Siemens Energía Eólica desarrolla un simulador de hardware-in-the-loop para pruebas de software del sistema de control de turbinas eólicas

Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

"El diseño del sistema gráfico de LabVIEW nos permite diseñar software modular que se puede escalar fácilmente para cumplir con los crecientes requisitos de la tecnología de energía eólica en rápida evolución"

- Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

El desafío:

Mejorar las pruebas automatizadas de las versiones de software de los sistemas de control de turbinas eólicas de Siemens, así como probar y verificar los componentes del sistema de control de turbinas eólicas en la fase de desarrollo.

La solución:

Crear un nuevo sistema de pruebas en tiempo real para pruebas de hardware-in-the-loop (HIL) de las versiones de software de control embebido de los sistemas de control de turbinas eólicas Siemens usando NI TestStand, los módulos LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA y la plataforma NI PXI.

 

Probar el software del sistema de control

Un sistema de turbina eólica consta de varios componentes, incluyendo el rotor, el engranaje, el convertidor y el transformador que se utilizan para convertir la energía eólica cinética en electricidad.

 

El sistema de control se conecta con estos componentes a través de cientos de señales de E/S y múltiples protocolos de comunicación. La parte más compleja del sistema de control es el software de control embebido que ejecuta los ciclos de control.

 

Debido a que nuestros desarrolladores de software con frecuencia lanzan una nueva versión de software para el controlador, necesitamos probar el software para verificar que estas versiones se ejecutarán de manera confiable en las condiciones del parque eólico. Con cada lanzamiento de software, realizamos pruebas de aceptación de fábrica antes de que el software se pueda utilizar en campo. Este nuevo sistema de pruebas nos brinda la capacidad de automatizar este proceso.

 

Lecciones aprendidas con el sistema anterior

Nuestro sistema de prueba anterior se desarrolló hace 10 años y se basó en otro entorno de software y tarjetas de adquisición de datos PCI. La arquitectura y el rendimiento del sistema de pruebas no cumplieron con nuestros nuevos requisitos de tiempo de pruebas y escalabilidad. Era difícil de mantener y no contaba con capacidades de automatización suficientes para realizar pruebas eficientes. También carecía de documentación de resultados de pruebas automáticos y trazabilidad de casos de prueba y no proporcionaba las capacidades necesarias para control remoto. Además, el antiguo entorno de pruebas HIL no soportaba procesamiento multinúcleo, lo que nos impedía aprovechar el potencial de la informática de los últimos procesadores multinúcleo.

 

Nuestra decisión para los sistemas del futuro

Después de evaluar las tecnologías disponibles, seleccionamos el software LabVIEW y el hardware de arreglo de compuertas programables en campo (FPGA) y en tiempo real basado en PXI para desarrollar nuestra nueva solución de pruebas. Creemos que esta tecnología nos brinda la flexibilidad y capacidad de expansión para cumplir con nuestros futuros requisitos técnicos. Además, hemos agregado confianza a la solución con el alto nivel de servicio y calidad de los productos de NI.

 

Debido a que no teníamos profunda experiencia en el desarrollo para sistemas de pruebas internamente, contratamos el desarrollo a CIM Industrial Systems A/S en Dinamarca. Elegimos CIM Industrial Systems A/S porque tenían la capacidad de ingeniería de pruebas disponible y el mayor número de arquitectos certificados de LabVIEW en Europa. CIM hizo de este proyecto un éxito y estamos muy satisfechos con el servicio que recibimos.

 

Una arquitectura flexible en tiempo real para el sistema de pruebas

El nuevo sistema de pruebas simula el comportamiento de los componentes reales de la turbina eólica, ejecutando modelos de simulación para estos componentes en el sistema LabVIEW Real-Time para suministrar señales simuladas al sistema bajo prueba.

 

La PC principal tiene una GUI de LabVIEW intuitiva que los usuarios pueden adaptar fácilmente moviendo los componentes en el panel. La aplicación del SO Windows también se comunica con dos instrumentos externos que no eran compatibles en tiempo real.

 

El software en la PC principal se comunica con el dispositivo LabVIEW Real-Time en un chasis PXI-1042Q a través de Ethernet. LabVIEW Real-Time ejecuta un software de simulación que generalmente consta de 20 a 25 DLLs de simulación que se ejecutan en paralelo. Esta solución puede llamar modelos de usuario construidos con casi cualquier entorno de modelado, como el Módulo NI LabVIEW Control Design and Simulation, software The MathWorks, Inc. Simulink® o código ANSI C. Una tasa de ejecución típica de nuestro ciclo de simulación es de 24 ms, permitiendo una gran capacidad de procesamiento para cumplir con las futuras necesidades de expansión.

 

 

Tarjetas FPGA para protocolos personalizados de turbinas eólicas y simulaciones de sensores

Hay muchos protocolos de comunicación personalizados que se utilizan en turbinas eólicas debido a la falta de estándares. Al usar un módulo RIO multifunción basado en FPGA de la Serie R-NI PXI con el Módulo LabVIEW FPGA, podemos interactuar rápidamente y simular estos protocolos. Además de la interfaz de protocolo, estamos usando el dispositivo para simular sensores magnéticos y para simulaciones trifásicas precisas de voltaje y corriente. La tarjeta FPGA está conectada a un chasis de expansión de la Serie R para aumentar aún más la cantidad de canales del sistema. La capacidad de diseñar software para que se ejecute en una FPGA con el mismo entorno de desarrollo gráfico utilizado para el control en tiempo real, fue extremadamente útil para aumentar nuestra productividad.

 

Los beneficios del nuevo sistema de pruebas

La tecnología de NI jugó un papel fundamental en las mejoras al nuevo sistema de pruebas de energía eólica. La apertura del entorno de desarrollo de LabVIEW, que nos permitió importar modelos de simulación de terceros, combinada con la estrecha integración de hardware de NI basado en FPGA y en tiempo real, nos permitió pasar rápidamente de un concepto a un prototipo funcional. La capacidad de LabVIEW para aprovechar automáticamente los últimos procesadores multinúcleo, nos ayudó a maximizar el rendimiento del sistema, permitiendo una gran capacidad de procesamiento para cumplir con las futuras necesidades de expansión. Finalmente, el panel frontal altamente personalizable nos permitió diseñar fácilmente una interfaz de usuario gráfica e intuitiva para nuestros usuarios finales.

 

El nuevo sistema de pruebas de Siemens Wind Power es más modular que la generación anterior, por lo que es fácil de mejorar, adaptar y desarrollar. El sistema bajo prueba se puede reemplazar rápidamente sin ningún cambio en la arquitectura del sistema de pruebas. La capacidad de control remoto y el poder duplicar el sistema de manera sencilla, nos brinda la flexibilidad de copiar el sistema a otros sitios conforme nuestras operaciones se expanden. Finalmente, el simulador proporciona un entorno para verificar de manera eficaz las nuevas versiones de software y probar situaciones especiales en nuestro laboratorio. También nos brinda una herramienta para probar nuevas tecnologías y conceptos en los que estamos trabajando.

 

Planes futuros

El diseño del sistema gráfico de LabVIEW nos permite diseñar software modular que se puede escalar fácilmente para cumplir con los crecientes requisitos de la tecnología de energía eólica en rápida evolución. En el futuro, prevemos expandir la simulación a múltiples dispositivos LabVIEW Real-Time para cumplir con nuestras futuras necesidades de pruebas. También estamos utilizando NI TestStand para automatizar aún más la ejecución de las pruebas.

 

Simulink® is a registered trademark of The MathWorks, Inc.

 

Información del autor:

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

Figura 1: Componentes de turbina eólica
Figura 2. Arquitectura del sistema de pruebas de energía eólica de Siemens
Figura 3. La PC principal tiene una GUI de LabVIEW intuitiva.