Sicheres Steuerungssystem mit selektiver Reaktion für Windenergieanlagen Korrekte kinematische Kette - KEM

Sicheres Steuerungssystem mit selektiver Reaktion für Windenergieanlagen

Korrekte kinematische Kette

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Per Definition handelt es sich bei einer Windenergieanlage um eine funktionsfähige Maschine, die in den Geltungsbereich der Maschinenrichtlinie (MRL) fällt, und für die eine Konformitätserklärung gemäß Anhang IIA ausgestellt werden muss. Durch das CE-Zeichen bestätigt der Hersteller die Konformität einer Maschine in Bezug auf die zutreffenden europäischen Richtlinien (EU-Richtli- nien) und die Durchführung aller für die Maschine vorgeschriebenen Konformitätsbewertungsverfahren.

Das CE-Zeichen ist nicht als Qualitätskriterium zu sehen. Der Hersteller drückt damit lediglich aus, dass seine Maschine den Mindestvorschriften der EU-Richtlinien in Bezug auf Sicherheit und Gesundheitsschutz genügt. Da die EU-Richtlinien nicht sofort automatisch in Länderrecht übergehen, müssen sie durch die Mitgliedsstaaten des europäischen Wirtschaftsraumes in nationales Recht übernommen werden. Zum Beispiel wurden in Deutschland die EMV-RL 2004/108/ EG durch das „Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln“ (EMVG), die Niederspannungsrichtlinie 2006/95/EG durch die „Erste Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (Verordnung über das Inverkehrbringen elektrischer Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen)“ (GSGV 1) und die MRL 98/37/EG durch die „Neunte Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (Maschinenverordnung)“ (GSGV 9) in nationales Recht umgesetzt. EU-Richtlinien, die in die jeweiligen nationalen Gesetze umgesetzt wurden, sind rechtlich verbindlich und müssen angewendet werden. Das gilt natürlich auch für die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EU, deren Bestimmungen seit dem 29. November 2009 angewandt werden müssen.

Sicherheit nicht in den Wind schreiben
Im Hinblick auf die sicherheitstechnischen Anforderungen an Windenergieanlagen ist die mehrteilige EN 61400 eine grundlegende Norm. Sie trifft im Teil 1 Aussagen zu den Sicherheitsanforderungen an eine Windenergieanlage. Die konsequente Anwendung von EU-Richtlinien hat im Bereich der Metallverarbeitung sowie des allgemeinen Maschinenbaus zu einer deutlichen Abnahme von meldepflichtigen Unfällen geführt. Es gibt zwei Gründe, die für eine stärkere Berücksichtigung sicherheitstechnischer Aspekte bei Windenergieanlagen sprechen. Vorrangig handelt es sich dabei um die in der EG-Maschinenrichtlinie definierten Anforderungen an die Sicherheit von Maschinen und Anlagen. Auch die Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergieanlagen der Germanischen Lloyd Windenergie GmbH (GL) macht Aussagen zu den funktionellen Anforderungen an das Sicherheitssystem hinsichtlich Redundanz und Zuverlässigkeit.
Investition rechnet sich
Der Früherkennung von Fehlern an einer Windenergieanlage kommt eine hohe Bedeutung zu. Rund 80 % aller Ausfälle gehen auf Schwingungen und Schwingungsbrüche zurück. Diese sind die Folge von ungünstigen Wechselwirkungen zwischen den Bauteilen einer kinematischen Kette, die trotz absolut korrekter mechanischer Dimensionierung der einzelnen Komponenten auftritt. Softwarelösungen, die zum Beispiel die vom ermüdenden Material ausgesendeten spezifischen Signale auswerten und entsprechende Meldungen an den Betreiber absenden, sind in Arbeit. Prinzipiell kann mit dieser Vorgehensweise nur verspätet reagiert werden. Ziel muss es somit sein, die an der Windenergieanlage auftretenden Wechselwirkungen und Grenzbelastungen bereits im Vorfeld zu erkennen und zu reduzieren.
Sicherheitskonzept für Windenergieanlagen
Den Ansatz Sichere Automatisierungstechnik verfolgt die W2E Wind to Energy GmbH mit Hauptsitz in Rostock. Das Unternehmen entwickelt komplette Windenergieanlagen der Multi-Megawatt-Klasse. Hinzu kommen Betriebsführung und Regelung bis zur Auslegung und Spezifizierung der elektrischen Systeme. Die Ergebnisse werden in Lizenz angeboten und versetzen potenzielle Kunden in die Lage, die entwickelten Windenergieanlagen zu produzieren, zu errichten, in Betrieb zu setzen und sie zu warten. Bei der Entwicklung der W90, einer 2,5-MW-Anlage mit 90 m Rotordurchmesser und einer Nabenhöhe von bis zu 160 m, setzte W2E die in der EN 61400–1 und in der Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergieanlagen der von der GL beschriebenen sicherheitstechnischen Anforderungen konsequent um. Wie in der oben genannten Richtlinie gefordert, stellt das Sicherheitssystem ein der Betriebsführung logisch übergeordnetes und davon konzeptionell unabhängiges System dar.
Die W90 ist seit mehreren Jahren erfolgreich im Einsatz und wurde vom GL folgende Normen betreffend zertifiziert:
  • Richtlinie für die Zertifizierung von Windanlagen
  • EN 61400–1, Windenergieanlagen Teil 1: Sicherheitsanforderungen
  • DIBT, Richtlinie für Windenergieanlagen, Einwirkungen und Sicherheitsnachweise für Turm und Gründung
Nach Anhang 1 der Maschinenrichtlinie (MRL) ist der Hersteller einer Maschine vor deren Bau verpflichtet, mit einer Gefahrenanalyse oder Risikobeurteilung zu beginnen. Darin werden alle mit der Maschine verbundenen Gefahren und Risiken ermittelt und bewertet. Die Gefahren- oder Risikoanalyse ist einer der wichtigsten Punkte und deshalb Gegenstand vieler Normen wie zum Beispiel der EN 954–1, EN 12100, EN ISO 13849–1, EN 62061 oder der EN 141121. W2E hat erstmals ein Sicherheitskonzept auf Basis einer Gefahrenanalyse nach der MRL entwickelt, um den Schutz von Mensch und Maschine zu gewährleisten.
Optimierte Sicherheitslösung
Das Sicherheitskonzept der W90 setzte W2E mit dem konfigurierbaren Steuerungssystem „Pnoz- multi“ von Pilz um. Durch den redundanten Aufbau sowie die internen Testfunktionen erfüllt das Sicherheitssystem die Anforderungen bis Kategorie 4 nach EN 954–1, Ple nach EN ISO 13849 und SIL 3 nach EN 62061. Das Pnozmulti reagiert selektiv auf auslösende Geräte und Signale wie Not-Halt/Not-Aus, Vibrationsschalter und Grenzwertrelais für Drehzahl, Position und Druck. Mit einer selektiven Reaktion des Steuerungssystems auf Störungssituationen werden Kräfte und Drehmomente an denjenigen Stellen reduziert, wo sie als Extrem- und Dauerlasten auftreten und übertragen werden.
Der Vorteil besteht in einem deutlich geringeren mechanischen Verschleiß zum Beispiel der Bremsen und des Getriebes. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer. Bisherige Sicherheitslösungen in Windenergieanlagen basieren auf einer simplen Reihenschaltung von Sicherheitssignalen. Die Reaktion ist dann logischerweise immer identisch und die Windenergieanlage wird hart gestoppt. Die mechanische Konstruktion muss diesen Betriebsbedingungen gerecht werden. Durch Einsatz des Pnozmulti und seiner differenzierten Reaktion auf unterschiedliche Betriebsfälle konnte eine deutliche Auslegungsreserve für Bauteile der Gondel und des Turms erreicht werden.
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