西門子風力發(fā)電為風力渦輪控制系統(tǒng)軟件測試開發(fā)硬件在環(huán)仿真器

Author(s):
Samir Bico - Siemens Wind Power A/S

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems, Energy/Power

Products:
cRIO-9151, LabVIEW, PXI-7813R, PXI-6515, PXI-6704, FPGA Module, Simulation Interface Toolkit, Real-Time Module, PXI-1042Q, NI TestStand, PXI-7833R, NI 9264, PXI-8106, NI 9205, NI 9425, PXI-6514, NI 9476, NI 9265, PCI-6733, Control Design and Simulation Module

The Challenge:
改進西門子風力渦輪控制系統(tǒng)軟件定期發(fā)布的自動化測試，驗證開發(fā)階段中的風力渦輪控制系統(tǒng)組件。

The Solution:
使用NI TestStand、LabVIEW實時模塊、LabVIEW FPGA模塊和NI PXI平臺創(chuàng)建用于西門子風力渦輪控制系統(tǒng)的嵌入式控制軟件發(fā)布的硬件在環(huán)（HIL）測試系統(tǒng)。

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位于瑞典馬爾默和丹麥哥本哈根之間厄勒海峽的境外風力農(nóng)場

測試控制系統(tǒng)軟件
風力渦輪系統(tǒng)由多個組件組成，包括電機、齒輪、整流器和變壓器變換器，用于將動力學風能轉(zhuǎn)化為電能。

圖1：風力渦輪組件

控制系統(tǒng)將這些組件通過數(shù)百個I/O信號和多個通信協(xié)議連接在一起。控制系統(tǒng)中最復雜的部分是執(zhí)行控制循環(huán)的嵌入式控制軟件。

由于我們的軟件開發(fā)者定期發(fā)布控制器的軟件新版本，我們需要測試軟件，驗證這些軟件將會在風力站的環(huán)境下可靠執(zhí)行。在每個軟件發(fā)布時，我們在現(xiàn)場使用軟件之前，需要先在工廠接受性能測試。這個全新的測試系統(tǒng)讓我們能夠自動化這個流程。

從過去系統(tǒng)中學到的經(jīng)驗
我們之前的測試系統(tǒng)是在10年前開發(fā)的，它基于另一個軟件環(huán)境和PCI數(shù)據(jù)采集板卡。測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和性能無法滿足我們對全新的測試時間和擴展性的需求。維護也十分困難，并且不能自動化完成有效的測試。它還缺乏對測試結(jié)果自動生成文檔和測試的可跟蹤性，不提供所需的遠程控制功能。此外，過去的HIL測試環(huán)境不支持多核處理，因此我們無法利用最新多核處理器的計算能力。

未來系統(tǒng)的決定
在評價可用的技術(shù)之后，我們選擇了LabVIEW軟件和基于PXI的實時現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）硬件，開發(fā)我們?nèi)碌臏y試解決方案。我們相信這個技術(shù)會帶來靈活性和可擴展性，滿足我們未來的技術(shù)需求。同時，我們從NI提供的服務(wù)與產(chǎn)品質(zhì)量中，建立了對解決方案的信心。

由于我們在測試內(nèi)部系統(tǒng)中并沒有深入的開發(fā)經(jīng)驗，我們將開發(fā)外包給位于丹麥的CIM Industrial Systems A/S公司。我們選擇CIM Industrial Systems A/S是因為他們具有測試工程能力和歐洲最多的LabVIEW認證架構(gòu)師。CIM成功開發(fā)了這個項目，我們對得到的服務(wù)感到十分高興。

靈活的實時測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
全新的測試系統(tǒng)通過在LabVIEW實時模塊系統(tǒng)中，運行組件仿真模型，仿真實時風力渦輪組件的行為，為被測系統(tǒng)提供仿真信號。

圖2：西門子風力測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

主計算機包含直觀的LabVIEW用戶圖形界面，能夠方便地通過在面板中移動組件進行調(diào)整。Windows操作系統(tǒng)應(yīng)用程序與兩個不兼容實時任務(wù)的外部儀器進行通信。

圖3：主計算機具有直觀的LabVIEW用戶圖形界面。

在主計算機上的軟件通過以太網(wǎng)與位于PXI-1042Q機箱中的LabVIEW實時目標進行通信。LabVIEW實時模塊運行通常包含20到55個并行執(zhí)行的仿真DLL的仿真軟件。這個解決方案能夠調(diào)用使用幾乎所有建模環(huán)境開發(fā)的用戶模型，例如NI LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊、The MathWorks, Inc. Simulink®軟件或是ANSI C代碼。我們仿真循環(huán)的典型執(zhí)行速率是24 ms，為滿足未來處理能力擴展需求提供了大量裕量。

用于定制風力渦輪協(xié)議和傳感器仿真的FPGA板卡
由于缺少現(xiàn)有標準，在風力渦輪中使用的定制通信協(xié)議很多。使用基于NI PXI-7833R FPGA多功能RIO模塊和LabVIEW FPGA模塊，我們能夠與這些協(xié)議進行通信并仿真。除了協(xié)議交互之外，我們使用這個設(shè)備仿真磁性傳感器和精確三相電壓電流仿真。其他的FPGA板卡與NI 9151 R系列擴展機箱連接，進一步提高了系統(tǒng)通道數(shù)。

全新測試系統(tǒng)的優(yōu)點
全新的西門子風力測試系統(tǒng)相比上一代解決方案有許多優(yōu)點。由于系統(tǒng)的模塊化特性，進行改進、修改和進一步開發(fā)十分簡單。被測系統(tǒng)可以在無需測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)任何變化的情況下進行快速替換。遠程控制功能和系統(tǒng)的簡單復制讓我們能夠在需要進行擴展時，靈活地將系統(tǒng)復制到其他站點。

仿真器為環(huán)境提供了在實驗室中高效驗證新軟件發(fā)布和測試特殊解決方案的能力。它還給了我們測試我們正在研究的新技術(shù)和新概念的工具。

未來計劃
模塊化體系結(jié)構(gòu)讓我們能夠擴展系統(tǒng)滿足不斷變化的風能技術(shù)不斷增長的需求。我們計劃將仿真分割為多個LabVIEW實時目標滿足我們未來的測試需求。我們還打算使用NI TestStand進行未來的自動化測試。