西門子風力發電為風力渦輪控制系統軟件測試開發硬件在環仿真器

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軟件定期發布的自動化測試，驗證開發階段中的風力渦輪控制系統組件。

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

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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場

測試控制系統軟件
風力渦輪系統由多個組件組成，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化為電能。

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圖1：風力渦輪組件

控制系統將這些組件通過數百個I/O信號和多個通信協議連接在一起。控制系統中最復雜的部分是執行控制循環的嵌入式控制軟件。

由于我們的軟件開發者定期發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境下可靠執行。在每個軟件發布時，我們在現場使用軟件之前，需要先在工廠接受性能測試。這個全新的測試系統讓我們能夠自動化這個流程。

從過去系統中學到的經驗
我們之前的測試系統是在10年前開發的，它基于另一個軟件環境和PCI數據采集板卡。測試系統體系結構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。

未來系統的決定
在評價可用的技術之后，我們選擇了LabVIEW軟件和基于PXI的實時現場可編程門陣列（FPGA）硬件，開發我們全新的測試解決方案。我們相信這個技術會帶來靈活性和可擴展性，滿足我們未來的技術需求。同時，我們從NI提供的服務與產品質量中，建立了對解決方案的信心。

由于我們在測試內部系統中并沒有深入的開發經驗，我們將開發外包給位于丹麥的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認證架構師。CIM成功開發了這個項目，我們對得到的服務感到十分高興。

靈活的實時測試系統體系結構
全新的測試系統通過在LabVIEW實時模塊系統中，運行組件仿真模型，仿真實時風力渦輪組件的行為，為被測系統提供仿真信號。

圖2：西門子風力測試系統體系結構

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整。Windows操作系統應用程序與兩個不兼容實時任務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個并行執行的仿真DLL的仿真軟件。這個解決方案能夠調用使用幾乎所有建模環境開發的用戶模型，例如NI LabVIEW控制設計與仿真模塊、The MathWorks, Inc. Simulink?軟件或是ANSI C代碼。我們仿真循環的典型執行速率是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議和傳感器仿真的FPGA板卡
由于缺少現有標準，在風力渦輪中使用的定制通信協議很多。使用基于NI PXI-7833R FPGA多功能RIO模塊和LabVIEW FPGA模塊，我們能夠與這些協議進行通信并仿真。除了協議交互之外，我們使用這個設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，進一步提高了系統通道數。

全新測試系統的優點
全新的西門子風力測試系統相比上一代解決方案有許多優點。由于系統的模塊化特性，進行改進、修改和進一步開發十分簡單。被測系統可以在無需測試系統體系結構任何變化的情況下進行快速替換。遠程控制功能和系統的簡單復制讓我們能夠在需要進行擴展時，靈活地將系統復制到其他站點。

仿真器為環境提供了在實驗室中高效驗證新軟件發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和新概念的工具。

未來計劃
模塊化體系結構讓我們能夠擴展系統滿足不斷變化的風能技術不斷增長的需求。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。