Siemens Wind Power développe un simulateur Hardware-in-the-Loop pour le test d’un logiciel de contrôle d’éoliennes

Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

« La conception graphique de systèmes LabVIEW nous permet de concevoir des logiciels modulaires facilement mis à l’échelle pour répondre aux exigences croissantes de la technologie éolienne en constante évolution. »

- Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

Le défi :

Améliorer le test automatique des versions logicielles fréquentes des systèmes de contrôle des éoliennes Siemens, ainsi que le test et la vérification des composants du système de contrôle des éoliennes lors de la phase de développement.

La solution :

Créer un nouveau système de test en 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.

 

Test du logiciel du système de contrôle

Un système éolien se compose de plusieurs composants, notamment le rotor, le réducteur, le convertisseur et le transformateur utilisés pour convertir l’énergie cinétique du vent en électricité.

 

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

 

Étant donné que nos développeurs de logiciels lancent régulièrement une nouvelle version du logiciel pour le contrôleur, nous devons tester le logiciel pour vérifier que ces versions s’exécutent de manière fiable dans les conditions du parc éolien. Pour chaque version de logiciel, nous effectuons des tests d’acceptation en usine avant que le logiciel ne puisse être utilisé sur le terrain. Ce nouveau système de test nous permet d’automatiser ce processus.

 

Leçons tirées du système précédent

Développé il y a 10 ans, notre système de test précédent reposait sur un autre environnement logiciel et des cartes d’acquisition de données PCI. L’architecture et les performances du système de test ne répondaient pas à nos nouvelles exigences en matière de temps de test et d’évolutivité. Il était difficile à maintenir et ne disposait pas de capacités d’automatisation suffisantes pour des tests efficaces. Il manquait également la documentation automatique des résultats des tests et la traçabilité des conditions de test, et ne disposait pas des fonctionnalités de contrôle à distance requises. De plus, l’ancien environnement de test HIL ne prenait pas en charge le traitement multicœur, ce qui nous empêchait de tirer parti de la puissance de calcul des derniers processeurs multicœurs.

 

Notre décision pour les systèmes futurs

Après avoir évalué les technologies disponibles, nous avons sélectionné le logiciel LabVIEW et le matériel FPGA (field-programmable gate array) en temps réel basé sur PXI pour développer notre nouvelle solution de test. Cette technologie nous fournit la flexibilité et l’évolutivité nécessaires pour répondre à nos exigences techniques futures. De plus, cette solution nous inspire confiance grâce au haut niveau de service et à la qualité des produits de NI.

 

Nous ne disposions pas d’une expertise approfondie en matière de développement de systèmes de test, c’est pourquoi nous avons engagé CIM Industrial Systems A/S au Danemark. Nous avons choisi CIM Industrial Systems A/S car ils disposaient d’ingénieurs de test et du plus grand nombre d’architectes LabVIEW certifiés en Europe. CIM a fait de ce projet un succès et nous sommes très satisfaits du service fourni.

 

Une architecture flexible de système de test en temps réel

Le nouveau système de test simule le comportement des composants réels de l’éolienne en exécutant des modèles de simulation pour ces composants dans le système LabVIEW Real-Time pour fournir des signaux simulés au système sous test.

 

L’ordinateur hôte dispose d’une interface graphique LabVIEW intuitive que les utilisateurs peuvent facilement adapter en déplaçant les composants dans le panneau. L’application Windows OS communique également avec deux instruments externes qui n’étaient pas compatibles en temps réel.

 

Le logiciel de 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 qui se compose généralement de 20 à 25 DLL de simulation s’exécutant en parallèle. Cette solution peut appeler des modèles utilisateur construits avec presque tous les environnements de modélisation tels que le Module NI LabVIEW Control Design and Simulation, The MathWorks, Inc. Logiciel Simulink® ou code C ANSI. Une vitesse d’exécution typique de notre boucle de simulation est de 24 ms, d’où la grande capacité de traitement pour répondre aux besoins d’expansion futurs.

 

 

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

De nombreux protocoles de communication personnalisés sont utilisés dans les éoliennes en raison de l’absence de normes existantes. En utilisant un module RIO multifonctions basé sur FPGA de la Série R NI PXI avec le Module LabVIEW FPGA, nous pouvons rapidement interfacer et simuler ces protocoles. En plus de l’interfaçage de protocoles, nous utilisons le périphérique pour simuler des capteurs magnétiques et pour des simulations précises de tension et de courant triphasés. L’autre carte FPGA est connectée à un châssis d’extension de la série R pour augmenter le nombre de voies du système. La capacité de conception de logiciels à exécuter sur un FPGA avec le même environnement de développement graphique utilisé pour le contrôle temps réel a été extrêmement utile pour augmenter notre productivité.

 

Les avantages du nouveau système de test

La technologie NI a joué un rôle essentiel dans les améliorations apportées au nouveau système de test Wind Power. L’ouverture de l’environnement de développement LabVIEW, qui nous a permis d’importer des modèles de simulation tiers, combinée à l’intégration étroite du matériel temps réel et FPGA de NI, nous a permis de passer rapidement d’un concept à un prototype fonctionnel. La capacité de LabVIEW à tirer automatiquement parti des derniers processeurs multicœurs nous a permis de maximiser les performances du système, d’où la grande capacité de traitement pour répondre aux besoins d’expansion futurs. Enfin, la face-avant hautement personnalisable nous a permis de concevoir facilement une GUI (Graphical User Interface) intuitive pour nos utilisateurs finaux.

 

Le nouveau système de test Siemens Wind Power est plus modulaire que la génération précédente, ce qui facilite l’amélioration, l’adaptation et le développement ultérieur. Le système sous test peut être rapidement remplacé sans aucune modification de l’architecture du système de test. Les capacités de contrôle/commande à distance et la simplicité de duplication du système nous permettent de le reproduire sur d’autres sites au fil du développement de nos activités. Enfin, le simulateur fournit un environnement permettant de vérifier efficacement les nouvelles versions logicielles et de tester des situations spéciales dans notre laboratoire. Il nous fournit également un outil pour tester de nouvelles technologies et concepts sur lesquels nous travaillons.

 

Plans pour l’avenir

La conception graphique de systèmes LabVIEW nous permet de concevoir des logiciels modulaires facilement mis à l’échelle pour répondre aux exigences croissantes de la technologie éolienne en constante évolution. À l’avenir, nous envisageons d’étendre la simulation à plusieurs cibles LabVIEW Real-Time pour répondre à nos besoins de tests futurs. Nous utilisons également NI TestStand pour automatiser davantage l’exécution des tests.

 

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

 

Informations sur l’auteur :

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

Figure 1 : Composants d’une éolienne
Figure 2. Architecture du système de test Siemens Wind Power
Figure 3. L’ordinateur hôte dispose d’une interface graphique LabVIEW intuitive.