Rys. 1. Uproszczony schemat sterowania pracą turbin wiatrowych Vensys
Firma Vensys Energy, która wytwarza swoje produkty w zakładzie w niemieckim Neunkirchen oraz kilku innych lokalizacjach na świecie, rocznie produkować może ponad 2 tysiące turbin wiatrowych.
Producent ma w Niemczech również zależną od niego firmę Vensys Elektrotechnik, gdzie wytwarzane są przemienniki częstotliwości, układy dystrybucji energii oraz systemy sterowania i kontroli pracy turbin.
Rozwiązania te projektowane są jako wysokowydajne systemy o wysokiej niezawodności i możliwości pracy w skrajnych warunkach środowiskowych, a w ich rozwoju współuczestniczy również firma Beckhoff.
SYSTEM STEROWANIA PRACĄ TURBIN WIATROWYCH
Architektura układu sterowania wykorzystywanego w turbinach Vensys obejmuje wykorzystane w jednym systemie standardowych modułów I/O oraz podzespołów bezpieczeństwa (patrz rys. 1).
Fot. 1. Turbina firmy Vensys o mocy 1,5kW
Głównym elementem układu jest komputer embedded CX1020 firmy Beckhoff, do którego podłączone są dwie stacje modułów zainstalowane w podstawie wieży, dwie stacje w gondoli oraz moduły odpowiedzialne za kontrolę pochylenia łopat turbiny.
Komunikacja pomiędzy nimi odbywa się z wykorzystaniem sieci Profibus. Komputer wbudowany odpowiedzialny jest za zbieranie i przetwarzanie danych oraz zarządzanie pracą turbiny, w szczególności kontrolę pracy układu sterującego pochyleniem łopat i przetwarzaniem energii.
Odpowiada on także za komunikację z pomieszczeniem kontrolnym. Zastosowane rozwiązanie, porównując je z klasycznymi systemami kontroli, cechuje prostotą dzięki użyciu tylko jednego komputera do kontroli i akwizycji danych.
Moduły sieciowe oraz I/O podłączane zostały bezpośrednio do niego poprzez sieć komunikacyjną. Drugim, skrajnym jeżeli chodzi o fizyczne rozmieszczenie elementem systemu są kontrolery wykorzystywane w układzie sterowania pochyleniem łopat turbiny.
Komunikują się one poprzez złącza pierścieniowe z resztą systemu, przy czym układ wbudowany w każdą z łopat bazuje na urządzeniu Beckhoff BX3100 z różnymi modułami sieciowymi. Pochylenie łopat turbiny jest fizycznie ustawiane podczas jej pracy z wykorzystaniem pasów zębatych, co jest autorskim rozwiązaniem firmy Vensys.
BEZPIECZEŃSTWO PRACY TURBINY
Fot. 2. Produkcja serii pilotażowych nowych produktów w zakładzie firmy Vensys Elektrotechnik
Istotną cechą systemu jest fakt, że umożliwia on bezproblemową integrację z modułami bezpieczeństwa. Wykorzystywane są tutaj moduły KL6904 TwinSAFE, które zapewniają połączenie pomiędzy wejściowymi i wyjściowymi terminalami bezpieczeństwa. W turbinach Vensys wykorzystywana jest potrójna redundancja systemów kontroli nachylenia łopat.
Rola tych ostatnich jest kluczowa nie tylko dla poprawnej pracy turbiny i generowania prądu, ale również dla pewnego zatrzymania w przypadku wystąpienia warunków takich jak zbyt duży wiatr oraz uszkodzenie systemu (zarówno systemu sterowania, jak i samej turbiny, co wykrywane jest m.in. poprzez pomiary występujących wibracji).
Do komunikacji wykorzystywana jest wieloparowa skrętka miedziana oraz połączenie światło wodowe. "Połączenie w jednym systemie standardowych modułów I/O i modułów bezpieczeństwa ułatwia projektowanie układu, jego programowanie, a także fizyczne poprowadzenie okablowania i późniejszą diagnostykę" - wyjaśnia Robert Müller, ekspert od energetyki wiatrowej z oddziału firmy Beckhoff w niemieckim Lübeck.
"Terminale modułów TwinSAFE pozwalają na podłączanie wszystkich typowych czujników bezpieczeństwa i układów wykonawczych, a dane w protokole TwinSAFE przesyłane mogą być w bezpieczny sposób z wykorzystaniem różnych sieci komunikacyjnych. W przypadku rozwiązań Vensys wykorzystywana jest sieć Profibus." - dodaje.
DLACZEGO TECHNOLOGIA BECKHOFFA?
Rys. 2. Główne elementy gondoli turbiny Vensys
1 Łopaty turbiny
2 Rdzeń wirnika
3 Napędy ustawiania łopat
4 Rotor generatora
5 Stator generatora
6 Konstrukcja bazowa
7 Wieża
Powyższy przykład przedstawia tylko jedno z możliwych zastosowań urządzeń Beckhoffa w systemach sterujących w energetyce wiatrowej. Za ich użyciem w innych podobnych projektach przemawiają następujące argumenty:
- Firma oferuje otwarty system automatyki oparty na technologii PC-based. Otwartość dotyczy oprogramowania i urządzeń, co pozwala producentom turbin wiatrowych na wykorzystanie w tworzonym systemie własnych rozwiązań, a także łatwą i tanią rozbudowę systemu.
- Beckhoff dostarcza kompletny pakiet rozwiązań sieciowych do wszystkich popularnych systemów I/O oraz sieci Fieldbus i Ethernetu - obejmuje on również najważniejsze rodzaje sieci stosowanych w elektrowniach wiatrowych.
- Uzupełnieniem funkcjonalności sieci komunikacyjnych jest możliwość wykorzystania rozwiązania TwinSAFE. Pozwala ono na pracę urządzeń bezpieczeństwa, cechując się jednocześnie bezproblemową integracją z istniejącymi systemami automatyki.
- Do konfiguracji wszystkich urządzeń i programowania systemu stosuje się jedno narzędzie inżynierskie TwinCAT. Pozwala to na łatwe tworzenie rozwiązań składających się z różnych modułów - komputerów przemysłowych, komputerów wbudowanych, kontrolerów, wyświetlaczy oraz modułów sieciowych.
Beckhoff Automation
www.beckhoff.com/wind
