Neben der Umsetzung der relevanten Maschinenrichtlinie 2006/42/EG geht es für die Hersteller von Windenergieanlagen darum, die benötigte Sicherheitstechnik optimal in ihre Anlagen zu integrieren. So lassen sich Synergien zwischen der Sicherheitstechnik und der Betriebsführungs-steuerung nutzen, was die Kosten reduziert und die Verfügbarkeit erhöht.
Der Autor: Martin Mester, Safety-Experte für die Windindustrie im Competence Center Safety, Phoenix Contact, Bad Pyrmont
Sollen einfache Sicherheitsfunktionen realisiert werden, verwenden sowohl die Hersteller klassischer Maschinen als auch von Windenergieanlagen oftmals Sicherheitsrelais. Darunter fallen Drehzahlwächter, die in den Windenergieanlagen zum Einsatz kommen, um die Rotordrehzahl sicherheitsgerichtet zu erfassen. Die Signalpfade solcher Sicherheits-Schaltgeräte verbinden die Sensorik mit der Aktorik. In einer Windenergieanlage erfolgt die direkte Verdrahtung also je nach Sicherheitsfunktion von der untersten Turmplattform bis in die sich drehende Nabe. Ein sicheres Bussystem wie das Profisafe-Protokoll, das dem Ethernet-basierten Profinet-Protokoll überlagert wird, eröffnet dabei in Kombination mit dezentralen Steuerungseingangs- und -ausgangsmodulen erhebliche Vorteile. Denn sicherheitsrelevante Sensorsignale lassen sich an jedem Ort in der Windenergieanlage komfortabel einlesen und an das Pitch-System übermitteln, das als einer der zentralen Aktoren der Anlage fungiert. Außerdem nutzt die Profisafe-Kommunikation herkömmliche, für die industrielle Installation geeignete Netzwerkkomponenten für die Verkabelung.
Sicherheitsrelevante Diagnosedaten werden kontinuierlich ausgewertet
Mit der Hochleistungssteuerung RFC 470S von Phoenix Contact steht eine sichere SPS zur Verfügung, die sowohl Profinet-Schnittstellen umfasst als auch das Profisafe-Protokoll unterstützt. Darüber hinaus vereint der RFC 470S die Funktionen einer Betriebsführungssteuerung mit denen einer Safety-SPS. Der Controller ist somit für alle relevanten Regelungs- und Betriebsfunktionen verantwortlich und übernimmt gleichzeitig die notwendigen Sicherheits- und Überwachungsaufgaben. Durch die Kombination beider Aufgabenbereiche in einem Gerät liegen der Betriebsführungs-Software die Status-Informationen aus der sicheren Anwender-Software direkt vor. Das erweist sich für die Fernüberwachung der Windenergieanlage als vorteilhaft, da die sicherheitsrelevanten Diagnosedaten direkt angezeigt werden können.
Die zur Steuerung gehörenden Profisafe-fähigen Ein- und Ausgangsmodule von Phoenix Contact basieren auf dem Echtzeit-I/O-System Axioline, das sich neben der robusten Bauform durch schnelle Reaktionszeiten auszeichnet. Auf diese Weise können komplexe und zeitkritische Regelungsaufgaben im Pitch-System in Echtzeit realisiert werden. Das Axioline-I/O-System erlaubt das beliebige Zusammenstellen von Standard- und Safety-Modulen in einer Station. Ergänzend zu den herkömmlichen digitalen I/O-Baugruppen werden analoge Eingangsmodule angeboten, die sich zur sicherheitsgerichteten Verarbeitung von Analogwerten verwenden lassen. Zu diesem Zweck führt das sichere Anwenderprogramm der Steuerung eine Diagnose über die Standard-Analogeingänge durch. Die als Safe-AI bezeichnete Lösung erfüllt das höchste Performance Level PL e der DIN EN ISO 13849-1.
Komplexe Safety-Funktionen lassen sich mit weniger Hardware-Komponenten realisieren
Der besondere Vorteil eines integrierten sicheren Steuerungssystems liegt darin, dass sich selbst komplexe oder umfangreiche Sicherheitsfunktionen mit einer überschaubaren Anzahl sicherer Hardware-Komponenten umsetzen lassen. Beispielsweise werden häufig unterschiedliche sicherheitsgerichtete Schwellwertabfragen der Rotordrehzahl benötigt. Setzt der Anwender zur Auswertung keine sichere Software ein, steigt die Anzahl der erforderlichen sicheren Schaltgeräte in den Schaltschränken der Windenergieanlage an.
Durch eine Drehzahlüberwachung in der sicheren Steuerung können die Synergien, die zwischen den verschiedenen Sicherheitsfunktionen und der in der Windenergieanlage verbauten Sensorik bestehen, besser genutzt werden. Dazu erfasst das Safe-AI-System die Signale, die für die Sicherheitsfunktionen notwendig sind. Die Spannungsimpulse der sicheren Initiatoren werden anschließend durch einen sicheren Messwandler in ein 4…20mA-Signal gewandelt, das die Safety-Steuerung sicherheitsgerichtet einliest. Als weiteres Beispiel sei die Signalerfassung der Drehzahl über sichere Profisafe-Drehgeber genannt, die direkt in das Bussystem der Steuerung eingebunden werden können. Bei beiden Varianten lassen sich die Drehzahldaten dann sowohl durch die sichere Steuerung als auch die Betriebsführungs-SPS auswerten. Dies hat den Vorteil, dass die Regelungs-Algorithmen in der Betriebsführungs-Software und die Sicherheitsfunktionen in der sicheren Software der Windenergieanlage mit einer identischen Datenbasis arbeiten. So werden Fehlauslösungen aufgrund von Daten-Diskrepanzen vermieden und die Verfügbarkeit der Anlagen erhöht sich.
Falls die vom Hersteller der Windenergieanlage durchgeführte Risikobeurteilung ergeben hat, dass die Windgeschwindigkeit ebenfalls sicherheitsgerichtet aufgenommen werden muss, lässt sich dies in der sicheren Software ausführen. Dazu liest das Safe-AI-System die Stromsignale des Anemometers in die sichere Steuerung ein. Alle zuvor beschriebenen Sicherheitsfunktionen werden durch die sichere Anwender-Software auf der SPS realisiert. Speziell für Windenergieanlagen erweist es sich als sinnvoll und zulässig, diese Sicherheitsfunktionen in unterschiedlichen Betriebsarten verschieden auszuwerten, Grenzwerte umzuschalten oder ein anderes Quittierungsverhalten zu fordern, um dem überwiegend autarken Produktionsbetrieb der Anlage Rechnung zu tragen. Diese Maßnahmen resultieren ebenso in einer Steigerung der Anlagenverfügbarkeit.
Vielfältige Dienstleistungen vereinfachen die Umsetzung der Maschinenrichtlinie
Neben dem umfassenden Produkt-Portfolio, das in den verschiedenen Windenergieanlagen-Typen der einzelnen Hersteller zum Einsatz kommt, bietet Phoenix Contact vielfältige Dienstleistungen rund um die Maschinensicherheit an. Die Umsetzung der Sicherheitstechnik stellt bekanntermaßen nur einen kleinen Teil zum Erreichen der grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutz-Anforderungen gemäß der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG dar. In einer Windenergieanlage spielt insbesondere die Risikobeurteilung eine wichtige Rolle, da sie die Grundlage für die Definition der Sicherheitsfunktionen und deren erforderliche Sicherheitsintegrität bildet. Vor diesem Hintergrund führt Phoenix Contact individuelle Dienstleistungen für die Hersteller der Windenergieanlagen durch. Der Prozess der Risikobeurteilung kann zum Beispiel vor Ort von den Safety-Spezialisten moderiert und angeleitet werden.
Darüber hinaus unterstützen die Mitarbeiter des Competence Center Safety bei der Erstellung der Nachweisdokumente, der Spezifikation respektive Programmierung der sicheren Software für die jeweilige Windenergieanlage sowie der Anfertigung von Testanweisungen und deren Ausführung an der Anlage. Dieser Auszug aus dem breiten Dienstleistungsspektrum orientiert sich am Sicherheitslebenszyklus, der beschreibt, wie sich die funktionale Sicherheit in einer Windenergieanlage zielgerichtet realisieren lässt. Denn nur wenn diese Anforderung erfüllt ist, darf die CE-Konformitätserklärung gemäß Maschinenrichtlinie ausgestellt werden. I
WindEnergy, Halle B6, Stand 363
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