Umfassende Sicherheitslösungen für Windenergieanlagen

Windparks prägen mehr und mehr das Landschaftsbild - aus gutem Grund. Windenergieanlagen zählen zu den sauberen Energielieferanten. Wie andere Maschinen auch müssen sie höchste Anforderungen an die ­Sicherheit erfüllen. Zukunftsgerichtete Sicherheitslösungen aus dem Hause B&R bieten Herstellern von Windrädern das nötige Rüstzeug.

Windenergieanlagen müssen betriebssicher ausgelegt sein und allen erdenklichen Ausnahmesituationen wie extremen Stürmen standhalten. Dafür sorgen Regelwerke, die alle Aspekte der sauberen Energielieferanten betrachten. Sie gelten zudem als Richtlinie für die Hersteller. Eine Zertifizierung nach der Norm IEC 61400 „Windenergieanlagen" oder der „Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergieanlagen" vom Germanischen Lloyd (GL) gilt als Qualitätssiegel für die rotierenden Giganten.

Die Richtlinie des Germanischen Lloyd verfolgt vordergründig ein Ziel: Sie will alle erdenklichen Lastfälle definieren, die während der Lebensdauer einer Windenergieanlage auftreten können. Außerhalb dieser Lastfälle allerdings ist das Anlagenverhalten nicht bestimmt. Im schlimmsten Fall kann solch ein Lastfall zur Gefährdung von Mensch und Maschine führen. Ein Sicherheitssystem muss dafür Sorge tragen, dass derartige Fälle niemals auftreten.

Aus diesem Grund wurde in der Letztfassung der GL-Richtlinie - Ausgabe 2010 - eine wesentliche Neuerung eingearbeitet: die Forderung nach einem modernen Sicherheitssystem gemäß der Norm ISO EN 13849 „Sicherheit von Maschinen". Im Detail wird eine sicherheitstechnische Betrachtung aller kritischen Anlagenteile gefordert. Die Richtlinie ersetzt den Vorgänger - Ausgabe 2003 - mit einer Übergangsfrist bis 2015.
Die integrierte Sicherheitstechnik von B&R erlaubt eine sehr schlanke und effiziente Umsetzung all dieser Anforderungen und gewährleistet ein Höchstmaß an Sicherheit. Das System erfüllt Performance Level e nach ISO EN 13849 und SIL 3 nach IEC 61508. Gleichzeitig ist B&R-Sicherheitstechnik für härteste Einsatzzwecke geeignet. Dies bestätigt die Zertifizierung für den maritimen Einsatz durch den Germanischen Lloyd.

Schnellstes Sicherheitssystem
Das B&R-Sicherheitssystem bietet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten. Gleichzeitig zählt es zu den schnellsten am Markt. Es erreicht Reaktionszeiten von sieben Millisekunden - vom Eingang eines Sicherheitsmoduls inklusive Anwendungszyklus und Ausgabe an einem Sicherheitsmodul. Durch das besonders schnelle Eingreifen lassen sich Anlagen mit schonenderen Parametern herunterfahren. Außerdem kann durch intelligente Reaktion auf einen sicherheitskritischen Zustand - zum Beispiel durch Einbeziehung des aktuellen Betriebszustandes der Anlage - zusätzlich eine signifikante Reduktion der Lasten erreicht werden.

Nahtlos lässt sich das Sicherheitssystem von B&R in die funktionale Steuerung (Hauptsteuerung) einbinden. Sichere Komponenten stellen sich für die funktionale Steuerung wie jedes andere I/O-Modul dar. Umgekehrt kann auch die sichere Steuerung auf alle Daten der Hauptsteuerung zugreifen. Somit können Schrittketten, Abläufe und komplexe Regelungsalgorithmen oder sogar koordinierte Positionierabläufe uneingeschränkt mit den herkömmlichen, bewährten Werkzeugen auf der funktionalen Steuerung realisiert werden und dabei auch die sicheren Ausgänge sowie die sicheren Antriebe von der funktionalen Steuerung direkt gesteuert werden. Die sichere Steuerung dient lediglich der Überwachung und greift nur in einem sicherheitskritischen Fall ein.

Gleichzeitig bedeutet die nahtlose Integration beider Systeme, dass die Verdrahtung auf ein Minimum reduziert wird. Dazu wird ein Sicherheitsmodul einfach nahe dem sicheren Sensor, zum Beispiel einem Not-Halt-Taster platziert. Da das nicht-sichere System Zugriff auf das sichere Modul hat, entfällt jegliche Querverdrahtung zum funktionalen System. Die sicheren Daten selbst werden über den Systembus transferiert und können damit beliebig auch über unterschiedliche Medien (etwa Kupfer oder LWL) dezentralisiert werden. Eine zusätzliche Sicherheitsverkabelung zwischen Gondel und Turmfuß ist nicht erforderlich.

Die Entwicklungsumgebung für die sichere Anwendung ist nahtlos in das Entwicklungswerkzeug von B&R, das Automation Studio, integriert. Eine grafische Programmierung und zertifizierte Funktionsbausteinen ermöglichen es dem Anwender auf einfache Weise, Sicherheitsanwendungen zu realisieren. Um auch komplexe Anwendungen zu ermöglichen oder vorhandene Lösungen zu portieren, können benutzerspezifische sichere Funktionsbausteine vom Anwender in gängigen Hochsprachen etwa ANSI C oder C++ entwickelt werden.

Softwareupdate von der Fernwarte
Damit das Sicherheitssystem auch an entlegensten Orten erreichbar ist, hat B&R eine zertifizierte Schnittstelle für den Fernzugriff implementiert. Mit dieser Schnittstelle kann zum Beispiel ein Update der Sicherheitsanwendung durchgeführt werden. Außerdem kann ein Anlagenfehler von der Fernwarte aus quittiert werden, wenn durch geeignete Überwachungsmaßnahmen - etwa mittels Überwachungskamera oder geeigneter Sensorik - ein sicherer Zustand der Anlage gewährleistet werden kann. Der Germanische Lloyd erlaubt diese Möglichkeit dediziert in seiner Richtlinie. Durch die Fernquittierung können teure und zeitaufwendige Serviceeinsätze reduziert werden. Außerdem kann damit auch die Anlagenverfügbarkeit signifikant erhöht werden.

Als Kommunikationsprotokoll setzt B&R auf den offenen Sicherheitsstandard openSAFETY. Er ist als Open Source verfügbar. Sensor- und Komponentenhersteller profitieren davon, dass sie lediglich die eigentliche Funktion des sicheren Sensors oder der sicheren Komponente zertifizieren müssen. Außerdem ist openSAFETY im Gegensatz zu allen anderen Safety-Protokollen an keinen Feldbus gebunden. Die Datenpakete sind in sich sicher und können somit über jeden beliebigen Datenkanal transportiert werden. Der Endkunde kann seinen bevorzugten Feldbus verwenden und trotzdem Produkte von verschiedenen Herstellern beziehen.

Anlagenübergreifendes Sicherheitssystem
Durch die völlige Transparenz des Sicherheitssystems und die Verwendung des offenen Sicher­heitsstandards openSafety können B&R-Sicherheitssteuerungen beliebig miteinander kommunizieren. Dies erlaubt auf der einen Seite den Aufbau von redundanten Systemen, auf der anderen Seite erlaubt es Sicherheitssubsysteme.

Ist eine einzelne Anlage ein Sicherheitssubsystem, würde sich das gesamte Sicherheitssystem über den gesamten Windpark erstrecken. Als Beispiel müssten etwa Windgeschwindigkeits-, Windrichtungssensoren oder Eissensoren nicht mehr auf jeder einzelnen Anlage in einem Windpark vorhanden sein. Dennoch könnten sie sicherheitsgerichtet ausgewertet werden. Die Sicherheitsabschaltung einer einzelnen Anlage wegen zu starken Windes kann andere Windturbinen sicher warnen und diese bereits auf eine Abschaltung vorbereiten, um Lasten zu reduzieren.
Die Zukunft wird zeigen, in welche Richtung sich Sicherheitssysteme für Windenergieanlagen weiterentwickeln. Das B&R-Sicherheitssystem bietet das Rüstzeug, um heute und in Zukunft jede Innovation umsetzen zu können.