Siemens Wind Power entwickelt einen Hardware-in-the-Loop-Simulator für die Prüfung von Steuerungssystemsoftware für Windenergieturbinen

Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

„Mit dem grafischen Systemdesign von LabVIEW können wir modulare Software entwickeln, die einfach skaliert werden kann, um den wachsenden Anforderungen der sich schnell entwickelnden Windenergietechnologie gerecht zu werden“

– Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

Die Aufgabe:

Neben der Verbesserung der automatisierten Tests häufiger Softwareveröffentlichungen von Steuer- und Regelsystemen für Siemens-Windturbinen umfasste dies Tests und die Verifizierung von Komponenten von Steuer- und Regelsystemen für Windturbinen in der Entwicklungsphase.

Die Lösung:

Das Erstellen eines neuen Echtzeit-Testsystems für Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) der eingebetteten Steuerungssoftwareversionen von Siemens-Windturbinensteuerungssystemen mit NI TestStand, den LabVIEW-Echtzeit- und LabVIEW-FPGA-Modulen sowie der NI-PXI-Plattform.

 

Testen der Steuerungssystemsoftware

Ein Windturbinensystem besteht aus mehreren Bausteinen, einschließlich Rotor, Getriebe, Wandler und Transformator, mit denen kinetische Windenergie in Elektrizität umgewandelt wird.

 

Das Steuerungssystem ist über Hunderte von I/O-Signalen und mehrere Kommunikationsprotokolle mit diesen Bausteinen verbunden. Der komplexeste Teil des Steuerungssystems ist die eingebettete Steuerungssoftware, welche die Regelkreise ausführt.

 

Da unsere Softwareentwickler regelmäßig eine neue Softwareversion für den Controller veröffentlichen, müssen wir die Software testen, um sicherzustellen, dass diese Versionen unter den Bedingungen des Windparks zuverlässig ausgeführt werden. Für jede neue Softwareversion führen wir Werksabnahmetests durch, bevor die Software vor Ort verwendet werden kann. Dieses neue Testsystem gibt uns die Möglichkeit, diesen Prozess zu automatisieren.

 

Lehren aus dem vorherigen System

Unser bisheriges Testsystem wurde vor 10 Jahren entwickelt und basiert auf einer anderen Softwareumgebung und PCI-Datenerfassungskarten. Die Architektur und Leistung des Testsystems entsprach nicht unseren neuen Anforderungen an Testdauer und Skalierbarkeit. Es war schwierig zu warten und verfügte nicht über ausreichende Automatisierungsfunktionen für effiziente Tests. Es ließ auch eine automatische Dokumentation von Testergebnisse und eine Rückverfolgbarkeit der Testfälle vermissen, zudem bot es nicht die erforderlichen Fernsteuerungsfunktionen. Darüber hinaus unterstützte die alte HIL-Testumgebung keine Multicore-Verarbeitung, sodass wir die Rechenleistung der neuesten Multicore-Prozessoren nicht nutzen konnten.

 

Unsere Entscheidung für zukünftige Systeme

Nach der Bewertung der verfügbaren Technologien haben wir LabVIEW-Software und PXI-basierte Echtzeit- und Field-Programmable-Gate-Array-(FPGA)-Hardware ausgewählt, um unsere neue Testlösung zu entwickeln. Wir glauben, dass diese Technologie uns die Flexibilität und Erweiterbarkeit gibt, um unsere zukünftigen technischen Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus hat das hohe Servicelevel und die hohe Qualität der Produkte von NI unser Vertrauen in die Lösung etabliert.

 

Da wir nicht über fundierte Entwicklungskenntnisse für interne Testsysteme verfügten, vergaben wir die Entwicklung an CIM Industrial Systems A/S in Dänemark. Wir haben uns für CIM Industrial Systems A/S entschieden, weil das Unternehmen über die notwendigen technischen Fähigkeiten und die größte Anzahl an zertifizierten LabVIEW-Architekten in Europa verfügt. CIM hat dieses Projekt zu einem Erfolg gemacht und wir sind sehr zufrieden mit dem Service, den wir erhalten haben.

 

Eine flexible Echtzeit-Testsystemarchitektur

Das neue Testsystem simuliert das Verhalten der realen Windkraftanlagenbausteine, indem Simulationsmodelle für diese Bausteine im LabVIEW-Echtzeitsystem ausgeführt werden, um dem zu testenden System simulierte Signale zu liefern.

 

Der Host-Computer verfügt über eine intuitive LabVIEW-Benutzeroberfläche, die Benutzer einfach anpassen können, indem sie die Bausteine im Fensterbereich verschieben. Die Windows-Anwendung kommuniziert auch mit zwei externen Geräten, die nicht echtzeitkompatibel waren.

 

Die Software auf dem Host-Computer kommuniziert mit dem Zielgerät für LabVIEW Real-Time in einem PXI-1042Q-Chassis über Ethernet. LabVIEW Real-Time führt Simulationssoftware aus, die typischerweise aus 20 bis 25 parallel ausgeführten Simulations-DLLs besteht. Mit dieser Lösung können Benutzermodelle aufgerufen werden, die mit nahezu jeder Modellierungsumgebung erstellt wurden, z. B. dem NI LabVIEW Control Design and Simulation Module, der Simulink®-Software von MathWorks, Inc. oder ANSI C-Code. Eine typische Ausführungsrate unserer Simulationsschleife beträgt 24 ms, sodass genügend Verarbeitungskapazität zur Verfügung steht, um zukünftige Erweiterungsanforderungen zu erfüllen.

 

 

FPGA-Karten für benutzerdefinierte Windturbinenprotokolle und Sensorsimulationen

Aufgrund des Fehlens vorhandener Standards werden in Windkraftanlagen viele benutzerdefinierte Kommunikationsprotokolle verwendet. Mit einem FPGA-basierten Multifunktions-RIO-Modul der NI PXI-R-Serie und dem LabVIEW FPGA-Modul​ können wir diese Protokolle schnell verbinden und simulieren. Zusätzlich zur Protokollschnittstelle verwenden wir das Gerät zur Simulation von Magnetsensoren und für genaue dreiphasige Spannungs- und Stromsimulationen. Die andere FPGA-Karte ist mit einem Erweiterungs-Chassis der R-Serie verbunden, um die Anzahl der Systemkanäle weiter zu erhöhen. Die Fähigkeit, Software für die Ausführung auf einem FPGA mit derselben grafischen Entwicklungsumgebung zu entwerfen, die für die Echtzeitsteuerung verwendet wurde, war äußerst hilfreich für die Steigerung unserer Produktivität.

 

Die Vorteile des neuen Testsystems

Die NI-Technologie spielte eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung des neuen Windkraft-Testsystems. Die Offenheit der LabVIEW-Entwicklungsumgebung, die es uns ermöglichte, Simulationsmodelle von Drittanbietern zu importieren, sowie die enge Integration von NI-Echtzeit- und FPGA-basierter Hardware ermöglichten es uns, schnell von einem Konzept zu einem funktionsfähigen Prototyp überzugehen. Die Fähigkeit von LabVIEW, die neuesten Multicore-Prozessoren automatisch zu nutzen, hat uns dabei geholfen, die Systemleistung zu maximieren und genügend Verarbeitungskapazität zu lassen, um zukünftige Erweiterungsanforderungen zu erfüllen. Das hochgradig anpassbare Frontpanel ermöglichte es uns schließlich, auf einfache Weise eine intuitive grafische Benutzeroberfläche für unsere Endbenutzer zu entwerfen.

 

Das neue Windkrafttestsystem von Siemens ist modularer als die Vorgängergeneration und lässt sich leicht verbessern, anpassen und weiterentwickeln. Das zu testende System kann schnell ausgetauscht werden, ohne dass Änderungen an der Testsystemarchitektur vorgenommen werden müssen. Die Möglichkeit zur dezentralen Steuerung und einfachen Replikation des Systems gibt uns die Flexibilität, das System auf andere Standorte zu kopieren, falls eine Ausweitung des Betriebs erfolgt. Schließlich bietet der Simulator eine Umgebung, um die neuen Softwareversionen effektiv zu überprüfen und spezielle Situationen in unserem Labor zu testen. Er gibt uns auch ein Werkzeug, um neue Technologien und Konzepte zu testen, an denen wir arbeiten.

 

Pläne für die Zukunft

Mit dem grafischen Systemdesign von LabVIEW können wir modulare Software entwickeln, die einfach skaliert werden kann, um den wachsenden Anforderungen der sich schnell entwickelnden Windenergietechnologie gerecht zu werden. In Zukunft planen wir, die Simulation auf mehrere LabVIEW-Echtzeitziele auszudehnen, um unsere zukünftigen Testanforderungen zu erfüllen. Wir verwenden NI TestStand auch, um die Testausführung weiter zu automatisieren.

 

Simulink® ist ein eingetragenes Warenzeichen der The MathWorks, Inc.

 

Informationen zum Autor:

Morten Pedersen
CIM Industrial Systems A/S
Tel: +45 23 71 85 02
mpe@cim.as

Abbildung 1: Windkraftanlagenkomponenten
Abbildung 2: Siemens Windkraft-Testsystemarchitektur
Abbildung 3: Der Host-Computer verfügt über eine intuitive LabVIEW-Benutzeroberfläche.