PMX as a central measurement and automation system

Banc d’essais de tests d’éoliennes contre les effets de la pluie et de l’érosion grâce à la plateforme de mesure et de contrôle PMX

Plus rapide qu'une formule 1 : Le nouveau banc d'essai de l'Institut Fraunhofer permet de tester les éoliennes et les systèmes énergétiques (IWES) contre les effets de la pluie et de l’érosion. Ce banc permet d’atteindre des vitesses rapides autour de 550 km/h dans le but précis de tester l’effet abrasif des gouttes de pluie sur l’état de surface des pales.

Les pales d’une éolienne sont fortement exposées aux nombreuses influences environnementales et climatiques extrêmement puissantes : pluie, grêle, sable, eau de mer salée et autres saletés, qui viennent heurter leurs surfaces avec pour résultat une accumulation de saleté et/ou apparition de taches rugueuses sur les partie peintes ou  protégées ; tout particulièrement sur les bords d'attaque des pales. Les changements de température et le rayonnement UV intensifient ces effets.

Augmentation des exigences environnementales et climatiques

Vue d’un bord d'attaque d’une pale

Les effets pluviaux attaque le matériau constituant les pales et arrivent même à créer des fissures, ce qui occasionne de plus en plus de détérioration des propriétés aérodynamiques des pales. Ces changements ont non seulement un impact négatif sur l'efficacité même des éoliennes, mais causent également des nuisances sonores toujours plus élevées.

Le problème ne pourra que s’aggraver à l'avenir, car les rotors devront tourner de plus en plus rapidement afin d’augmenter la rendement des éoliennes offshore : comme la vitesse augmente, les gouttes de pluie heurteront plus intensément les revêtements des pales, ce qui conduira de plus en plus tôt à un endommagement de l’éolienne.

Les taches rugueuses et les dommages des peintures et des enduits apparaissent  particulièrement sur le bord d'attaque des pâles et bien souvent à leur extrémité. Elles impactent négativement les propriétés aérodynamiques des éoliennes et amoindrissent ainsi leurs performances.

Banc d'essai aux conditions climatiques contrôlées

L’Institut Fraunhofer de Bremerhaven en Allemagne travaille sur les technologies éoliennes et les systèmes de production énergétique (IWES) et le Ministère Fédéral Allemand pour l'Environnement, la Conservation de la Nature et la Sécurité Nucléaire (BMU) travaillent ensemble sur le projet "Pluvial Erosion on Rotor Blades" pour le compte de sociétés industrielles. Pour cela, ils ont développé un banc d'essai équipé d’un bras tournant utilisé pour tester divers modèles de pale à des vitesses maximales jusqu'à 600 km/h.

Grâce à ce banc, il est possible de suivre et d’évaluer la résistance des enduits de protection appliqués sur les pales en les testant contre les effets de la pluie avec un contrôle climatique complet (effets des UVA, grosseurs variables des gouttes, températures réglables, environnement salin). L’optimisation des revêtements de protection des pales devrait permettre de se prémunir des dommages et de prolonger ainsi la vie des pales tout en augmentant les périodicités de maintenance et en réduisant de ce fait les coûts.

La formation de glace sur les bras tournants peut être contrôlée dans une chambre ainsi les enduits, en plus d’être testés contre la pluie, peuvent être testés contre la formation de glace à la fois en associant ces deux paramètres ou bien en les utilisant l’un après l’autre. Des échantillons peuvent également être exposés aux rayonnements UVA de manière à simuler un vieillissement des polymères sous la lumière du soleil.

Vue de l’enceinte du banc d'essai avec bras tournant pour tester les pales

Instrumentation et système de contrôle intégrés

Pour actionner efficacement le banc d'essai, un système de mesure et contrôle a été choisi en tenant compte de plusieurs facteurs : permettre une configuration rapide, autoriser des mesures précises et avoir également une très grande résistance aux influences parasites. L’appareil de mesure et plateforme de contrôle PMX de Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh répond parfaitement à ces critères. PMX dispose de modules d’amplification et de sortie nécessaires pour acquérir l’ensemble des grandeurs à mesurer.

Système de mesure et de contrôle PMX installé dans l’armoire de commande du banc d’essai

Acquisition des données :

Tous les signaux ont été mesurés individuellement et de manière synchrone avec une résolution de 24 bits et un taux d’échantillonnage de 19 200 mesures par seconde. Les valeurs mesurées sont traitées en temps réel. L’utilisation d’une interface intégrée Ethernet permet de sauvegarder les données appropriées sur le PC du banc. Les données brutes sont sauvegardées et analysées ultérieurement par le logiciel de mesure catman de HBM.

Automation :

La solution CODESYS-Soft PLC et de diagnostic, intégrée dans le PMX, améliore de  manière significative en efficacité. PMX fonctionne selon la norme industrielle mondiale 61131 et tient compte des procédés déterministes de commande temps réel, qui sont très importants dans ce projet pour la commande synchrone du bras et la commande de la pluie et des conditions climatiques. Le code est créé une fois dans l'environnement CODESYS. Alors un compilateur vérifie les erreurs et le code est chargé dans PMX en tant que code machine. L'application fonctionne indépendamment dans PMX.

Des signaux additionnels de capteurs peuvent être lus via l'interface CANopen intégrée dans le PMX et des signaux de commande peuvent également être envoyés aux éléments de pilotage. D'autres tâches de commande sont effectuées par des E/S numériques et des sorties analogiques disponibles dans l’appareil.

Visualisation et fonctionnement :

Visualisation web CODESYS

Un autre critère décisif en faveur du PMX était la possibilité d'actionner l’appareil via un serveur web intégré à partir de tous les navigateurs Web généralement utilisés. Cela permet d’éviter l’installation d’un logiciel PC et d’effectuer facilement une télémaintenance tout en assurant le fonctionnement à distance avec les réseaux existants.

La solution CODESYS Soft PLC permet également une visualisation Web, maintenant adaptée précisément à l'application. Tous les signaux et éléments de commande appropriés sont disponibles pour actionner le banc d'essai, commande opérateur y compris.

Benjamin Buchholz de IWES coordonne le projet « Rain Erosion on Rotor Blades". Il nous  explique : « Les conditions d'essai sont variables avec des vitesses de rotation et des conditions climatiques ajustables individuellement selon les conditions réelles et les pales en test ». Il poursuit « Enregistrer le temps et les données de fonctionnement nous fournissent une base nécessaire ».

« De cette manière, nous voulons nous assurer de la qualité du banc d'essai et de la validité des résultats finaux. Avec le système de mesure et de contrôle PMX de HBM, nous pouvions mettre en œuvre toutes les tâches nécessaires de mesure et de commande et cela d’une façon efficace et économique » 

Résumé et perspective

L'évaluation des raisons occasionnant des dommages constitue une base essentielle pour pouvoir optimiser les matériaux de revêtement comme les feuillards et la peinture mais aussi pour définir au mieux les périodicités de maintenance et établir les recommandations d’utilisation WPP. Le banc d'essai a permis aux scientifiques d'approfondir leur compréhension sur les processus de détérioration et de développer des concepts de protection appropriés. Avec un montant total de 1.4 million d'euros, le projet "Pluvial Erosion on Rotor Blades" a été commandité par le Ministère Fédéral Allemand de l'Environnement, de la Conservation de la Nature et de la Sécurité Nucléaire (BMU) (index 41V6477). Ce projet fonctionnera jusqu'à septembre 2016.

 

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