Der Betrieb und die Wartung moderner Windenergieanlagen verursachen nicht unerhebliche Kosten. Um diese wettbewerbsfähig zu halten, müssen die Ausfallrisiken minimiert, die Wartungskosten gesenkt sowie die Anlagenverfügbarkeit und die Energieeffizienz gesteigert werden. Hier kommt Condition Monitoring ins Spiel: Nicht nur für Offshore-Windenergieanlagen oder Anlagen in entlegenen Regionen, sondern generell empfiehlt sich die Überwachung von Getrieben und Generatoren.
Beckhoff nutzt die leistungsstarken Prozessoren moderner PC-Technologie und EtherCAT als schnelles Kommunikationssystem und integriert das Condition Monitoring nahtlos in die Steuerung. Dabei werden die Schwingungen von Lagern oder elektrischen Maschinen von Beckhoff Standard-Messtechnik-Klemmen erfasst und über EtherCAT an die Steuerung übertragen. Konfiguration, Programmierung und Diagnose erfolgen mit TwinCAT in einem System. Das steuerungsintegrierte Condition Monitoring ist den klassischen, hardwarebasierten Condition-Monitoring-Lösungen durch eine bessere Fehlererkennung und die ganzheitliche Systembetrachtung überlegen. Indem weitere Signale der Betriebsführung, wie Temperatur, Druck und Strom, in die Steuerungsplattform integriert werden, lassen sich Fehlalarme vermeiden und die Fehlererkennung verbessern. Insbesondere, wenn viele Daten von unterschiedlichen Teilnehmern zur Analyse herangezogen oder Schadfrequenzen drehzahlabhängig bewertet werden müssen, ist eine zentrale, PC-basierte Steuerung von Vorteil, die Signale im Mikrosekundenbereich erfassen und verarbeiten kann.
Aber auch Kostensenkungen in Bezug auf die Systemkosten, den Installationsaufwand und die Wartung sprechen für ein steuerungsintegriertes Condition Monitoring. Bestehende Anlagen können einfach und kostengünstig nachgerüstet werden.
Das steuerungsintegrierte Condition Monitoring bietet:
- zeitsynchrone Aufzeichnung aller Daten deutlich unter einer Mikrosekunde
- zuverlässige Datenanalyse
- verbesserte Diagnostik
- erhöhte Anlagenverfügbarkeit
- längere Lebensdauer von Windenergieanlagen
- geringere Wartungskosten
- geringere Systemkosten
- verbesserte Wettbewerbsfähigkeit
Beckhoff Technologie-Highlights für Condition Monitoring
Realisierung steuerungsintegrierter oder separater Condition-Monitoring-Lösungen auf Basis von Beckhoff Hard- und Softwarekomponenten
Die Modularität der Beckhoff Hard- und Software erlaubt den Aufbau eines eigenständigen Condition-Monitoring-Systems (CMS) sowie die direkte Integration in die Betriebsführung der Windenergieanlage. In beiden Anwendungsszenarien können die identischen Hardware- und Softwaremodule eingesetzt werden.
Das durchgängige und skalierbare Portfolio an Industrie-PCs und Embedded-PCs erlaubt die flexible Auswahl des Controllers: vom Ein-Chip-System bis hin zu Multi-Core-Server-CPUs. Je nach benötigter Leistungsfähigkeit und angepasst an Budget und Komplexität der Aufgabe kann ein darauf zugeschnittenes Gerät ausgewählt werden. Kombiniert mit den modular einsetzbaren EtherCAT-I/O-Modulen wird die Hardware für ein eigenständiges CMS zusammengestellt. Bei der Integration in die Betriebsführung werden die einzelnen I/O-Module einfach in den EtherCAT-Strang eingefügt.
Die Condition-Monitoring-Softwaremodule in der Automatisierungssoftware TwinCAT 3 können mit den I/O-Modulen verknüpft und eigenständig betrieben werden oder mit den Modulen der Betriebsführung kombiniert und in diese integriert werden. So können eigens entwickelte TwinCAT-Module beliebig in verschiedensten Szenarien eingesetzt, frei miteinander kombiniert und einfach wiederverwendet werden. Dies gilt unabhängig von der Hardware; so können die TwinCAT-Module auf den verschiedenen Industrie-PCs und Embedded-PCs sowie in Kombinationen mit den I/O-Modulen oder verschiedenen Messtechnikmodulen zum Einsatz kommen.
Bei einer Nachrüstung der Windenergieanlage mit Condition Monitoring muss die Turbinensteuerung lediglich durch einen Klemmenblock mit den entsprechenden EtherCAT-Messtechnikklemmen erweitert werden: Mit den EtherCAT-Messtechnikmodulen der Geräteserie ELM steht hochpräzise, schnelle und robuste Messtechnik zur Verfügung, die sich direkt in das Steuerungssystem integriert. Über die ELM-Module lassen sich u. a. Dehnungsmessstreifen (DMS) auswerten. Die EtherCAT-Klemme EL3751 bietet einen Multifunktionseingang für analoge Messtechnik. Die EL3632 ermöglicht den direkten Anschluss verschiedener Beschleunigungssensoren über eine Integrated Electronics Piezo-Electric (IEPE) und übernimmt die hochgenaue Schwingungsmessung. Die Aufzeichnung der Rohdaten erfolgt zeitsynchron (<< 1 μs) mit anderen Daten der Anlage, wie z. B. Leistung und Drehzahl. Das führt zu einer höheren Zuverlässigkeit der Daten und reduziert Fehlalarme.
EtherCAT-Klemmen zur beliebigen Signalaufnahme
Durch das umfangreiche Portfolio an EtherCAT-I/O-Klemmen können alle gängigen Signalformen abgedeckt, erfasst und aufgenommen werden: Digitale Signale mit 5 V oder 24 V, analoge Signale, wie 4..20 mA, 0..20 mA, +/-10 V, Schnittstellen, wie IEPE oder zu DMS-Sensoren und zur dreiphasigen Leistungsmessung bis zu 690 V und 5 A, können erfasst werden. Dabei reicht das Spektrum von der einfachen, langsamen und günstigen (mit z. B. 12 Bit) Signalerfassung bis hin zur präzisen, mit 1 PPM, und der hochfrequenten, mit bis zu 50 kHz Aufnahme, durch spezielle Messtechnikmodule. Die erfassten Werte werden über den schnellen EtherCAT-Feldbus vollständig als Rohsignale und in voller Auflösung dem Industrie-PC oder Embedded-PC zur Verfügung gestellt. Dabei sind diese Signale durch die EtherCAT Distributed Clocks zeitsynchronisiert und erlauben eine performante und effiziente Auswertung − bis hin zu kombinierten Modalanalysen.
TwinCAT bietet offene Schnittstellen zur Anbindung oder Integration der Signalauswertung
Zur Auswertung der Signale und zum Erkennen oder der Vorhersage von Schäden können Algorithmen einfach in TwinCAT entwickelt oder integriert werden. Sie können direkt in C/C++ oder aus MATLAB® und Simulink® heraus in ein TwinCAT-Modul implementiert werden. Genauso können externe Softwaretools über die offenen Schnittstellen, wie das ADS-Protokoll, angebunden werden: z. B. aus C/C++, .NET oder Java, MATLAB® und Simulink® oder Umgebungen wie R und Python. Mit der TwinCAT Condition Monitoring Library TF3600 wird bereits eine Vielzahl an Algorithmen, wie beispielsweise das Ermittelt von Spektren, angeboten. Darauf aufbauend können Auswertungen auch in der TwinCAT PLC und im strukturierten Text umgesetzt werden.
Embedded-PCs flexibel erweitern um die Schnittstelle zur Betriebsführung
Im Falle eines eigenständigen Condition-Monitoring-Systems (CMS) bieten die Industrie-PCs und Embedded-PCs eine Vielzahl an Schnittstellen zur Kommunikation mit der Betriebsführung sowie Erweiterungen zur Integration über ein Feldbussystem. Damit kann das System um Ethernet-basierte Schnittstellen, wie Modbus TCP oder OPC UA, die relevanten Feldbussysteme EtherCAT, CANopen, PROFIBUS oder PROFINET, aber auch mit den Fernwirkprotokollen nach IEC 61850 oder IEC 60870 erweitert und an die Betriebsführung angebunden werden.
TwinCAT Functions unterstützen die Datenhaltung im gewünschten Format und Umfang
Die Signale können als Rohdaten, vorverarbeitete und gefilterte Signale oder Ergebnisse der Berechnungen aufgezeichnet werden. Dies kann zum Beispiel in einer Text-Datei, einem CSV-, JSON-, XML-Format, in einem Excel-Format oder direkt in einer Datenbank geschehen. Dabei können die Daten auf dem lokalen System abgelegt sowie über ein Netzwerk oder das Internet auf ein entferntes System oder einen Server übertragen werden. Zur Kommunikation mit dem entfernten System oder Server stehen viele der üblichen Protokolle bereit, wie das OPC UA oder direkt das SQL zu einer Datenbank. Aber auch IoT-Protokolle wie MQTT werden unterstützt.
Beckhoff Produkt-Highlights für Condition Monitoring
Beckhoff Messtechnikmodule: für jede Anwendung die richtige Geräteklasse
Mit seinem kontinuierlich erweiterten Messtechnikportfolio bedient Beckhoff die volle Spanne der Anforderungen in der industriellen Messtechnik: vom Sekundentakt bis zum kHz-Bereich, von der Messung von Spannung und Strom über Schwingungen bis zur Kraftmessung. IP20-Komponenten lesen aus dem Schaltschrank heraus die Sensoren ein. Nahtlos in das EtherCAT-I/O-System integriert, erfassen die Highend-Messtechnikmodule der Geräteserie ELM auch jene prozesskritischen Messkanäle, für welche die Standard-Analogtechnik im EL/KL-Klemmensystem nicht geeignet ist.
Die Messtechnikmodule der Basic Line sind zur Erfassung hochdynamischer Vorgänge bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit konzipiert – simultan über alle Kanäle und Module hinweg. Die Economy Line ist auf die Erfassung weniger dynamischer Vorgänge ausgerichtet. Integrierte 24-V-Sensorversorgung und 24-V-Powerkontakte reduzieren die Verdrahtungsarbeit im Schaltschrank. Mit ihrer enormen Temperaturstabilität von 100 ppm im schaltschranküblichen Temperaturbereich überragen diese Module sogar die Basic Line. Typische Signalformen, welche bei der Vermessung von Prototypen oder für das Condition Monitoring benötigt werden, wie Dehnungsmessstreifen, Temperaturen und auch Beschleunigungssensoren, stehen selbstverständlich zur Verfügung. Beide Produktlinien unterstützen bewährte EtherCAT-Features, wie die Distributed-Clocks-Zeitstempelung im ns-Format und die Busdiagnose. Versorgt werden die Module idealerweise von Systemkomponenten wie dem EtherCAT-Koppler EKM1101. Integrierte Diagnosefunktionen stellen eine zuverlässige Messung sicher.
Unsere Messtechnik bietet für jede Anwendung die richtige Geräteklasse:
- Aufzeichnung der Operations- und Diagnosedaten in der Datenbank oder in der Cloud
- zuverlässige Datenanalyse
- verbesserte Diagnostik
- erhöhte Anlagenverfügbarkeit; längere Lebensdauer
- geringere Wartungs- und Systemkosten
EtherCAT-Condition Monitoring Klemme EL3632
In mittlerweile Tausenden von Anwendungen verbaut, stellt diese Klemme eine zentrale Komponente in vielen Condition-Monitoring-Anwendungen für Getriebe-, Generator- und Lagerüberwachung dar. Für die genormten Schnittstellen der EL3632, die IEPE und ICP, stehen auf dem Markt eine Vielzahl von Sensoren zur Verfügung. Diese werden mit Hilfe der Oversampling-Technologie mit bis zu 50 kHz erfasst.
TwinCAT integriert Condition Monitoring in die Steuerung
Mit der TwinCAT-Condition-Monitoring-Bibliothek steht ein modularer Baukasten mathematischer Algorithmen zur Analyse von Messwerten zur Verfügung. Die Funktionen der Softwarebibliothek erstrecken sich über die Hauptfelder Analyse, Statistik und Klassifikation. Neben der Spektralanalyse mit einer FFT oder zum Beispiel mit einem einhüllenden Spektrum können statistische Kennwerte, wie die Kurtosis oder der Crest-Faktor, berechnet werden. Eine Kombination dieser Algorithmen mit einer Grenzwertüberwachung eignet sich beispielsweise hervorragend für eine Wälzlagerüberwachung. Es empfiehlt sich jedoch die Analyse der Zustandsdaten in der Condition-Monitoring-Software eines Drittanbieters, welche direkt als lizensiertes TcCom Modul unter TwinCAT 3 in die Beckhoff Steuerungsplattform eingebunden ist. Namhafte Unternehmen in der Windkraftbranche haben bereits ihre Lösungen in TwinCAT realisiert. Bei Überschreitung voreingestellter, bauteilbezogener Schwellwerte löst das CM-System Alarme aus, die den Anlagenbetreiber über Verschleiß, Unwuchten oder unzulässige Betriebszustände informieren. Diese Alarme können zur weiteren Verarbeitung direkt an die Steuerung der Anlage oder an weitere Betreibersysteme gemeldet werden. Die kontinuierliche Maschinenüberwachung kann selbstverständlich online erfolgen. Hierbei werden Trends in den Kennzahlen analysiert und in Handlungsempfehlungen übersetzt, etwa für die Planung von Wartungsintervallen.