Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - Deze PLC verzamelt data van een dertigtal sensoren, en die vervolgens in de controller verwerkt en geaggregeerd via een glasvezelkabel doorstuurt naar de cloud.
Offshore windenergie is een booming business, maar brengt een aantal specifieke uitdagingen met zich mee. Ter plaatse gaan voor maintenance, bijvoorbeeld, is zeer duur en tijdrovend. Inspectie en onderhoud zijn nochtans essentiële elementen in de exploitatie van een offshore windpark. Door de gure weersomstandigheden en de corrosieve omgeving krijgen de turbines het er hard te verduren.
Een van de problemen die in het verleden vastgesteld werden, is dat turbines na verloop van tijd beginnen te zakken. «In enkele van de parken wordt de piloon van een turbine via een overgangsstuk bevestigd op de monopile in de zeebodem», zegt Yves Van Ingelgem, business development manager bij Zensor.
«De speling tussen dat overgangsstuk en de monopile wordt opgevuld met grout, een speciaal soort beton voor dat soort toepassingen. Door de kracht van de wind kan de beton loskomen van het staal, wat uiteindelijk tot een verzakking kan leiden. Andere mogelijke problemen in de structuur van windturbines zijn corrosie, vermoeiing, rekken op bouten en wanden en scheurtjes in het beton».
Sensoren gebruiken rekenkracht van de PLC
Zensor – een spin-off van de Vrije Universiteit Brussel – is gespecialiseerd in monitoring van beton- en staalconstructies. Het bedrijf legde zich aanvankelijk toe op de ontwikkeling van specifieke sensoren om degradatie in materialen op te sporen, maar evolueerde tot een aanbieder van complete oplossingen die naast de sensoren ook data-acquisitie en rapportage omvatten.
In het project voor het Luchterduinen -windpark van Eneco werden in elke turbine een dertigtal sensoren geplaatst die uiteenlopende parameters bewaken, deels van de structuur zelf, maar ook van de omgeving zoals het weer en het oppervlak van de zeebodem. Een PLC (van Beckhoff Automation, redactie) verzamelt alle data, doet een eerste verwerking en stuurt de gecomprimeerde meetgegevens door naar het vasteland via een van de optische vezels in de stroomkabel.
Daarbij maakt het bedrijf handig gebruik van de mogelijkheden die een PC-gebaseerde controller biedt. De PermaZEN-sensor, ingezet in andere offshore parken en een eigen ontwikkeling van Zensor die corrosie meet aan de binnenkant van de stalen fundering, vergt flink wat rekencapaciteit. Die berekeningen doet Zensor met een software geschreven in Python, die draait in het PC-gedeelte van de controller. De PermaZEN sensoren maken dus gebruik van de rekenkracht van de PLC om hun metingen uit te voeren.
Spanningspatroon meet corrosieactiviteit
De PermaZEN sensoren bestaan uit een aantal elektrodes die op verschillende hoogtes opgehangen worden in het water dat binnen in de fundering van de turbines staat.
Gori Nieubourg, product development engineer bij Zensor: «Tussen de elektrodes en de wand van de fundering wordt een spanning opgelegd met een bepaald patroon. Door dat patroon te vergelijken met dat van de gemeten spanning en stroom krijgen we een beeld van de corrosieactiviteit aan het oppervlak.
De software in de PLC genereert het opgelegde spanningspatroon en verwerkt de meetwaarden van spanning en stroom om de corrosieactiviteit te berekenen. Er zijn weinig andere PLC’s die deze mogelijkheid bieden.
Door de combinatie van PLC en PC hebben we minder hardware nodig, wat het systeem ook betrouwbaarder maakt. Verder kunnen we gebruikmaken van Ethercat en remote I/O-eilanden om sensoren over grote afstand aan de controller te linken zonder signaalverlies. De pilonen van de windturbines zijn 100 meter hoog. Die afstand valt niet zomaar te overbruggen».
Niet gebonden aan beperkingen van eigen platform
Naast de PermaZEN die corrosie meet, gebruikt Zensor de ingebouwde PC ook voor het aansturen en uitlezen van IntegriZEN, een systeem dat op basis van geleidbaarheidsmetingen de status van betonnen structuren kan opvolgen.
Het vochtgehalte, scheurtjes in het volume en veranderingen in druk op de structuur hebben alle een invloed op die geleidbaarheid en kunnen door het systeem dus tijdig opgespoord worden. De openheid van de controller maakt het bovendien mogelijk om eender welke sensor of instrument aan het systeem te koppelen.
«We bieden een modulaire oplossing”, legt Van Ingelgem uit. “Ons doel is om in elk project de meest optimale toepassing te realiseren zonder gebonden te zijn aan beperkingen van ons eigen platform. Voor heel wat metingen maken we gebruik van off-the-shelf sensoren die via analoge I/O’s, digitale I/O’s of Modbus aan de PLC gekoppeld worden. Of het een eenvoudige temperatuursensor is, of een sonar meetinstrument dat de zeebodem scant, voor elke bijkomende meting volstaat het om een kaart toe te voegen aan de I/O’s zodat we de data controller kunnen inlezen».
Niveau van scientific automation
De CPU’s die in het Eneco-project gebruikt worden, zijn van een type waarbij de meeste meetwaarden ingelezen worden via analoge 24 bits kaarten. Zensor maakt ook gebruik van XFC-klemmen (extreme fast control) die een sampling frequentie bieden die bijvoorbeeld 100 keer hoger ligt dat de cyclustijd van de PLC. «De performantie van de klemmen bereikt het niveau van scientific automation, wat in de PLC-wereld niet vanzelfsprekend is», stelt Nieubourg.
«De resolutie waarmee we meetwaarden kunnen inlezen en de hoge sample snelheden bepalen mee het competitief voordeel van onze oplossing. Daarnaast zijn ook de eigenschappen van de soft-PLC voor ons een sterk argument. Aan de PLC-kant hebben we de flexibiliteit van verschillende I/O’s en de XFC-klemmen. Aan de PC-kant gebruiken we de rekenkracht om data te filteren en te verwerken, frequentieanalyses uit te voeren en meetwaarden te vergelijken met vooraf gedefinieerde tresholds».
Problemen tijdig detecteren
De oplossing die aan Eneco wordt aangeboden gaat echter veel verder dan de apparatuur in de turbines. Alle meetwaarden worden in de PLC gecomprimeerd en via glasvezel overgebracht naar een server aan land.
Van daaruit wordt een cloud oplossing aangeboden die de beheerders van het windpark in staat stelt om de installatie te monitoren. Alle meetwaarden zijn in real-time te raadplegen, met grafieken die trends en afwijkingen zichtbaar maken.
Veel belangrijker nog is dat Zensor met de beschikbare data ad hoc analyses kan uitvoeren om specifieke vragen over de structuren te beantwoorden. Zo kan men op regelmatige basis nagaan welke preventieve acties zich opdringen.
«Een windturbine op zee is niet het soort installatie waar je bij de vaststelling van een probleem meteen naar toe kan om het op te lossen», claimt Van Ingelgem. «Dat we mogelijke problemen tijdig detecteren geeft onze klanten de ruimte om acties goed voor te bereiden en op een geschikt moment in te plannen».
Een doorgedreven monitoring helpt dan ook om kosten te besparen en de maximale beschikbaarheid – en dus energieopbrengst – te garanderen.
(foto's: Beckhoff, Eneco)
door Erwin Vanvuchelen
