-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung des Betriebsverhaltens
einer Windenergieanlage, bei dem von einer Steuereinheit Steuersignale
an eine Simulationseinheit übertragen werden, und bei dem
von der Simulationseinheit anhand eines oder mehrerer mathematischer
Modelle, die das Verhalten eines oder mehrerer Bauteile der Windenergieanlage
in Abhängigkeit von den Steuersignalen abbilden, für
die anliegenden Steuersignale bei vorbestimmten Ausgangsbedingungen
resultierende Betriebsdaten für mindestens ein Bauteil
der Windenergieanlage berechnet werden.
-
Die
Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Darstellung
des Betriebsverhaltens einer Windenergieanlage, mit einer Steuereinheit
und einer mit der Steuereinheit verbundenen Simulationseinheit,
wobei von der Steuereinheit Steuersignale an die Simulationseinheit übertragbar
sind, und wobei von der Simulationseinheit anhand eines oder mehrerer
mathematischer Modelle, die das Verhalten eines oder mehrerer Bauteile
der Windenergieanlage in Abhängigkeit von den Steuersignalen
abbilden, für die anliegenden Steuersignale bei vorbestimmten Ausgangsbedingungen
resultierende Betriebsdaten für mindestens ein Bauteil
der Windenergieanlage berechenbar sind.
-
Derartige
Verfahren bzw. Vorrichtungen sind grundsätzlich bekannt
aus
DE 10 2004
056 223 A1 . Bei der bekannten Vorrichtung bzw. dem bekannten Verfahren
wird die Darstellung des Betriebsverhaltens der Windenergieanlage
zur Überprüfung der Funktion einer Steuerung der
Anlage eingesetzt. Mit dem bekannten Simulationssystem kann das
Betriebsverhalten der Windenergieanlage nur durch Berechnung der
Prozeß- bzw. Betriebsdaten, also in Form von Zahlenwerten,
dargestellt werden. Die Darstellung erfolgt entweder eindimensional
als Betriebsdatenwert oder zweidimensional als Wertepaar eines Zeitpunkts
mit einem zugehörigen Betriebsdatenwert.
-
In
mehreren Arbeitsbereichen eines Windenergieanlagenherstellers fehlen
bislang geeignete technische Hilfsmittel zur optimalen Bewältigung
der jeweiligen Aufgaben. So legen Konstrukteure beispielsweise Windenergieanlagen
mit Hilfe von CAD-Systemen aus. Dabei müssen sie neben
der rein technischen Funktionsfähigkeit auch Aspekte der
Arbeitssicherheit, des Brandschutzes sowie der Intriebnahme- und
Servicefreundlichkeit berücksichtigen. Die CAD-Systeme
visualisieren die Konstruktion dreidimensional statisch. In sehr
begrenztem Umfang kann mit derartigen Systemen auch die Kinematik
der Anlage dargestellt werden. Dabei ist es bislang jedoch nicht
möglich, das reale Anlagenverhalten in allen Betriebszuständen
darzustellen.
-
Ein
weiteres Beispiel ist der Bereich der Verfahrenstechnik. Dabei müssen
Verfahren zum sicheren und effizienten Betrieb der Windenergieanlage festgelegt
werden. Welche Auswirkungen verschiedene Verfahren auf die Anlage
im Betrieb haben werden, läßt sich im voraus nur
schwer präzise abschätzen. Darüber hinaus
ist man bei Schulungen beispielsweise des Inbetriebnahme- und Servicepersonals
bislang darauf angewiesen, entweder vor Ort an einer realen Windenergieanlage
auszubilden oder in einem Unterrichtsraum anhand herkömmlicher
Unterrichtsmaterialien wie Fotos, Videos und Skizzen. Es fehlt ein
technisches Hilfsmittel, mit dem Arbeitsschritte einfach, transparent,
reproduzierbar und ohne Gefahr für Mensch und Maschine
demonstriert werden können.
-
Bei
allen genannten Beispielen ist zur Bewältigung der jeweiligen
Aufgabe ein großes Maß an räumlichem
Vorstellungsvermögen erforderlich.
-
Ausgehend
von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mit denen das reale kinematische
Verhalten einer Windenergieanlage dreidimensional visualisiert werden
kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen
Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung finden sich in
den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung
und der Zeichnung.
-
Für
das eingangs genannte Verfahren zur Darstellung des Betriebsverhaltens
einer Windenergieanlage löst die Erfindung die Aufgabe
dadurch, daß die Windenergieanlage durch eine Visualisierungseinheit
dreidimensional dargestellt wird, wobei die Visualisierungseinheit
die berechneten Betriebsdaten fortlaufend aus der Simulationseinheit
ausliest und zumindest die in der dreidimensionalen Darstellung
der Windenergieanlage enthaltene dreidimensionale Darstellung des
mindestens einen Bauteils, für das Betriebsdaten berechnet
wurden, entsprechend den berechneten Betriebsdaten aktualisiert.
-
Für
die eingangs genannte Vorrichtung wird die Aufgabe gemäß der
Erfindung dadurch gelöst, daß eine Visualisierungseinheit
vorgesehen ist, mit der die Windenergieanlage dreidimensional darstellbar
ist, und mit der die berechneten Betriebsdaten fortlaufend aus der
Simulationseinheit auslesbar sind und zumindest die in der dreidimensionalen
Darstellung der Windenergieanlage enthaltene dreidimensionale Darstellung
des mindestens einen Bauteils, für das Betriebsdaten berechnet
wurden, entsprechend den berechneten Betriebsdaten aktualisierbar
ist.
-
Die
Steuereinheit übergibt also Steuersignale an die Simulationseinheit.
Die Simulationseinheit berechnet ausgehend von gegebenen Anfangsbedingungen,
beispielsweise einer Ausgangsstellung des Rotors, der Gondel (Azimut-Einstellung),
eines Rotorblattwinkels etc., und gegebenenfalls weiteren Randbedingungen,
beispielsweise Windstärke etc., anhand mathematischer,
insbesondere numerischer Modelle, reale Ist-Werte einer Windenergieanlage
bei den jeweils anliegenden Steuersignalen. Die Simulationseinheit
simuliert also das reale Verhalten einer Windenergieanlage entsprechend
den jeweiligen Betriebsbedingungen. Dabei kann mit der Simulationseinheit
das Verhalten bei sämtlichen Betriebszuständen
simuliert werden. Bei den Steuersignalen kann es sich beispielsweise
um Sollwerte für unterlagerte Regelkreise der Windenergieanlage,
einer Pitchwinkeleinstellung, einer Azimutwinkeleinstellung etc. handeln.
Die Betriebsdaten sind Parameter der Windenergieanlage bzw. ihrer
Komponenten. Dabei kann es sich beispielsweise bei der Gondel um
einen Azimutwinkel, bei dem Rotor um eine Drehzahl, bei dem Rotorblatt
um einen Pitchwinkel, bei dem Generator um eine Temperatur oder
Leistung, bei Elektroantrieben um Drehzahlen, Drehmomente handeln etc.
-
Die
erfindungsgemäß eingesetzte Steuereinheit ist
eine Steuereinheit, wie sie auch in tatsächlichen Windenergieanlagen
zum Einsatz kommt. Somit können reale Zustände
der Windenergieanlage wie an einer tatsächlichen Anlage
eingestellt werden und die entsprechenden Betriebsdaten der Anlage ermittelt
werden. Dies umfaßt beispielsweise die Anlagendynamik,
das Ausführen von Betriebszuständen oder das Ermitteln
von Fehlerzuständen.
-
Mit
der Visualisierungseinheit wird eine dreidimensionale Darstellung
der Windenergieanlage zur Verfügung gestellt. Die Visualisierungseinheit
setzt dabei die gesamte Windenergieanlage aus einzelnen dreidimensionalen
Körpern zusammen. Bei einer Änderung der Betriebsdaten
werden entsprechend der Visualisierungseinheit einzelne oder mehrere
der dreidimensionalen Körper in ihrer Darstellung aktualisiert.
Der Schlüssel liegt dabei darin, die von der Simulationseinheit
ermittelten Prozeß- bzw. Betriebsdaten den dreidimensionalen
Körpern der Windenergieanlagendarstellung zuzuordnen. Erst
durch dieses erfindungsgemäße Vorgehen wird die
Kopplung der dreidimensionalen Visualisierung der Anlage mit ihrem
realen Betriebsverhalten ermöglicht. Für die Aktualisierung
der Darstellung findet in der Visualisierungseinheit eine Zuordnung
der von der Simulationseinheit berechneten Betriebsdaten zu entsprechenden
Geometriedaten (Translation, Rotation) der dreidimensionalen Körper
der Windenergieanlagendarstellung statt.
-
Das
Auslesen der berechneten Betriebsdaten aus der Simulationseinheit
erfolgt durch die Visualisierungseinheit fortlaufend. Das Auslesen
kann zyklisch, in bestimmten Zeitintervallen wiederholt erfolgen.
Die Aktualisierung der dreidimensionalen Darstellung der Anlage
kann sukzessive und fortlaufend durchgeführt werden. Es
kann also beispielsweise in regelmäßigen Zeitabständen
eine Aktualisierung erfolgen. Dabei sollte die Aktualisierungsrate
so hoch sein, daß die Darstellung für die menschliche
Wahrnehmung kontinuierlich erscheint. Es ist selbstverständlich
denkbar, die Darstellung eines oder mehrerer Bauteile nur dann zu
aktualisieren, wenn sich relevante Betriebsdaten für dieses
Bauteil geändert haben, z. B. der Pitchwinkel eines Rotorblatts,
also eine ereignisorientierte Aktualisierung vorzusehen.
-
Im
Ergebnis erreicht die Erfindung eine bewegte dreidimensionale Darstellung
des realen Verhaltens einer Windenergieanlage. So kann beispielsweise
eine Änderung der Pitchwinkeleinstellung durch eine sukzessive
Aktualisierung der dreidimensionalen Darstellung des Rotorblatts
bewegt dargestellt werden. In entsprechender Weise kann beispielsweise
auch eine Drehung des Rotors oder eine Änderung der Rotordrehzahl
bei einer Änderung der Azimuteinstellung mittels der erfindungsgemäß aktualisierten
dreidimensionalen Darstellung bewegt veranschaulicht werden. Für
den Betrachter ergibt sich eine bewegte Darstellung des realen kinematischen Verhaltens
einer Windenergieanlage in drei Dimensionen.
-
Damit
die Vorrichtung ihre erfindungsgemäße Aufgabe
erfüllen kann, findet zwischen der Steuereinheit und der
Simulationseinheit sowie zwischen der Simulationseinheit und der
Visualisierungseinheit ein Austausch von Daten, insbesondere Steuersignalen
und Betriebsdaten, statt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung führen zu einer Vereinfachung der Konstruktion
und Auslegung von Windenergieanlagen, einer Vereinfachung der Bestimmung
von Verfahren zum sicheren Betreiben solcher Anlagen und einer Vereinfachung
der Schulung von Personal. Darüber hinaus wird die Sicherheit weiter
verbessert, da ohne die mit einer realen Windenergieanlage verbundenen
Gefahren verschiedenste Betriebszustände der Anlage getestet
werden können. Auch haben Fehler von zu schulendem Personal
nicht die gravierenden Auswirkungen, die bei einer Fehlbedienung
einer realen Anlage auftreten. Erfindungsgemäß besteht
auch die Möglichkeit zur Funktionsprüfung einzelner
Bauteile, beispielsweise der Steuereinheit.
-
Gemäß dem
Stand der Technik wurde lediglich das Verhalten einer Windenergieanlage
durch Berechnung der Prozeßdaten simuliert. Nicht dargestellt
werden konnte dabei das reale kinematische Verhalten der Teilsysteme
der Anlage. Insbesondere konnte keine Beurteilung und Optimierung
des kinematischen Verhaltens der Einzelteile im Kontext der jeweiligen
Betriebszustände der Anlage erfolgen. Um weitergehende
Einblicke in das Systemverhalten zu ermöglichen, wurde
erfindungsgemäß daher eine Visualisierung in drei
Dimensionen entwickelt, die durch Betriebsdatenaustausch mit einer
Simulationseinheit das reale Betriebsverhalten der Anlage darstellen
kann.
-
Die
Visualisierung kann erfindungsgemäß beispielsweise
mittels eines CAD-Systems erfolgen. Dabei genutzte CAD-Darstellungen
können zur Verringerung des Rechenaufwands mittels geeigneter Filteralgorithmen
vereinfacht werden. Die Windenergieanlagenmodelle eines solchen
CAD-Systems können dann durch die in dem Simulationssystem berechneten
Betriebsdaten so angesteuert werden, daß sie sich wie ihre
Pendants in der Realität verhalten. So kann z. B. im Simulationssystem
der Drehwinkel der Rotorachse zu einem bestimmten Zeitpunkt berechnet
werden. Wird dieser Drehwinkel nun einem als 3D-Körper
abgebildeten Rotor zugeordnet, ändert sich im Simulationssystem
bei einer von Null verschiedenen Drehzahl der Drehwinkel fortlaufend. Im
Ergebnis wirkt der dreidimensional abgebildete Rotor so, als würde
er sich drehen.
-
Um
die Darstellung der Anlage weiter zu verbessern, ist es denkbar,
einzelne Bauteile in der Darstellung gezielt transparent darzustellen.
Wird beispielsweise das Maschinenhaus transparent darstellt, ist
es im Gegensatz zu einer realen Windenergieanlage möglich,
im Betrieb der Anlage die Abläufe innerhalb des Maschinenhauses
zu beobachten.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung können die Steuersignale durch
die Steuereinheit in Echtzeit an die Simulationseinheit übertragen
werden. Auch können die Betriebsdaten durch die Simulationseinheit
in Echtzeit berechnet werden. Gemäß diesen Ausgestaltungen
sind die Steuereinheit und die Simulationseinheit in ihrer Implementierung
echtzeitfähig. Sie erzeugen also als Reaktion auf eingehende
Daten ausgehende Daten in einer definierten Zeitspanne. Eine simulierte
Zeitspanne dauert dabei, mit geringen Toleranzen, im Wesentlichen
genau so lange wie eine reale Zeitspanne. Auf diese Weise wird eine
realistischere Darstellung der Anlage erreicht.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann eine mit der Steuereinheit verbundene
Bedieneinheit vorgesehen sein, in die Steuerbefehle eingegeben werden
können. Die Steuerbefehle können von der Bedieneinheit
an die Steuereinheit übertragen werden, wobei die Steuersignale
von der Steuereinheit in Abhängigkeit von den Steuerbefehlen
erzeugt werden. Die Bedieneinheit kann dabei insbesondere eine solche
Bedieneinheit sein, wie sie auch im Betrieb realer Windenergieanlagen
zum Einsatz kommt. Das erfindungsgemäße System
besteht also aus zwei bzw. drei bereits existierenden Systemen,
nämlich der Steuer- und Simulationseinheit bzw. zusätzlich
der Bedieneinheit, sowie zusätzlich aus einem weiteren,
neuen System, welches Betriebsdaten mit der Simulationseinheit austauscht,
nämlich der Visualisierungseinheit. Mit der Bedieneinheit
kann auf sämtliche Funktionalitäten der Steuereinheit
wie bei einer realen Windenergieanlage zugegriffen werden. Die Simulation
und dreidimensionale Darstellung des Verhaltens der Anlage ist somit
wie in der Praxis bei einer tatsächlichen Anlage möglich.
Dabei werden aus den von einem Benutzer in die Bedieneinheit eingegebenen
Steuerbefehlen von der Steuereinheit entsprechende Steuersignale
erzeugt, die dann an die Simulationseinheit übertragen
werden.
-
Die
Steuerbefehle können durch die Bedieneinheit dabei in Echtzeit
an die Steuereinheit übertragen werden. Auch können
die Steuersignale aus den Steuerbefehlen durch die Steuereinheit
in Echtzeit erzeugt werden. Durch die Echtzeitfähigkeit
des Systems wird eine besonders realistische Simulation einer tatsächlichen
Windenergieanlage ermöglicht. Die Visualisierungseinheit
kann ebenfalls echtzeitfähig sein und die Darstellung der
Anlage in Echtzeit aktualisieren. Die Visualisierungseinheit muß jedoch nicht
a priori echtzeitigfähig sein. Sie kann auch lediglich
die Betriebsdaten so darstellen, wie sie sie aus der Simulationseinheit
ausliest. Wenn die Simulationseinheit echtzeitfähig ist
und die 3D-Visualisierungseinheit die Betriebsdaten in ausreichend
kurzen Zyklen aus der Simulationseinheit ausliest, erscheint die
dargestellte und schnell aktualisierte Anlage für den menschlichen
Betrachter wie ein in Echtzeit dargestelltes System. In dieser Hinsicht
hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Betriebsdaten durch
die Visualisierungseinheit mindestens 10 mal, bevorzugt mindestens
20 mal, pro Sekunde aus der Simulationseinheit ausgelesen werden.
Entsprechend kann auch die dreidimensionale Darstellung des mindestens
einen Bauteils, für das Betriebsdaten berechnet wurden,
durch die Visualisierungseinheit mindestens 10 mal, bevorzugt mindestens
20 mal, pro Sekunde aktualisiert werden. So wird beispielsweise
ab einer Bildanzahl von 24 Bildern pro Sekunde bei dem menschlichen
Betrachter eine nahezu perfekte Illusion einer Bewegung erzeugt.
Dabei stellt das Auslesen der Daten aus der Simulations- in die Visualisierungseinheit
kein Problem dar: es kann in 10 ms-Zyklen und darunter erfolgen,
also theoretisch eine Aktualisierungsrate von 100 frames per second (fps)
und mehr ermöglichen. Das die Aktualisierungsrate begrenzende
System ist der darstellende Rechner. Ein derzeit modernes System
ist in der Lage, eine vollständige Windenergieanlage mit
ca. 40 fps darzustellen.
-
Selbstverständlich
können die Steuer- und Simulationseinheiten sowie gegebenenfalls
weitere Einheiten auch als nicht echtzeitfähige Einheiten
aufgebaut sein. Auf diese Weise könnte z. B. die Anlage und
ihr reales Verhalten dreidimensional und im Zeitraffer dargestellt
werden.
-
Eine
weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß sich
relativ zueinander nicht bewegende Bauteile der Windenergieanlage
durch die Visualisierungseinheit zu einer Bauteilgruppe zusammengefaßt
werden und die dreidimensionale Darstellung der Bauteilgruppe entsprechend
den für ein Bauteil der Bauteilgruppe berechneten Betriebsdaten
aktualisiert wird. Gemäß dieser Ausgestaltung werden
also solche dreidimensionalen Darstellungen einzelner Teile der
Windenergieanlage, die sich relativ zueinander nicht bewegen, zusammengefaßt. Dies
kann beispielsweise in einem CAD-System erfolgen. Durch diese Zusammenfassung
von gegeneinander nicht bewegten Komponenten der Anlage wird der
Aufwand bei der Darstellung des Betriebsverhaltens der Windenergieanlage
erheblich verringert. Von der Visualisierungseinheit wird die gesamte Windenergieanlage
aus den einzelnen Bauteilen bzw. Bauteilgruppen zu einer Gesamtdarstellung
zusammengesetzt. Bei der Berechnung neuer Betriebsdaten für
ein Bauteil einer Gruppe wird dann die gesamte Bauteilgruppe gemeinsam
in der Darstellung aktualisiert. In der Praxis kann beispielsweise
ein Knoten zu einem Bauteil definiert werden und sämtliche
sich nicht relativ zu diesem Bauteil bewegenden Bauteile ebenfalls
diesem Knoten zugeordnet werden. Die Auswahl der Bauteilgruppen
beruht dabei auf einem entsprechenden Verständnis der Anlage und
ihrer technischen Funktion.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung können die zu einer Bauteilgruppe
zusammengefaßten Bauteile von der Visualisierungseinheit
abhängig von den jeweils anliegenden Steuersignalen und/oder den
jeweils berechneten Betriebsdaten gewählt werden. Gemäß dieser
Ausgestaltung werden die Bauteilgruppen also in Abhängigkeit
von den jeweils veränderten Betriebsparametern gebildet.
So gehören beispielsweise bei einer Rotordrehung sämtliche
Rotorblätter zu einer gemeinsamen Bauteilgruppe. Bei einer
Pitchwinkeleinstellung bilden die Rotorblätter dagegen
jeweils eigene Bauteile. Entsprechend den jeweils betrachteten Betriebsdaten
wird von der Visualisierungseinheit die entsprechende Bauteilgruppe gebildet.
In der Praxis kann dies über eine Hierarchie verschiedener
Bauteilgruppen bzw. eine Knotenhierarche realisiert werden. Die
Visualisierungseinheit wählt dann die entsprechende Bauteilgruppe
bzw. den entsprechenden Knoten abhängig von den jeweils
betrachteten Betriebsparametern aus. Sofern die Vorrichtung über
eine Bedieneinheit verfügt, kann die Auswahl der Bauteilgruppe
natürlich alternativ oder zusätzlich auch in Abhängigkeit
von den Steuerbefehlen der Bedieneinheit erfolgen.
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur
zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
-
Die
Figur zeigt schematisch eine Steuereinheit 1 (SPS), die
unverändert auch in realen Windenergieanlagen zum Einsatz
kommt. Auf ihr wird die original eingesetzte Automatisierungssoftware
ausgeführt. Damit wird das gesamte Betriebsverhalten einer
Windenergieanlage einschließlich Anlagendynamik, Ausführen
der Betriebszustände und z. B. Ermittlung fehlerhafter
Zustände, maßgeblich bestimmt. Zur Bedienung der
Steuereinheit 1 ist weiterhin eine mit der Steuereinheit 1 verbundene
Bedieneinheit 2 vorgesehen. Mit ihr läßt
sich die Steuereinheit 1 beeinflussen, z. B. um die Windenergieanlage zu
starten oder zu stoppen. Auch die Bedieneinheit 2 besteht
aus einem System, das in unveränderter Form an realen Windenergieanlagen
zum Einsatz kommt. Wie durch die Pfeile 3 schematisch in
der Figur angedeutet, erfolgt zwischen der Steuereinheit 1 und
der Bedieneinheit 2 ein Datenaustausch in beiden Richtungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt weiterhin
eine mit der Steuereinheit 1 verbundene Simulationseinheit 4,
die das Windenergieanlagenverhalten durch Berechnung von Betriebsdaten anhand
mathematischer Modelle nachbildet. Wie durch die Pfeile 5 in
der Figur schematisch angedeutet, erfolgt zwischen der Simulationseinheit 4 und
der Steuereinheit 1 ebenfalls ein Datenaustausch in beiden
Richtungen. Mit der Simulationseinheit 4 ist wiederum eine
3D-Visualisierungseinheit 6 verbunden, die die Windenergieanlage
dreidimensional graphisch ausgeben kann. Wie durch die Pfeile 7 in
der Figur schematisch angedeutet, erfolgt zwischen der Simulationseinheit 4 und
der Visualisierungseinheit 6 wiederum ein Datenaustausch
in beiden Richtungen. Ein bidirektionaler Datenaustausch ist jedoch
nicht zwingend erforderlich. Vielmehr ist auch ein nur unidirektionaler
Datenaustausch von der Simulationseinheit 4 zu der Visualisierungseinheit 6 möglich.
-
Im
Betrieb der Vorrichtung kann ein Benutzer Steuerbefehle zur Steuerung
der Windenergieanlage in die Bedieneinheit 2 eingeben.
Bei solchen Steuerbefehlen kann es sich beispielsweise um Befehle zum
Start bzw. Stopp der Anlage, Befehle zur Einstellung des Blatteinstellwinkels,
eines Azimutwinkels oder andere Steuerbefehle handeln. Wie durch
den Pfeil 3 in der Figur angedeutet, werden die Steuerbefehle anschließend
von der Bedieneinheit 2 an die Steuereinheit 1 übertragen.
Die Steuereinheit 1 erzeugt daraufhin aus den Steuerbefehlen
entsprechende Steuersignale zur Ansteuerung einer Windenergieanlage.
Diese Steuersignale werden anschließend an die Simulationseinheit 4 übertragen,
wie durch den Pfeil 5 in der Figur veranschaulicht.
-
Zu
vorbestimmten Ausgangsbedingungen werden dann von der Simulationseinheit 4 anhand mathematischer
Modelle resultierende Betriebsdaten des durch die Steuersignale
angesteuerten Bauteils der Windenergieanlage berechnet. Wird durch
die Steuersignale beispielsweise die Azimuteinstellung des Maschinenhauses
der Windenergieanlage in Bezug auf den Anlagenturm verändert,
berechnet die Simulationseinheit 4 entsprechend beispielsweise die
neue Winkelposition des Maschinenhauses und eine aufgrund der mit
der Gondeldrehung verbundenen veränderten Anströmung
durch den Wind verursachte veränderte Drehzahl des Anlagenrotors.
Die von der Simulationseinheit 4 berechneten Betriebsdaten
werden dann an die Visualisierungseinheit 6 übermittelt,
wie durch den Pfeil 7 in der Figur gezeigt.
-
In
dem dargestellten Beispiel erfolgt die Visualisierung der Windenergieanlage
durch die Visualisierungseinheit auf der Grundlage eines CAD-Systems.
Dabei sind die Komponenten der Windenergieanlage als einzelne 3D-Körper
in dem CAD-System hinterlegt. Abhängig von den von der
Simulationseinheit 4 empfangenen Betriebsdaten faßt
die Visualisierungseinheit diejenigen 3D-Körper zusammen,
die sich bei einer Änderung dieser Betriebsdaten nicht relativ
zueinander bewegen. In dem angesprochenen Beispiel der Einstellung
des Azimutwinkels des Maschinenhauses werden beispielsweise die
mit dem Maschinenhaus fest verbundenen Komponenten der Anlage zu
einer Bauteilgruppe zusammengefaßt. Nach einem Exportieren
der zusammengefaßten 3D-Körper aus dem CAD-System
in ein für CAD-Graphikeditoren verwendbares Dateiformat
und dem Importieren der zusammengefaßten 3D-Körper
in einen CAD-Graphikeditor kann eine Vereinfachung der 3D-Körper
durch geeignete 3D-Filteralgorithmen erfolgen. Zur Darstellung der
gesamten Windenergieanlage werden mit einem Grafikeditor (beispielsweise
taraVRcontrol), beispielsweise manuell, die einzelnen 3D-Körper
zu einem 3D-Modell einer vollständigen Anlage zusammengefügt
und die von der Simulationseinheit empfangenen Betriebsdaten den entsprechenden Geometriedaten
(Translation und Rotation) der von den jeweiligen Betriebsdaten
betroffenen 3D-Körper zugeordnet. Das anschließend exportierte
Gesamtmodell wird dann von der Visualisierungseinheit 6 animiert
dargestellt. So wird in dem dargestellten Beispiel die Bauteilgruppe
des Maschinenhauses entsprechend der empfangenen Betriebsdaten zur Änderung
des Azimutwinkels des Maschinenhauses in der dreidimensionalen Darstellung der
Windenergieanlage entsprechend rotiert. Wird durch die Gondeldrehung
auch eine veränderte Rotordrehung bewirkt, wird diese veränderte
Rotordrehung entsprechend ebenfalls durch die Visualisierungseinheit 6 dargestellt.
-
In
dem dargestellten Beispiel werden die in die Bedieneinheit 2 eingegebenen
Steuerbefehle in Echtzeit an die Steuereinheit 1 übertragen.
Die Steuereinheit 1 erzeugt daraus wiederum in Echtzeit
die Steuersignale, die sie in Echtzeit an die Simulationseinheit 4 überträgt.
Ebenfalls in Echtzeit werden von der Simulationseinheit 4 die
resultierenden Betriebsdaten für das mindestens eine Bauteil
der Anlage berechnet. In regelmäßigen Abständen,
in dem dargestellten Beispiel mindestens 20 mal pro Sekunde, insbesondere
mindestens 24 mal pro Sekunde, liest die Visualisierungseinheit 6 die
berechneten Betriebsdaten aus der Simulationseinheit 4 aus
und aktualisiert entsprechend ebenfalls mindestens 20 mal pro Sekunde
die dreidimensionale Darstellung des betroffenen mindestens einen
Bauteils der Anlage, indem sie die Betriebsdaten den entsprechenden
Geometriedaten der betroffenen Bauteile bzw. Bauteilgruppen zuordnet.
Um bei dem Beispiel der Azimuteinstellung des Maschinenhauses zu
bleiben, wird die Bauteilgruppe des Maschinenhauses durch die Visualisierungseinheit 6 also
mit einer Frequenz von mindestens 20 Hz um eine entsprechende Winkelstellung
weiter gedreht dargestellt, bis die Bauteilgruppe des Maschinenhauses
schließlich ihre gewünschte Endposition eingenommen
hat. Für einen Betrachter ergibt sich dabei eine realistische
bewegte dreidimensionale Darstellung des Verdrehens des Maschinenhauses.
-
Die
verschiedenen Einheiten der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können auf jeweils voneinander unabhängigen
Computersystemen ausgeführt werden, die untereinander Daten
austauschen. Es ist aber auch möglich, sämtliche
Einheiten als Computerprogramme auf einem einzigen Computersystem auszuführen.
Zur Visualisierung des Betriebsverhaltens der Windenergieanlage
kann von der Visualisierungseinheit 6 beispielsweise die
Software WinMOD/3D View benutzt werden. Als CAD-Programm kann beispielsweise
Pro Engineer (ProE) dienen. Als CAD-Graphikeditor kann das Programm
Deep Exploration genutzt werden und zum Zusammenfügen der Gesamtdarstellung
der Anlage aus den einzelnen Komponenten z. B. das Programm taraVRcontrol.
Mit Ausnahme der Verbindung zwischen der Steuer- und Simulationseinheit
kommunizieren die einzelnen Einheiten der erfindungsgemäßen
Vorrichtung über Ethernetverbindungen miteinander. Für
die Kommunikation zwischen der Steuer- und Simulationseinheit kann
ein Bussystem nach Industriestandard („Interbus") eingesetzt
werden, das üblicherweise höhere Echtzeitanforderungen
durch eine definierte Zykluszeit (z. B. 10 ms) mit geringerem Jitter
erfüllen kann als Protokolle über Ethernet (Ausnahme:
Profinet). Das Interbussystem kann dabei das gleiche System sein,
das auch an realen Windenergieanlagen zum Einsatz kommt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004056223
A1 [0003]