation läuft in jedem Profinet-Netzwerk parallel zur Übertragung der Profinet-Echtzeit-Daten. Umgekehrt integriert sich Profinet nahtlos in die Ethernet-Welt. Dabei sind unterschiedliche Netzwerk-Topologien möglich:

  • eine klassische Sternverkabelung wie in der Gebäudeinstallation üblich
  •  Liniensysteme, die sich für die Steuerungsperipherie anbieten
  •  hochverfügbare Ringe oder Maschen mit Medien-Redundanz, die insbesondere für das Windpark-Netzwerk geeignet sind.

Durch den einfachen Wechsel auf andere Übertragungsmedien wie Glas- oder Polymerfaser lassen sich große Distanzen im Windpark oder die Strecke vom Turmfuß bis in die Gondel überbrücken. Außerdem erhält der Anwender automatisch eine Potenzialtrennung und Resistenz gegen elektromagnetische Störungen.

Die Profinet-Spezifikationen ergänzt den Ethernet-Standard um wichtige Funktionen für die Parametrierung, Inbetriebnahme und Diagnose einer Anlage. Ein Beispiel ist die Adressierung von Netzwerkteilnehmern, die im Gegensatz zur umständlichen Einstellung der Adresse am Gerät auf einer komfortablen Namensgebung innerhalb des Engineering-Werkzeugs basiert. Durch die automatische Gerätekonfiguration nach einem Komponententausch reduzieren sich Stillstandszeiten erheblich. Über das Link Layer Discovery Protocol (LLDP) erkennt die Steuerung den Ersatz eines Teilnehmers und konfiguriert das neue Gerät sofort nach dessen Hochlauf.

Phoenix Contact setzt die systemischen Voraussetzungen von Profinet mit innovativen Komponenten in ein IT-basiertes Automatisierungskonzept um. Herzstück der WEA ist dabei der Remote Field Controller RFC 470 PN 3TX. Das auf einer robusten PC-Architektur aufgebaute High-End-Gerät unterstützt viele der von WEA-Betreibern und Netzversorgern geforderten Funktionen. So beinhaltet das gemäß IEC 61131 programmierbare Laufzeitsystem bereits einen optimierten Profinet IO-RT Controller Stack, der die gesamte Profinet-Peripherie bedient. Parallel dazu ist über einen Web-Server ein schneller Zugriff auf die Prozessdaten der Steuerung möglich. Mit einem einfachen Software-Tool kann in kurzer Zeit ein komplettes „Webbased Management“ der WEA realisiert werden. Die steckbare Flashkarte bietet ausreichend Speicherplatz für das verschlüsselt abgelegte Applikationsprogramm sowie die Archivierung oder Zwischenspeicherung anlagenrelevanter Daten. Über einen geschützten FTP-Zugang lässt sich der Speicher in ein Remote-Datensystem spiegeln, wobei aufgezeichnete Daten als Dateien heruntergeladen werden.

Bibliotheken für das Daten-Logging, Alarm- und Event-Management oder den Email-Versand von Nachrichten verkürzen das Software-Engineering im Bereich der kommunikativen Aufgaben. Ist der RFC 470 PN 3TX via TCP/IP-Protokoll mit dem Service-Zentrum verbunden, können Daten der WEA direkt in eine SQL-Datenbank geschrieben werden. Die Controller-Architektur gestattet darüber hinaus die Einbindung von Bibliotheken in C/C++, so dass sich bereits zertifizierte Regelalgorithmen weiterhin nutzen lassen. Phoenix Contact arbeitet außerdem an der Implementierung des IEC 61400-25-Standards.

Die beiden Ethernet-Schnittstellen des RFC 470 PN 3TX ermöglichen verschiedene Netzwerk-Integrationsmodelle. In einer Single-LAN-Struktur fungiert die Steuerung als normaler Teilnehmer in einem flachen WEA-Netzwerk. Die einfache Struktur erlaubt den direkten Zugriff auf alle Geräte. Ist eine Trennung der Netze gewünscht, kommuniziert der eine Ethernet-Port extern, während die zweite Schnittstelle das eigenständige Profinet-Netzwerk in der WEA betreibt. Über eine SNMP-Bibliothek wird der Controller in ein Netzwerkmanagement-System und damit in die vorhandene IT-Landschaft integriert.

Die in der WEA verbaute Sensorik und Aktorik wird über die Module des Inline-Installationssystems an die Steuerung angekoppelt. In dem Automatisierungsbaukasten stehen für die verschiedenen E/A-Funktionen entsprechende Klemmen zur Verfügung. Jede Inline-Station hat einen Profinet-Kommunikationskopf, in den zwei Ethernet-Schnittstellen implementiert sind, so dass sich ohne zusätzliche Switches eine Linienstruktur aufbauen lässt. Neben den E/A-Daten werden auch detaillierte Diagnose-Informationen von den Inline-Modulen via Profinet an die Steuerung und/oder das Service-Center es Herstellers übertragen.

Komfortabel erweist sich das Ethernet-basierte System auch im Bereich Bedienen und Beobachten. Ist ein Netzwerkanschluss vorhanden, kann die WEA von verschiedenen Stellen aus über ein kleines Ethernet-Bedienpanel mit integriertem OPC-Server, ein Web-Panel, einen Industrie-PC oder ein Notebook visualisiert werden.

Ohne ergänzende Sicherheitsmaßnahmen ermöglicht die flache und durchgängige Infrastruktur den einfachen Zugang zu allen Systemen der WEA. Um Missbrauch durch unbeabsichtigte oder unberechtigte Zugriffe von innerhalb und außerhalb des Netzwerks zu vermeiden, sollten die hutschienenmontablen Security-Geräte der MGuard-Produktfamilie von Phoenix Contact eingesetzt werden. Der FL MGuard RS kombiniert beispielsweise eine leistungsstarke Firewall mit einem NAT-Router, Modem und VPN-Support. Mit der Security-Komponente wird der Zugang zum Windpark über DSL, ISDN oder das interne Netzwerk der WEA umfassend geschützt. Das für die industrielle Nutzung optimierte Gerät lässt sich per Web-Oberfläche einfach und schnell konfigurieren.

Der FL MGuard RS kann bis zu zehn VPN-Tunnel unter Verwendung des IPsec-Standards parallel betreiben. Die Technologie erlaubt das durch Verschlüsselung gesicherte logische Einbinden des Windpark-Netzes in das Netzwerk der Betreiber-Zentrale. Über die 1:1-Nat-Funktion lassen sich alle installierten WEA an das Windpark-Netzwerk ankoppeln, wobei die projektierten IP-Adressen der Teilnehmer einer WEA einem stets gleichen Produktionsschema unterliegen dürfen und insofern nicht angepasst werden müssen. Dies erspart erheblichen Konfigurationsaufwand bei der Inbetriebnahme im Park, denn mehrfach gleiche IP-Adressen der Teilnehmer sind nicht erlaubt.

 


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