西門子風(fēng)力發(fā)電為風(fēng)力渦輪控制系統(tǒng)軟件測(cè)試開(kāi)發(fā)硬件在環(huán)仿真器

西門子風(fēng)力發(fā)電為風(fēng)力渦輪控制系統(tǒng)軟件測(cè)試開(kāi)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(jìn)西門子風(fēng)力渦輪控制系統(tǒng)軟件定期發(fā)布的自動(dòng)化測(cè)試，驗(yàn)證開(kāi)發(fā)階段中的風(fēng)力渦輪控制系統(tǒng)組件。

The Solution:
使用NI TestStand、LabVIEW實(shí)時(shí)模塊、LabVIEW FPGA模塊和NI PXI平臺(tái)創(chuàng)建用于西門子風(fēng)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(cè)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(fēng)力農(nóng)場(chǎng)

測(cè)試控制系統(tǒng)軟件
風(fēng)力渦輪系統(tǒng)由多個(gè)組件組成，包括電機(jī)、齒輪、整流器和變壓器變換器，用于將動(dòng)力學(xué)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。

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圖1：風(fēng)力渦輪組件

控制系統(tǒng)將這些組件通過(guò)數(shù)百個(gè)I/O信號(hào)和多個(gè)通信協(xié)議連接在一起。控制系統(tǒng)中最復(fù)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(kāi)發(fā)者定期發(fā)布控制器的軟件新版本，我們需要測(cè)試軟件，驗(yàn)證這些軟件將會(huì)在風(fēng)力站的環(huán)境下可靠執(zhí)行。在每個(gè)軟件發(fā)布時(shí)，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)使用軟件之前，需要先在工廠接受性能測(cè)試。這個(gè)全新的測(cè)試系統(tǒng)讓我們能夠自動(dòng)化這個(gè)流程。

從過(guò)去系統(tǒng)中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)
我們之前的測(cè)試系統(tǒng)是在10年前開(kāi)發(fā)的，它基于另一個(gè)軟件環(huán)境和PCI數(shù)據(jù)采集板卡。測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和性能無(wú)法滿足我們對(duì)全新的測(cè)試時(shí)間和擴(kuò)展性的需求。維護(hù)也十分困難，并且不能自動(dòng)化完成有效的測(cè)試。它還缺乏對(duì)測(cè)試結(jié)果自動(dòng)生成文檔和測(cè)試的可跟蹤性，不提供所需的遠(yuǎn)程控制功能。此外，過(guò)去的HIL測(cè)試環(huán)境不支持多核處理，因此我們無(wú)法利用最新多核處理器的計(jì)算能力。

未來(lái)系統(tǒng)的決定
在評(píng)價(jià)可用的技術(shù)之后，我們選擇了LabVIEW軟件和基于PXI的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）硬件，開(kāi)發(fā)我們?nèi)碌臏y(cè)試解決方案。我們相信這個(gè)技術(shù)會(huì)帶來(lái)靈活性和可擴(kuò)展性，滿足我們未來(lái)的技術(shù)需求。同時(shí)，我們從NI提供的服務(wù)與產(chǎn)品質(zhì)量中，建立了對(duì)解決方案的信心。

由于我們?cè)跍y(cè)試內(nèi)部系統(tǒng)中并沒(méi)有深入的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我們將開(kāi)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?yàn)樗麄兙哂袦y(cè)試工程能力和歐洲最多的LabVIEW認(rèn)證架構(gòu)師。CIM成功開(kāi)發(fā)了這個(gè)項(xiàng)目，我們對(duì)得到的服務(wù)感到十分高興。

靈活的實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
全新的測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)在LabVIEW實(shí)時(shí)模塊系統(tǒng)中，運(yùn)行組件仿真模型，仿真實(shí)時(shí)風(fēng)力渦輪組件的行為，為被測(cè)系統(tǒng)提供仿真信號(hào)。

圖2：西門子風(fēng)力測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

主計(jì)算機(jī)包含直觀的LabVIEW用戶圖形界面，能夠方便地通過(guò)在面板中移動(dòng)組件進(jìn)行調(diào)整。Windows操作系統(tǒng)應(yīng)用程序與兩個(gè)不兼容實(shí)時(shí)任務(wù)的外部?jī)x器進(jìn)行通信。

圖3：主計(jì)算機(jī)具有直觀的LabVIEW用戶圖形界面。

在主計(jì)算機(jī)上的軟件通過(guò)以太網(wǎng)與位于PXI-1042Q機(jī)箱中的LabVIEW實(shí)時(shí)目標(biāo)進(jìn)行通信。LabVIEW實(shí)時(shí)模塊運(yùn)行通常包含20到55個(gè)并行執(zhí)行的仿真DLL的仿真軟件。這個(gè)解決方案能夠調(diào)用使用幾乎所有建模環(huán)境開(kāi)發(fā)的用戶模型，例如NI LabVIEW控制設(shè)計(jì)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(lái)處理能力擴(kuò)展需求提供了大量裕量。

用于定制風(fēng)力渦輪協(xié)議和傳感器仿真的FPGA板卡
由于缺少現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，在風(fēng)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(jìn)行通信并仿真。除了協(xié)議交互之外，我們使用這個(gè)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(kuò)展機(jī)箱連接，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)通道數(shù)。

全新測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
全新的西門子風(fēng)力測(cè)試系統(tǒng)相比上一代解決方案有許多優(yōu)點(diǎn)。由于系統(tǒng)的模塊化特性，進(jìn)行改進(jìn)、修改和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)十分簡(jiǎn)單。被測(cè)系統(tǒng)可以在無(wú)需測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)任何變化的情況下進(jìn)行快速替換。遠(yuǎn)程控制功能和系統(tǒng)的簡(jiǎn)單復(fù)制讓我們能夠在需要進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，靈活地將系統(tǒng)復(fù)制到其他站點(diǎn)。

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

未來(lái)計(jì)劃
模塊化體系結(jié)構(gòu)讓我們能夠擴(kuò)展系統(tǒng)滿足不斷變化的風(fēng)能技術(shù)不斷增長(zhǎng)的需求。我們計(jì)劃將仿真分割為多個(gè)LabVIEW實(shí)時(shí)目標(biāo)滿足我們未來(lái)的測(cè)試需求。我們還打算使用NI TestStand進(jìn)行未來(lái)的自動(dòng)化測(cè)試。