Phytec / SSB Wind Systems Embedded Imaging in der Praxis

Ein kompaktes Embedded-Imaging-System dient als Herz des SSB BladeVision zur Vermessung von Windkraftanlagen.

Wenn bei einer Produktentwicklung Flexibilität, kompakte Bauform und Kostenoptimierung im Vordergrund stehen, bieten sich hochintegrierte Embedded-Imaging-Systeme an. Das Beispiel der Entwicklung einer Elektronik für ein präzises Messgerät in Windkraftanlagen zeigt die Vorteile von Embedded Imaging.

Unter dem Namen „SSB BladeVision System“ entwickelte Phytec in enger Zusammenarbeit mit SSB Wind Systems ein Kamerasystem, das sich so in der Nabe einer Windkraftanlage positionieren lässt, dass es von innen in ein Rotorblatt hineinsehen und dessen Biegung vermessen kann. Durch Kenntnis der Rotorblatt-Biegung und weiterer Parameter des Blatts lässt sich die Stärke des Windfelds über eine zweidimensionale Fläche messen, die der überstrichenen Rotorfläche entspricht. Dazu müssen die Daten aus der Bildverarbeitung mit weiteren Sensordaten verknüpft werden, etwa der aktuellen Position des Rotorblatts.

Gegenüber klassischen Systemen mit einfachen Schalenanemometern am Heck der Anlage lassen sich damit auch Unterschiede im Winddruck in unterschiedlichen Rotorblattpositionen messen – bei Spannweiten von über 100 Metern ein wichtiger Faktor für den effizienten Betrieb von Windkraftanlagen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen erfolgt die Auswertung anhand von 15-Sekunden-Daten anstatt von 10-Minuten-Mittelwerten und damit sowohl räumlich als auch zeitlich mit einer höheren Genauigkeit. Schließlich lassen sich aus den gewonnenen Daten auch Hinweise auf den Anlagenzustand errechnen, die Predictive Maintenance ermöglichen.

»Die Anforderungen an das Kamerasystem waren nicht durch eine Zusammenstellung herkömmlicher Bildverarbeitungskomponenten zu erfüllen«, erläutert Martin Klahr, Bereichsleiter Digital Imaging bei Phytec Messtechnik. »Dies wäre schon wegen der Anforderungen in puncto Größe und geplantem Verkaufspreis des Systems keine Option gewesen. Eine schlanke Anbindung der peripheren Sensorik war unerlässlich. Hinzu kamen die teils extremen Umweltbedingungen nicht nur bezüglich Umgebungstemperaturen und Klima – je nach Standort des Windparks extreme Wärme oder Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt. Auch Vibrationen und starke elektromagnetische Störfelder durch Blitzeinschläge waren beim Systemdesign zu berücksichtigen.«

Kostengünstig dank vorentwickelter Komponenten

Trotz dieser vielfältigen Anforderungen ließen sich die Entwicklungskosten der Geräteelektronik niedrig halten, indem auf von Phytec vorentwickelte Embedded-Komponenten aufgesetzt wurde. Zum Einsatz kamen dafür ein Prozessormodul und eine Kamera von Phytec, ergänzt durch ein individuell entwickeltes Basis-Board für die projektspezifischen Baugruppen. Prozessormodul und Kamera sind industrietauglich und als Standardprodukte erhältlich. Das Prozessormodul beruht auf dem i.MX 6, einem ARM-Cortex-A9-Quadcore-Prozessor von NXP. Das kompakte, zwölflagige Modul-Design umfasst auf einer Fläche kleiner als eine Scheckkarte alle zum Betrieb der CPU nötigen Komponenten wie RAM und Flash-Speicher. Für die Verbindung zur Basisplatine sorgen High-Density-Steckverbinder, die in puncto Vibrationen gemäß MIL- und Bahn-Normen getestet und damit auch für den geplanten Einsatzort qualifiziert sind.

Die Schaltung der Basisplatine wurde individuell von Phytec gemäß der in der Planungsphase gemeinsam mit SSB Wind Systems erarbeiteten Spezifikation entwickelt und trägt die restliche Sensorik, die Spannungsversorgung und die Schnittstellenumsetzungen des BladeVision-Systems. »Die Spannungsversorgung und sämtliche Schnittstellen mussten wegen Blitzschutz-Anforderungen besonders widerstandsfähig ausgeführt werden«, sagt Martin Klahr. »Die Robustheit des Designs gegen elektromagnetische Störereignisse wurde in einem Impuls- und Hochstrom-Fachlabor überprüft.«