Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring ... - GL Group

Richtlinie für die Zertifizierung von
Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen
Dr.-Ing. Karl Steingröver
Dipl.-Ing. Peter Dalhoff
Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Windenergie
Steinhöft 9,
D-20459 Hamburg
Tel.: +49 40-31 106-7440
Fax : +49 40-31 106-1720
E-Mail: karl.steingroever@gl-group.com, Internet: http://www.gl-group.com/glwind
Einleitung
Die CMS-Richtlinie der Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Windenergie (GL
Wind) findet großen Anklang sowohl bei Herstellern dieser Condition Monitoring Systeme
(CMS) wie auch bei Herstellern von Windenergieanlagen (WEA), die diese Systeme
zusammen mit ihren WEA als Komplettlösung anbieten wollen, und den Versicherungen. GL
Wind prüft und zertifiziert Condition Monitoring Systeme wie auch die Überwachungsstellen.
In der 2007 veröffentlichten vollständig überarbeiteten GL-Richtlinie „Guideline for the Certification
of Condition Monitoring Systems for Wind Turbines“ sind alle in den letzten Jahren
gewonnenen Erkenntnisse aus der Zertifizierung von CMS und Überwachungsstellen sowie
aus Forschung und Normung zusammengefasst. Neben den auf Schwingungs- und Körperschallmessung
basierenden CMS werden auch Systeme zur Überwachung weiterer WEA-
Komponenten wie. z.B. Zustandsüberwachung und -erkennung der Rotorblätter, Messung
und Beurteilung von Ölqualitäten etc. beschrieben. Zusätzlich sind die Anforderungen an
Datenanalyse, Interpretation und Datenspeicherung sowie die Vorgehensweise bei
Überschreitung von Grenzwerten, Anforderungen an die Überwachungsstelle etc. festgelegt.
Hintergrund
Wenn man die Entwicklung der Windenergie seit 1990 betrachtet, so ist ab Mitte der 90er
Jahre ein sprunghafter Anstieg der installierten Anzahl von Windenergieanlagen sowie der
installierten Leistung festzustellen. Die durchschnittlich installierte Leistung einer Anlage
betrug 1995 ca. 500 kW. Heute durchlaufen die ersten Anlagen mit einer Leistung von bis zu
5 MW die Prototypentestphase.
Zusammen mit Anlagengröße und -leistung hat sich auch die Belastung auf die einzelnen
Anlagenkomponenten erhöht. In Bezug auf Investitions- und Betriebskosten ist für den WEA-
Betreiber ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlagen zwingend erforderlich, d.h. es gilt die
Stillstandszeiten der Anlagen auf ein Minimum zu reduzieren. Es werden von den Betreibern
und Windenergieanlagenherstellern Verfügbarkeiten über 97% angestrebt und entsprechend
vertraglich festgeschrieben und garantiert. Für Offshore-WEA sind diese Zuverlässigkeiten
im Schnitt wie bei Onshore-WEA erforderlich, obwohl die schlechte Zugänglichkeit im

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Offshore-Bereich erhebliche Ausfallzeiten bei größeren Reparaturen erwarten lässt.
Um dieser Forderung nach Minimierung der Stillstandszeiten nachzukommen, auftretende
Schäden vorherzusagen und lokal zu begrenzen und somit Folgeschäden an anderen
Bauteilen zu verhindern und die notwendigen wartungsbedingten Anlagenabschaltungen zu
planen, ist es erforderlich, eine kontinuierliche Zustandsüberwachung (Condition Monitoring)
der Windenergieanlage vorzunehmen. Dieses kann durch ein „Condition Monitoring System“
realisiert werden.
Condition Monitoring System
Durch ein CMS ist es möglich, die relevanten Zustandsänderungen der überwachten
Anlagenkomponenten, die die Abweichungen vom normalen Betriebsverhalten darstellen
und zu deren frühzeitigen Ausfall führen können, zu erkennen.
Das CMS erstreckt sich über die Schwingungs- und Körperschallmessung an den
Triebstrangkomponenten wie z.B. Hauptlager, Getriebeverzahnung und -lager, am Generator
und am Turm kombiniert mit der Erfassung von Betriebsparametern wie z.B. Leistung,
Drehzahl, Öl- und Lagertemperaturen. Auf Grundlage der erfassten Daten erfolgt ein
Vergleich mit den festgelegten Grenzwerten des jeweiligen Bauteils. Stellt das CMS eine
Überschreitung eines Grenzwertes fest, so wird automatisch eine Alarmmeldung (z.B. per
SMS, E-Mail) an die zuständige Überwachungsstelle abgegeben. Hier erfolgt dann eine
Auswertung der Messwerte, um entsprechende Maßnahmen einzuleiten.
Diese Systeme haben sich in anderen Industriebereichen (z.B. Kraftwerkstechnik, Walzwerk)
schon erfolgreich bewährt und gehören dort zur Grundausstattung der zu überwachenden
Maschinen bzw. Bauteile. Nicht zuletzt auf Druck der Versicherungen werden in der
Windenergiebranche die Anlagen mit Condition Monitoring Systemen ausgerüstet. Es gibt
hier bereits etliche Anbieter, die ihre Systeme in Windenergieanlagen im Einsatz haben.
Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen
Die Richtlinie von GL Wind fasst den Stand der Technik zusammen und gibt der Branche die
wichtigsten Randbedingungen zur Entwicklung, Installation und Betrieb dieser Systeme an
die Hand.
Bei der Richtlinienerstellung stand GL Wind in Kontakt mit Windparkbetreibern, die verschiedene
Systeme im Einsatz haben, Herstellern von Windenergieanlagen bzw. Condition
Monitoring Systemen und der Versicherungsbranche. Auf diese Weise wird erreicht, dass
eine breite Basis an der Richtlinienerstellung mitwirkt und diese mit trägt - Gewährleistung
der größtmöglichen Neutralität und Akzeptanz -, so dass die Richtlinie entsprechend zur
Anwendung kommt.

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In der CMS-Richtlinie werden neben der Darstellung des Zertifizierungsumfanges u.a. auch
die Anforderungen an
a) das Condition Monitoring System
b) den WEA-Hersteller
c) die zuständige Überwachungsstelle
d) die einzureichenden Unterlagen
e) den Systemtest
f) die Re-Zertifizierung des CMS und der Überwachungsstelle festgeschrieben.
In Abb. 1 ist die Gliederung der Zertifizierung dargestellt.
Abb. 1: Gliederung der Zertifizierung eines CMS
Nachfolgend werden die Anforderungen an die o.g. Punkte a) - c) auszugsweise benannt.
Eine detailliertere Ausführung ist der CMS-Richtlinie von GL Wind zu entnehmen.

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a) Condition Monitoring System:
- Das CMS ersetzt nicht die festgesetzten Anlagenwartungen und -inspektionen.
- Das CMS ist kein Ersatz für fest verdrahtete Sicherheitssysteme und muss getrennt von
Sicherheits- und Betriebssystem operieren.
- Das CMS ist vor dem unautorisierten Zugriff Dritter zu schützen.
- Es ist eine einfache und eindeutige Bedienweise des CMS vorzusehen.
- Das CMS muss über ein integriertes Diagnosesystem (Watchdog) verfügen.
- Es muss ein Einsatz des CMS auch unter extremen Umgebungsbedingungen (z.B. Offshore)
möglich sein.
- Es sind mindestens Hauptlager (Abb. 2), Hauptgetriebe (Abb. 3), Generator (Abb. 4) sowie
Gondel mit Turm mittels CMS zu überwachen.
Auf den nachfolgenden Abbildungen werden einige Beispiele für die Anbindung der
Sensoren an verschiedenen Anlagenkomponenten gegeben.
Abb. 2: Sensor am Hauptlager. Der Sensor
(Pfeil) soll Schäden erfassen, die durch die
langsam drehende Welle hervorgerufen
werden. Die Lagerschwingungen, die entstehen
können, liegen im niederfrequenten
Bereich unter 10 Hz.
Abb. 3: Sensor (Pfeil) an der schnelllaufenden
Getriebeabtriebsstufe
Abb. 4: Sensor zur
Generatorlagerüberwachung

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- Es werden für die Überwachung von Hauptlager, Hauptgetriebe und Generator mindestens
sechs Beschleunigungssensoren mit einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 10 kHz und für
Gondel mit Turm je einen Beschleunigungssensor in axialer Richtung (in Windrichtung)
sowie quer dazu mit einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 100 Hz benötigt.
- Die Sensoren sind entweder anzuschrauben oder mit einem keramischen Kleber anzukleben.
Abb. 5 zeigt die Ankopplung eines Sensors durch Klebung.
Abb. 5: Ankopplung des Sensors. Die
Ankopplung erfolgt mittels Klebung einer
Adapterplatte an das Bauteil.
- Weiterhin sind folgende Betriebsparameter – soweit zutreffend und erforderlich – aufzunehmen:
- Windrichtung
- Außenlufttemperatur
- Gondeltemperatur
- Lagertemperaturen
- Generatorwicklungstemperatur
- Öltemperaturen und -drücke
- Meldungen zu Steuereingriffen (z.B. aktive Windrichtungsnachführung)
- Es sind mindestens acht schnelle Eingangskanäle mit einer Abtastrate von > 20 kHz pro
Kanal erforderlich sowie eine ausreichende Kanalanzahl zur Aufnahme der Betriebsparameter.
Die Kanalanzahl sollte erweiterbar sein.
- Es sind die zustandsbedingten von den normalen betriebsbedingten Messwerten zu
trennen.
- Für die Analyse von Wälzlagern sind Hüllkurvenspektren (HKS), frequenzselektierte

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Kennwerte aus dem HKS sowie breitbandige Kennwerte zu benutzen. Für die Auswertung
der Messwerte der Verzahnungen sind neben HKS auch Amplitudenspektren sowie
frequenzselektierte Kennwerte aus diesen heranzuziehen.
Bei den Gondel-, Turm- bzw. sonstigen Maschinenschwingungen sind breitbandige Kennwerte,
Amplitudenspektren sowie frequenzselektierte Kennwerte aus diesen zu berücksichtigen.
- Drehzahlschwankungen sind durch geeignete Verfahren (z.B. Ordnungsanalyse) zu
berücksichtigen.
- Bei der Datenmittelung ist darauf zu achten, dass aussagekräftige Daten für die
Interpretation nicht verloren gehen.
- Grenzwertüberschreitungen sind vom CMS automatisch und unmittelbar als Alarm an die
Überwachungsstelle zu übermitteln.
- Für eine aussagefähige Trendanalyse werden mindestens die Messdaten von einem Jahr
benötigt.
- Berechnete Kennwerte und Spektren sind unabhängig von einer Grenzwertüberschreitung
zu speichern. Es ist eine dauerhafte Speicherung einer Mindestanzahl von Datensätzen
vorzusehen. Hierfür ist ein geeignetes Speicherkonzept vorzusehen.
- Für die Diagnose sind geeignete Hilfsmittel bereitzustellen, die u.a. einen Fernzugriff auf
die Messdaten ermöglichen sowie eine Menüführung zum Ort der Grenzwertüberschreitung
anbieten und Unterstützung bei der Zuordnung der Schadensfrequenzen liefern.
b) Anforderungen an den WEA Hersteller:
- Es ist eine detaillierte technische Dokumentation der WEA an die Überwachungsstelle zu
liefern. Dies bezieht sich zum einen auf allgemeine Daten der Windenergieanlage (z.B.
Bauart, Anzahl der Rotorblätter, Drehzahlen) und zum anderen auf spezielle Informationen
mit genauen Angaben zu den einzelnen Anlagenkomponenten, wie z.B. Getriebe (z.B.
Bauart des Getriebes, Zahneingriffsfrequenz, Bezeichnung sämtlicher Lager), Hauptlager,
relevante Eigen- und Erregerfrequenzen.
- Der WEA-Hersteller ist für die Vorbereitung der Messpositionen verantwortlich. Unter
Umständen kann es erforderlich werden, Erprobungsmessungen vorzunehmen, um eine
optimale Position für die Messaufnehmer zu finden.
- Es sind alle Signale von den benötigten Betriebsmessgrößen (z.B. Drehzahl, Leistung,
Öltemperatur) zur Verfügung zu stellen, die für das CMS erforderlich sind.
- Beim Austausch von überwachten Komponenten der WEA sind der Überwachungsstelle
die notwendigen Komponentenangaben zu übermitteln.

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c) Anforderungen an die Überwachungsstelle:
- Das CMS bedingt eine kontinuierliche qualifizierte Betreuung, um z.B. eine Anpassung der
Grenzwerte nach Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten vorzunehmen.
- Es müssen gute Kenntnisse der zu überwachenden WEA vorliegen, sowie eine detaillierte
Dokumentation der zu überwachenden Anlagenkomponenten.
- Bei der Interpretation der Messergebnisse und der Anpassung der Grenzwerte sind die
Erfahrungen der tatsächlichen Bauteillebensdauer einzubeziehen.
- Grenzwertüberschreitungen sowie alle am CMS einer WEA vorgenommenen Einstellungen
sind nachvollziehbar zu dokumentieren und für die Lebensdauer der Anlage nachweisbar zu
archivieren.
- Es ist eine schriftliche Verfahrensweise und eine Regelung der Verantwortlichkeit
festzulegen, mit der die Überwachungsstelle auf den Eingang von Alarmmeldungen, die z.B.
aus Grenzwertüberschreitungen resultieren, reagiert.
- Es ist eine allgemeine schriftliche Beschreibung für die Vorgehensweise für die
Überwachung der WEA zu erstellen.
- Zur Interpretation der eingegangenen Alarmmeldung müssen ausreichende Fach- und
Anlagenkenntnisse vorliegen und für die Interpretation der Messdaten sind Experten hinzuzuziehen.
- Es sind für die Interpretation der Messwerte und für die Schulung der Experten entsprechende
Verfahrensweisen festzulegen.
- Die Experten müssen in der Lage sein, die zustandsbedingten von den betriebsbedingten
normalen Messwerten zu unterscheiden und entsprechend zu interpretieren, um geeignete
Maßnahmen einzuleiten.
- Dem Betreiber der WEA ist Einsicht in die Messdaten des CMS zu gewähren. Er ist
periodisch über eingegangene Alarmmeldungen und die daraus resultierenden Maßnahmen,
dem Ausmaß der Alarmmeldungen nach auch ggf. unmittelbar, zu unterrichten. Auf Anfrage
ist ihm Auskunft über den derzeitigen Zustand der WEA sowie über die gemachten
Einstellungen zu geben.
GL Wind prüft und zertifiziert anhand dieser Richtlinie die Condition Monitoring Systeme. Es
ist auch möglich, die zuständigen Überwachungsstellen, die für die Auswertung und
Interpretation der Messergebnisse verantwortlich sind, zu zertifizieren und in Abständen eine
Auditierung vorzunehmen. Es muss überprüfbar dargelegt und erklärt werden, wie die
Grenzwerte ermittelt und warum sie in dieser Form gewählt wurden. Hiermit wird
sichergestellt, dass die Auswertung und Interpretation der komplexen CMS-Daten mit
ausreichender Qualifikation erfolgt.

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GL Wind hat im Rahmen einer WEA-Zertifizierung die technischen Dokumente der Anlage
vorliegen, so dass sich in diesem Zusammenhang auch eine Zertifizierung des CMS
anbietet. Es ist also nicht erforderlich die notwendigen Dokumente an Dritte weiterzugeben.
Der WEA-Hersteller erhält die Zertifizierung des CMS zusammen mit der Anlagenzertifizierung.
Es ist aber auch möglich für bereits in Betrieb befindliche Windenergieanlagen,
bei denen ein CMS nachgerüstet werden soll, eine entsprechende Prüfung vorzunehmen.
Ziel ist eine „versicherungsneutrale“ Zertifizierung, die von allen Versicherern anerkannt wird.
Zusammenfassung
Die in diesem Artikel beschriebene Richtlinie stellt die Anforderungen für die Zertifizierung
von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen dar. Sie bildet die Grundlage für
die Entwicklung und Installation von CMS in Windenergieanlagen und regelt darüber hinaus
auch die Verwendung der Messwerte, wie z.B. Auswertung, Interpretation und Speicherung,
sowie die Handlungsabläufe beim Überschreiten von festgelegten Grenzwerten.
Zertifizierer, Hersteller und Betreiber von Condition Monitoring Systemen bzw. Windenergieanlagen
und Versicherungen können somit auf ein Dokument zugreifen, dass für alle
Beteiligten die relevanten Kriterien für Condition Monitoring Systeme in Windenergieanlagen
zusammenfasst. Die CMS-Richtlinie wie auch andere von GL Wind herausgebrachte
Richtlinien können unter http://www.gl-group.com/glwind oder unter der oben angegebenen
Adresse bestellt werden.
Bei der Erstellung der CMS-Richtlinie hat GL Wind die „Anforderungen an Condition
Monitoring Systeme für Windenergieanlagen“ der Allianz Zentrum für Technik GmbH [3]
integriert sowie auch die Anforderungen der Gothaer Versicherung berücksichtigt, welche
zusammen mit dem Bundesverband WindEnergie (BWE) ein entsprechendes Dokument
erstellt hat [4].
Literatur
[1] Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Windenergie: Richtlinie für die
Zertifizierung von Windenergieanlagen (Ausgabe 2003)
[2] Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Windenergie: Regulation for the
Certification of Offshore Wind Energy Conversion Systems (Edition 2005)
[3] Allianz Zentrum für Technik GmbH: Anforderungen an Condition Monitoring
Systeme für Windenergieanlagen; Bericht Nr.: 03.01.068, 27.03.2003;
[4] Bundesverband WindEnergie e.V.: Grundsätze für die Prüfung zur zustandsorientierten
Instandhaltung von Windenergieanlagen; Stand: Februar 2003