Siemens Wind Power​社、​風力​タービン​制御​システム​ソフトウェア​の​テスト​用​に​HIL (Hardware-​In-​the-​Loop) シミュレータ​を​開発

「急速​に​進化​する​風力​エネルギー​技術​に対する​要求​は​増え​続​け​てい​ます。​LabVIEW​による​グラフィカル​システム​開発​を​利用​する​こと​で、​そうした​要求​に​合わせ​て​容易​に​拡張​できる​モジュール​式​ソフトウェア​を​設計​する​こと​が​でき​ます。」

- Morten Pedersen、​CIM Industrial Systems A/​S社

課題:

Siemens​社​は​風力​タービン​制御​システム​の​ソフトウェア​リリース​を​頻繁​に​行​って​おり、​その​リリース​ごと​に​実施​する​自動​テスト​の​改善​が​課題​に​な​って​いま​した。​また、​風力​タービン​制御​システム​の​コンポーネント​を、​その​開発​段階​で​テスト​および​検証​できる​よう​に​する​という​課題​も​ありま​した。

ソリューション:

Siemens​社​の​風力​タービン​制御​システム​に​組み​込​ま​れる​制御​ソフトウェア リリース​を​HIL (Hardware-​in-​the-​Loop) テスト​によって​検証​する​ことに​なり​ま​した。​そのため​の​新た​な​リアルタイム​テスト​システム​を、​NI TestStand、​NI LabVIEW Real-​Time​モジュール、​NI LabVIEW FPGA​モジュール、​NI PXI​プラットフォーム​を​使​って​構築​しま​した。

 

制御​システム​ソフトウェア​を​テスト​する

風力​タービン​システム​は、​風力​による​運動​エネルギー​を​電気​に​変換​する​ため​に​使用​さ​れる、​ロー​ター、​ギア、​変換​器、​変圧​器​など​の​コンポーネント​から​構成​さ​れ​てい​ます。

 

制御​システム​は、​数百​個​の​I/​O​信号​と​複数​の​通信​プロトコル​を​介​し​て、​これらの​コンポーネント​と​通信​し​てい​ます。​この​制御​システム​の​最も​複雑​な​部分​は、​制御​ループ​を​実行​する​組​込​制御​ソフトウェア​です。

 

当社​の​ソフトウェア​開発​者​は、​コントローラ​用​ソフトウェア​の​新​バージョン​を​定期​的​に​リリース​し​ます。​そのため、​これらの​ソフトウェア​について​テスト​し、​風力​発電​施設​の​環境​で​確実​に​動作​する​こと​を​検証​する​必要​が​あり​ます。​ソフトウェア​が​リリース​さ​れる​たび​に、​その​ソフトウェア​を​現場​で​使用​する​前​に​工場​受入​テスト​を​実施​し​ます。​今回、​新しい​テスト​システム​を​開発​する​こと​で、​この​工程​を​自動化​する​こと​が​でき​ま​した。

 

従来​の​システム​から​学​ん​だ​課題

当社​の​以前​の​テスト​システム​は​10​年前​に​開発​さ​れ​た​もの​で、​LabVIEW​と​は​異なる​ソフトウェア​環境​および​PCI​データ​収集​ボード​に​基​づ​い​て​構築​さ​れ​てい​ま​した。​従来​の​テスト​システム​の​アーキテクチャ​と​性能​では、​当社​が​新た​に​求め​て​いる​テスト​時間​と​拡張​性​の​要件​を​満たす​こと​が​でき​ま​せん。​従来​の​テスト​システム​は​メンテナンス​が​難​しく、​効率​的​な​テスト​に​必要​な​十分​な​自動化​機能​も​備え​てい​ま​せん​で​した。​また、​テスト​結果​を​自動的​に​文書​化​する​機能​や、​テストケース​の​トレーサビリティ​も​無​く、​必須​の​リモート​制御​機能​も​利用​でき​ま​せん。​さらに、​この​従来​の​HIL​テスト​環境​では、​マルチ​コア​プロセッシング​を​サポート​し​てい​なか​っ​た​ので、​最新​の​マルチ​コア​プロセッサ​の​計算​能力​を​活用​する​こと​も​でき​ま​せん​で​した。

 

将来​の​システム​に​向け​た​当社​の​判断

利用​可能​な​技術​を​いくつか​評価​した​結果、​当社​では、​新しい​テスト​ソリ​ュ​ー​ション​を​開発​する​ためにLabVIEWソフトウェア​と​PXI​ベース​の​リアルタイム/​FPGA (フィールド​プログラマブル​ゲート​アレイ) ハードウェア​を​選択​しま​した。​この​技術​によって、​将来​の​技術​要件​に​応え​られる​柔軟性​と​拡張​性​が​実現​さ​れる​と​確信​し​てい​ます。​また、​NI​が​提供​する​製品​の​品質​と​サービス​の​レベル​が​高い​こと​も、​この​問題​解決​の​決め手​となり​ま​した。

 

当社​は​自社​で​テスト​システム​を​開発​できるだけ​の​十分​な​開発​経験​を​持​って​いなか​っ​た​ので、​デンマーク​の​CIM Industrial Systems A/​S​社​に​開発​を​委託​しま​した。​CIM Industrial Systems A/​S​を​選​ん​だ​理由​は、​テスト​エンジニアリング​に関する​技能​が​あり、​ヨーロッパ​で​最も​多く​の​LabVIEW​設計​者​認定​試験​の​合格者​を​抱え​てい​た​ため​です。​CIM​社​によって​この​プロジェクト​は​成功​しま​した。​当社​は、​CIM​社​の​サービス​を​高​く​評価​し​てい​ます。

 

柔軟性​の​高い​リアルタイム​テスト​システム​の​アーキテクチャ

新しい​テスト​システム​では、​実際​の​風力​タービン​の​コンポーネント​の​動作​を​シミュレーション​し​ます。​そのため​に​は、​テスト​対象​と​なる​コンポーネント​の​シミュレーション​モデルをLabVIEW Real-​Timeシステム​で​実行​し、​テスト​対象​の​システム​に​シミュレーション​信号​を​入力​し​ます。

 

ホスト​コンピュータ​は、​直感​的​に​操作​できる​LabVIEW GUI​を​備え​て​おり、​ユーザ​は、​パネル​内​の​コンポーネント​を​動​かし​て​簡単​に​適応​させる​こと​が​でき​ます。​また、​Windows OS​アプリケーション​が​2​台​の​外部​計測​器​と​通信​し​てい​ます。​ただし、​これらの​外部​計測​器​は​リアルタイム​対応​の​計測​器​では​ありま​せん。

 

ホスト​コンピュータ​上の​この​ソフトウェア​は、​PXI-1042Q​シャーシに内蔵された​LabVIEW Real-​Time​ターゲット​と​イーサネット​経由​で​通信​し​ます。​LabVIEW Real-​Time​は​シミュレーション​ソフトウェア​を​実行​し​ます。​この​シミュレーション​ソフトウェア​は、​通常、​並列​に​動作​する​20​~​25​個​の​シミュレーション​DLL​で​構成​さ​れ​てい​ます。​この​ソリューション​では、​ほぼ​すべて​の​モデリング​環境 (NI LabVIEW Control Design and Simulation (制御​系​設計/​シミュレーション) モジュールや​The MathWorks, Inc.​社​の​Simulink®​ソフトウェア、​ANSI C​コード​など) で​構築​さ​れ​た​ユーザ​モデル​を​呼び出す​こと​が​でき​ます。​当社​の​シミュレーション​ループ​の​標準​的​な​実行​速度​は​24 ms​で​あり、​将来​の​拡張​の​ニーズ​に​対応​できる​十分​な​処理​能力​を​確保​でき​ま​した。

 

 

カスタム​風力​タービン​プロトコル​と​セン​サ​シミュレーション​に​対応​した​FPGA​ボード

標準​規格​が​確立​さ​れ​てい​ない​ため、​風力​タービン​では​さまざま​な​カスタム​通信​プロトコル​が​使​われ​てい​ます。​FPGA​ベース​の​マルチ​ファンクション​RIO​モジュール​で​ある​NI PXI-​R​シリーズをLabVIEW FPGA​モジュールと共に​使用​すると、​これらの​プロトコル​と​の​通信​や​シミュレーション​を​す​ば​やく​行う​こと​が​でき​ます。​プロトコル​と​の​インタフェース​に​加​えて、​この​デバイス​を​使用​し​て、​磁気​センサ​の​シミュレーション​や​高​精度​の​三相​電圧​および​電流​の​シミュレーション​を​実行​し​てい​ます。​他の​FPGA​ボード​は、​システム​の​チャンネル​数​を​さらに​増やす​ため​に、​R​シリーズ​拡張​シャー​シ​に​接続​さ​れ​てい​ます。​リアルタイム​制御​で​使用​し​てい​た​もの​と​同じ​グラフィカル​開発​環境​で、​FPGA​上​で​動作​する​ソフトウェア​を​設計​する​こと​が​でき​た​ため、​生産​性​の​向上​に​非常​に​役​立ち​ま​した。

 

新しい​テスト​システム​の​メリット

NI​の​テクノロジ​は、​Siemens Wind Power​社​の​新しい​テスト​システム​の​改善​に​重要​な​役割​を​果​た​しま​した。​他社​製​の​シミュレーション​モデル​を​イン​ポート​できる​LabVIEW​開発​環境​の​オープン​性​と、​NI​の​リアルタイム/​FPGA​ベース​の​ハードウェア​と​の​緊密​な​統合​により、​概念​から​機能​的​プロトタイプ​の​作成​まで​を​短時間​で​進める​こと​が​でき​ま​した。​LabVIEW​は​最新​の​マルチ​コア​プロセッサ​を​自動的​に​利用​できる​ため、​システム​性能​を​最大限​に​引き出し、​将来​の​拡張​の​ニーズ​に​対応​できる​十分​な​処理​性能​を​確保​する​こと​が​でき​ま​した。​最終​的​に​は、​カスタマイズ​性​に​優​れ​た​フロント​パネル​により、​直感​的​に​操作​できる​グラフィカル​ユーザ​インタフェース​を​当社​の​エンド​ユーザ​向け​に​容易​に​設計​する​こと​が​でき​ま​した。

 

Siemens Wind Power​社​の​新しい​テスト​システム​は、​旧​世代​の​システム​に​比べ​て​モジュール​性​に​優​れ​て​おり、​改善​や​適応、​さらなる​開発​が​簡単​に​でき​ます。​テスト​対象​の​システム​の​取り換え​も、​テスト​システム​アーキテクチャ​に​変更​を​加える​こと​なく、​迅速​に​行う​こと​が​でき​ます。​システム​の​リモート​制御​機能​と​簡素​化​さ​れ​た​複製​機能​により、​運用​の​拡大​に​伴​って​同じ​システム​を​他の​場所​に​柔軟​に​複製​する​こと​が​でき​ます。​最終​的​に​は、​ソフトウェア​の​新しい​リリース​を​効率​的​に​検証​し、​当社​の​実験​室​で​特別​な​状況​を​テスト​できる​環境​が、​シミュレータ​によって​提供​さ​れ​ます。​さらに、​開発​対象​と​なる​新しい​技術​や​概念​を​テスト​する​ため​の​ツール​も​提供​さ​れ​ます。

 

将来​の​計画

急速​に​進化​する​風力​エネルギー​技術​に対する​要求​は​増え​続​け​てい​ます。​LabVIEW​による​グラフィカル​システム​開発​を​利用​する​こと​で、​そうした​要求​に​合わせ​て​容易​に​拡張​できる​モジュール​式​ソフトウェア​を​設計​する​こと​が​でき​ます。​将来​的​に​は、​今後​の​テスト​ニーズ​に​応​じ​られる​よう​に、​シミュレーション​を​複数​の​LabVIEW Real-​Time​ターゲット​に​拡張​する​こと​を​計画​し​てい​ます。​また​当社​では、NI TestStandを​使用​し​て​テスト​実行​の​自動化​を​さらに​推し進める​予定​です。

 

Simulink®​は​The MathWorks, Inc.​社​の​登録​商標​です。

 

お客様​情報:

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

図​1. ​ ​風力​タービン​の​コンポーネント ​
図​2. ​ ​Siemens Wind Power​社​の​テスト​システム​アーキテクチャ ​
図​3. ​ ​直感​的​に​操作​できる​LabVIEW GUI​を​備え​た​ホスト​コンピュータ ​