Ein intelligentes Mess-, Steuer- und Regelsystem für Rotorblätter 1

Fossile Brennstoffe sind eine endliche Ressource. Ihr natürlicher Ersatz weht frei um den gesamten Erdball: Wind. Windenergie ist erneuerbar, voraussagbar, schnell zu installieren, sauber und kommerziell nutzbar. Uns liegen Daten vor, die unsere Voraussage stützen, dass bis 2020 mindestens zehn Prozent des weltweiten Stromverbrauchs aus Windenergie gedeckt werden wird. Wir wagen sogar zu sagen, dass Windkraft mit der Öl- und Gasindustrie gleichauf liegt. Im Bereich Windenergie stammten bereits viele Innovationen von uns, als wir uns mit der Untersuchung des Verhaltens von Rotorblättern befassten.

Das war die Aufgabe:

Das im Innern eines Rotorblatts installierte System. Bild: NI
Das im Innern eines Rotorblatts installierte System. Bild: NI

Ziel war es, ein System zur Steigerung der Effizienz von Windkraftanlagen zu schaffen. Zur Optimierung der Windkraftanlagen sollten die Rotorblätter gemessen, gesteuert und geregelt werden können. Die entscheidende Herausforderung bestand in der Entwicklung eines modernen Mess-, Steuer- und Regelsystems, das auf begrenztem Raum in einer rauen Umgebung im Innern der drei Rotorblätter arbeitet.

Diese Aufgabe stellte auch deshalb eine Herausforderung dar, da etliche Echtzeitmess-, -steuer- und -regelaufgaben erforderlich wurden. Die drei Rotorblätter sollten Daten erfassen und miteinander bei 100 Hz kommunizieren können, um die Steuerung eines jeden Blatts abzustimmen. Die Daten mussten zudem auf einem Server am Boden gespeichert und angezeigt werden können. Schließlich sollte das System erweiterbar und vielseitig sein, um im Laufe des Projekts an wechselnde Spezifikationen angepasst werden zu können.

Die Systemanforderungen:

Wir wollten ein vielseitiges System, das sich leicht ändern und warten lässt. Bei unserem derzeitigen System mussten einige Messkomponenten auf eine Weise installiert werden, die viel Rekonfigurierungsarbeit nach sich ziehen würde, falls sich die Anforderungen ändern. Auch die Wartung einer Windkraftanlage ist kein Leichtes.

Denn wer möchte schon einen Turm erklimmen, nur um den Programmcode des Systems nach seiner Installation zu modifizieren? Außerdem ist das System im Innern des Rotorblatts eingebaut. Man müsste also das System anhalten, bevor ein Zugang zur Hardware möglich wäre. Daher benötigten wir ein System, das vom Boden aus programmiert werden kann.

Mit dem System sollten verschiedene Sensoren gemessen werden können. Es sollte auch erweiterte Algorithmen für die Messdaten in Echtzeit ausführen und auf Grundlage dieser Ergebnisse die Rotorblätter steuern. Erschwerend kam hinzu, dass wir die Daten aller drei Rotorblätter zur gleichen Zeit wiederverwenden wollten.

Die Systemarchitektur:

Wir setzten die Hardware CompactRIO und die Systemdesignsoftware LabVIEW von National Instruments ein, um dieses herausfordernde Mess-, Steuer- und Regelsystem zu erstellen. Wegen der aufwendigen Architektur des Projekts beschlossen wir, den National-Instruments-Gold-Alliance-Partner CIM Industrial Systems A/S hinzuzuziehen, der die Architektur entwerfen und die Lösung liefern sollte. Wir hatten mit CIM bereits an ähnlichen Projekten gearbeitet und waren zuversichtlich, dass das Unternehmen die Aufgabe würde umsetzen können.

CIM entwarf die Hardwarearchitektur mit mehreren Echtzeit-Embedded-Controllern des Typs NI cRIO-9025, Erweiterungschassis des Typs NI 9144 EtherCAT und Industrie-Controllern des Typs NI 3110 mit mehreren Messkanälen. Ein Master-Controller übernimmt die gesamte Kommunikation zwischen den verschiedenen Controllern innerhalb der Rotorblätter und dem Vestas-HUB-Controller. Die Daten werden mit der Technologie der NI Scan Engine erfasst. Dadurch ist der Zugang zu den Daten von sechs EtherCAT-Chassis bei 100 Hz gegeben.

Diese Daten werden mit derselben Rate gefiltert, skaliert und über CAN (Controller Area Network) und NI-XNET an die zwei übrigen Rotorblätter und den Master-Controller geschickt. Gehen ähnliche Informationen von den benachbarten Rotorblättern ein, kann der Rotorblatt-Controller das Rotorblatt mittels einer Kombination aus Vorwärtsregelung und PID-Regelung steuern.

Um Veränderungen der Spezifikationen aufzufangen, entschied sich CIM für einen modularen ereignisbasierten Programmcode, sodass jede Softwarekomponente innerhalb des Zielsystems unabhängig laufen kann. Dies reduzierte die Testzeit erheblich. Außerdem war dadurch ausreichend Flexibilität vorhanden, falls Module verändert, entfernt, aktiviert oder deaktiviert werden mussten, um laufende Hardwaremodifikationen und Änderungen beim CAN- oder TCP/IP-Protokoll aufzufangen oder um den gefürchteten unterbrochenen Ausführungspfeil zu vermeiden.

Die Vorteile:

Obwohl wir mit hohen Anforderungen und einem engen Zeitplan für dieses komplexe Mess-, Steuer- und Regelsystem konfrontiert waren, konnten wir am Ende sogar einige dieser Anforderungen übertreffen. Die softwaredefinierte Hardwareplattform NI CompactRIO passte gut zu unseren Anforderungen.

Wir erstellten ein flexibles, vielseitiges System, das je nach Bedarf rekonfiguriert werden kann. Die Messungen waren aussagekräftig. Die Menge der Daten und die Geschwindigkeit, mit der sie erfasst wurden, trugen zur Beobachtung schwer fassbarer Phänomene bei. Der Determinismus und die Parallelität des Systems ermöglichten die für die Projektausführung benötigte schnelle Zykluszeit.

Fazit:

Die bei diesem Projekt gewonnenen Erfahrungen tragen dazu bei, die Effizienz unserer Windkraftanlagen weiter zu steigern. Die Plattformen NI CompactRIO und LabVIEW erwiesen sich als robuste und vielseitige Plattformen, die wir weiterhin einsetzen werden. Durch die Flexibilität der Systeme eignet sich die Plattform gut für Mess-, Steuer- und Regelprojekte, deren Reichweite nicht immer gleich zu Beginn des Projekts feststeht.