Siemens Wind Power développe un simulateur hardware-in-the-loop pour le test d’un logiciel de contrôle d’éolienne

Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

"L’architecture modulaire nous permet d’adapter le système aux exigences croissantes engendrées par l’évolution rapide de la technologie de l’énergie éolienne."

- Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

Le défi:

Améliorer le test automatisé des versions successives du logiciel des systèmes Siemens de contrôle d'éoliennes, mais aussi tester et vérifier les composantes de ces systèmes lors de la phase de développement.

La solution​:

Créer un nouveau système temps réel destiné au test hardware-in-the-loop (HIL) des versions du logiciel de contrôle embarqué en utilisant NI TestStand, les Modules LabVIEW Real-Time et LabVIEW FPGA, ainsi que la plate-forme PXI de NI.

 

Tester le logiciel des systèmes de contrôle

Un système d’éolienne est composé de plusieurs éléments comme le rotor, l’engrenage, le convertisseur et le transformateur, utilisés pour convertir l’énergie cinétique du vent en électricité.

 

Le système de contrôle s’interface avec ces composantes via des centaines de signaux d’E/S et de multiples protocoles de communication. La partie la plus complexe du système de contrôle est le logiciel embarqué qui exécute les boucles de contrôle.

 

Comme nos développeurs sortent régulièrement une nouvelle version du logiciel dédié au contrôleur, il nous faut à chaque fois tester le logiciel afin de vérifier que ces mises à jour s’exécuteront de manière fiable dans les conditions propres au parc d’éoliennes. À chaque nouvelle version logicielle, nous procédons à des tests d’acceptation en usine avant toute utilisation du logiciel sur le terrain. Ce nouveau système de test nous permet d’automatiser le processus.

 

Leçons tirées du précédent système

Notre système de test précédent a été développé il y a dix ans à partir d'un autre environnement logiciel et de cartes d'acquisition de données PCI. L’architecture et les performances du système de test ne répondaient pas à nos nouvelles exigences en termes d'évolutivité et de temps de test. Il était difficile à maintenir et n’était pas doté de capacités d’automatisation suffisantes pour un test efficace. La documentation automatique des résultats de test ainsi que la traçabilité des jeux de test lui faisaient défaut, et il n’offrait pas les capacités requises en matière de contrôle à distance. En outre, l’ancien environnement de test HIL ne supportait pas le traitement multicœur, ce qui nous empêchait de tirer parti de la puissance de calcul des derniers processeurs multicœurs.

 

Notre décision pour les prochains systèmes

Après avoir évalué les technologies à notre disposition, nous avons choisi le logiciel LabVIEW ainsi que du matériel FPGA (field-programmable gate array) et temps réel au format PXI pour développer notre nouvelle solution de test. Nous sommes convaincus que cette technologie offre la souplesse et la capacité d’extension capables de répondre à nos exigences techniques à venir. Par ailleurs, nous avons toute confiance dans la solution en raison du niveau élevé des services offerts et de la qualité des produits NI.

 

Comme nous ne disposions pas d’un savoir-faire approfondi des systèmes de test “maison”, nous avons confié le développement à la société CIM Industrial Systems A/S au Danemark. Nous avons choisi cette société, car elle dispose de la capacité de mise au point technique des tests et du plus grand nombre d'architectes LabVIEW certifiés en Europe. CIM a fait de ce projet un franc succès et nous sommes très satisfaits du service rendu.

 

Souplesse de l’architecture du système de test temps réel

Le nouveau système de test simule le comportement des composantes réelles de l’éolienne en exécutant des modèles de simulation dans le système LabVIEW Real-Time dans le but de fournir des signaux simulés au système sous test.

 

L’ordinateur hôte est doté d'une interface utilisateur graphique LabVIEW intuitive que les utilisateurs peuvent aisément adapter en déplaçant les éléments sur la face-avant. L’application du système d’exploitation Windows communique également avec deux instruments externes qui ne sont pas compatibles avec le temps réel.

 

Le logiciel sur l’ordinateur hôte  communique avec la cible LabVIEW Real-Time dans un châssis PXI-1042Q via Ethernet. LabVIEW Real-Time exécute un logiciel de simulation avec 20 à 25 DLL de simulation qui tournent en parallèle. Cette solution est capable d’appeler des modèles de l’utilisateur construits dans la quasi-totalité des environnements de modélisation comme le Module NI LabVIEW Control Design and Simulation, le logiciel The MathWorks, Inc. Simulink®, ou du code C ANSI. La vitesse d’exécution de notre boucle de simulation est généralement de 24 ms, ce qui laisse une grande capacité de traitement inutilisée pour répondre à nos besoins d’extension à venir.

 

 

Cartes FPGA pour les simulations de capteurs et les protocoles d’éoliennes personnalisés

Un grand nombre de protocoles de communication personnalisés sont utilisés dans les éoliennes en raison de l’absence de normes établies. En conjuguant un module d’E/S RIO multifonction basé FPGA NI PXI-7833R avec le Module LabVIEW FPGA, nous pouvons nous interfacer avec ces protocoles et les simuler. Outre l’interfaçage de protocoles, nous utilisons le matériel afin de simuler des capteurs magnétiques et pour des simulations de courant et de tension triphasés. L’autre carte FPGA est connectée à un châssis d’extension de la Série R NI 9151 pour accroître le nombre de voies du système.

 

Les avantages du nouveau système de test

Le nouveau système de test de Siemens Wind Power présente plusieurs avantages par rapport à la solution de génération précédente. Du fait de la modularité du système, il est facile de l’améliorer, de l’adapter et d’étendre son développement. Le système sous test peut être rapidement remplacé sans la moindre modification au niveau de l’architecture du système de test. Des capacités de contrôle à distance, conjuguées à la simplicité de réplication du système, nous permettent de copier le système à destination d’autres sites à mesure que nos opérations se développent.

 

Le simulateur fournit un environnement permettant de vérifier efficacement les nouvelles versions logicielles et de tester des situations spécifiques dans notre laboratoire. Il met également à notre disposition un outil capable de tester les nouvelles technologies et les nouveaux concepts sur lesquels nous travaillons.

 

Projet pour l’avenir

L’architecture modulaire nous permet d’adapter le système aux exigences croissantes engendrées par l’évolution rapide de la technologie de l’énergie éolienne. Nous envisageons de partager la simulation entre plusieurs cibles LabVIEW Real-Time pour répondre à nos besoins de test à venir. Nous allons également utiliser NI TestStand pour automatiser davantage l’exécution des tests.

 

Juin 2010

 

Simulink® est une marque déposée de The MathWorks, Inc.

 

Pour de plus amples informations sur ce système, veuillez contacter :

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

Figure n°1. Éléments d’une éolienne
Figure n°2. Architecture du système de test de Siemens Wind Power
Figure 3. L’ordinateur hôte est doté d’une interface utilisateur graphique LabVIEW intuitive.