Siemens Wind Power entwickelt Hardware-in-the-Loop-Simulator für die Überprüfung von Steuerungssystemen für Windenergieturbinen

Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

"Die modulare Architektur erlaubt uns, das System zu erweitern, so dass es die wachsenden Anforderungen der sich rapide weiterentwickelnden Windenergietechnologie erfüllen kann."

- Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

Die Aufgabe:

Verbesserung der automatisierten Überprüfung regelmäßiger Softwareversionen von Steuerungssystemen für Windenergieturbinen von Siemens sowie das Überprüfen und Verifizieren der Komponenten des Steuerungssystems in der Entwicklungsphase

Die Lösung:

Erstellung eines neuen Echtzeitprüfsystems für Hardware-in-the-Loop- (HIL) Tests von Embedded-Software von Steuerungssystemen für Windenergieturbinen von Siemens mit NI TestStand, den Modulen LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA sowie der PXI-Plattform von NI

 

Test der Steuerungssystemsoftware

Eine Windenergieanlage besteht aus mehreren Komponenten, darunter Rotor, Getriebe, Umrichter und Transformator, die zur Umwandlung kinetischer Windenergie in Elektrizität verwendet werden (Bild 2).

 

Das Steuerungssystem ist mit diesen Komponenten über hunderte von I/O-Signalen und mehrere Kommunikationsprotokolle verbunden. Der komplexeste Teil des Steuerungssystems ist die Embedded-Steuersoftware, die die Regelschleifen ausführt.

 

Da unsere Softwareentwickler regelmäßig neue Softwareversionen für die Steuerung herausgeben, müssen wir die Software testen, um zu verifizieren, dass diese Versionen unter den Bedingungen des Windparks zuverlässig ausgeführt werden. Bei jeder neuer Softwareversion führen wir eine Abnahmeprüfung durch, bevor die Software eingesetzt werden kann. Dieses neue Prüfsystem ermöglicht es uns, diesen Prozess zu automatisieren.

 

Erfahrungen aufgrund des vorherigen Systems

Unser vorheriges Prüfsystem wurde vor zehn Jahren entwickelt und basierte auf einer anderen Softwareumgebung sowie auf PCI-Datenerfassungskarten. Architektur und Leistungsvermögen des Prüfsystems erfüllten unsere neuen Anforderungen hinsichtlich Prüfzeit und Skalierbarkeit nicht. Seine Wartung gestaltete sich schwierig und es verfügte nicht über ausreichend Automatisierungsfunktionen für effiziente Tests. Zudem fehlten ihm eine automatische Dokumentation der Testergebnisse und eine Nachverfolgungsmöglichkeit für Testfälle. Des Weiteren bot es nicht die erforderlichen Funktionen zur Fernsteuerung. Außerdem unterstützte die alte HIL-Prüfumgebung keine Multicore-Verarbeitung, so dass wir die Rechenleistung der neuesten Mehrkernprozessoren nicht nutzen konnten.

 

Unsere Entscheidung für zukünftige Systeme

Nachdem wir die verfügbaren Technologien evaluiert hatten, wählten wir die Software NI LabVIEW sowie PXI-basierte Echtzeit- und FPGA-Hardware, um unsere neue Prüflösung zu entwickeln. Wir sind der Ansicht, dass die Technologie uns die für unsere zukünftigen technischen Anforderungen erforderliche Flexibilität und Erweiterbarkeit bereitstellt. Zudem haben wir aufgrund des hohen Serviceniveaus und der Qualität der Produkte von NI großes Vertrauen in die Lösung.

 

Da wir intern nicht über tiefgehende Entwicklungsexpertise in Bezug auf Prüfsysteme verfügten, übertrugen wir die Entwicklung an CIM Industrial Systems A/S in Dänemark. Wir entschieden uns für CIM Industrial Systems A/S, da sie über Prüfentwicklungskapazität und die größte Anzahl an zertifizierten LabVIEW-Architekten in Europa verfügten. CIM verhalf diesem Projekt zu Erfolg und wir sind mit den bereitgestellten Dienstleistungen sehr zufrieden.

 

Eine flexible Echtzeitprüfsystemarchitektur

Das neue Prüfsystem simuliert das Verhalten der realen Komponenten einer Windenergieturbine, indem es Simulationsmodelle für diese Komponenten im LabVIEW-Real-Time-System ausführt, um simulierte Signale für das zu testende System bereitzustellen (Bild 4).

 

Der Host-Rechner verfügt über eine intuitive grafische LabVIEW-Benutzeroberfläche, die von Anwendern einfach angepasst werden kann, indem sie die Komponenten auf dem Bedienfeld verschieben.  Das Windows-Betriebssystem kommuniziert auch mit zwei externen Messgeräten, die nicht echtzeitfähig waren.

 

Die Software auf dem Host-Rechner kommuniziert über Ethernet mit dem LabVIEW-Real-Time-Zielgerät, das sich in einem PXI-1042Q-Chassis befindet. LabVIEW Real-Time führt Simulationssoftware aus, die gewöhnlich aus 20 bis 25 Simulations- DLLs besteht, die parallel ausgeführt werden. Diese Lösung kann Anwendermodelle aufrufen, die mit fast jeder beliebigen Modellierumgebung erstellt wurden, darunter z. B. das NI LabVIEW Control Design and Simulation Module, die Software Simulink® von The MathWorks, Inc. oder ANSI-C-Code. Eine typische Ausführungsrate unserer Simulationsschleife beträgt 24 ms, so dass mehr als genug Verarbeitungskapazität für zukünftige Erweiterungen verbleibt.

 

FPGA-Karten für benutzerspezifische Windenergieturbinenprotokolle und Sensorsimulationen

In Windenergieturbinen wird eine Vielzahl von benutzerdefinierten Kommunikationsprotokollen verwendet, da es an vorhandenen Standards fehlt. Mithilfe des FPGA-basierten Multifunktions-RIO-Moduls NI PXI-7833R  zusammen mit dem LabVIEW FPGA Module können wir eine Schnittstelle zu diesen Protokollen herstellen und diese simulieren. Neben der Funktion als Protokollschnittstelle nutzen wir das Gerät auch, um magnetische Sensoren zu simulieren und um akkurate dreiphasige Spannungs- und Stromsimulationen zu erhalten. Die zweite FPGA-Karte ist mit dem Erweiterungschassis der R-Serie NI 9151 verbunden, um  die Kanalanzahl des Systems weiter zu erhöhen.

 

Die Vorteile des neuen Prüfsystems

Das neue Prüfsystem von Siemens Wind Power bietet im Vergleich zur vorherigen Lösung etliche Vorteile. Aufgrund der Modularität des Systems lässt es sich leicht verbessern, anpassen und weiterentwickeln. Das getestete System kann schnell ersetzt werden, ohne dazu Änderungen an der Prüfsystemarchitektur vornehmen zu müssen Die Fernsteuerkapazität und die einfache Replizierbarkeit des Systems geben uns die Flexibilität, das System für andere Standorte zu kopieren, wenn wir unseren Betrieb ausweiten.

 

Der Simulator stellt eine Umgebung bereit, mit der wir die neuen Softwareversionen effektiv verifizieren und spezielle Situationen in unseren Laboren testen können. Er gibt uns auch ein Werkzeug an die Hand, mit dem neue Technologien und Konzepte, an denen wir arbeiten, getestet werden können.

 

Zukünftige Pläne

Die modulare Architektur erlaubt uns, das System zu erweitern, so dass es die wachsenden Anforderungen der sich rapide weiterentwickelnden Windenergietechnologie erfüllen kann. Wir haben vor, die Simulation auf mehrere LabVIEW-Real-Time-Zielgeräte aufzuteilen, um unsere zukünftigen Testanforderungen zu erfüllen. Zudem werden wir NI TestStand nutzen, um die Testausführung weiter zu automatisieren.

 

Simulink® ist ein eingetragenes Warenzeichen von The MathWorks, Inc

 

Weitere Informationen zu diesem System erhalten Sie von:

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

Bild 1: Wind Turbine Components
Bild 2. Siemens Wind Power Test System Architecture
Bild 3. The host computer has an intuitive LabVIEW GUI.