Siemens Wind Power, 풍력 터빈 제어 시스템 소프트웨어 테스트를 위한 HIL 시뮬레이터 개발

Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

"LabVIEW 그래픽 시스템 설계를 통해 우리는 빠르게 진화하는 풍력 에너지 기술의 요구사항을 충족하도록 쉽게 확장할 수 있는 모듈형 소프트웨어를 설계할 수 있습니다."

- Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

과제:

이를 통해 Siemens 풍력 터빈 제어 시스템의 빈번한 버전 업데이트에 대한 소프트웨어 자동 테스트를 개선하고, 개발 단계에서 풍력 터빈 제어 시스템 구성요소를 테스트하고 확인했습니다.

해결책:

NI TestStand, LabVIEW Real-Time, LabVIEW FPGA Module 및 NI PXI 플랫폼을 사용하여 Siemens 풍력 터빈 제어 시스템 임베디드 제어 소프트웨어의 HIL (hardware-in-the-loop) 테스트를 위한 새로운 리얼타임 테스트 시스템 구현.

 

제어 시스템 소프트웨어 테스트하기

풍력 터빈 시스템은 풍력 운동 에너지를 전기로 변환하는데 사용되는 로터, 기어, 변환기, 변압기를 포함한 여러 부품으로 구성됩니다.

 

제어 시스템은 수백 개의 I/O 신호와 여러 통신 프로토콜을 통해 이러한 부품과 연결됩니다. 제어 시스템의 가장 복잡한 부분은 제어 루프를 실행하는 임베디드 제어 소프트웨어입니다.

 

당사 소프트웨어 개발자는 정기적으로 컨트롤러의 새로운 소프트웨어 버전을 출시하므로, 소프트웨어를 테스트하여 풍력 발전 단지의 조건에서 해당 버전이 안정적으로 실행되는지 확인해야 합니다. 소프트웨어가 출시될 때마다 우리는 소프트웨어를 현장에서 사용하기 전에 공장 인수 테스트부터 먼저 수행합니다. 이 새로운 테스트 시스템을 사용하면 이러한 프로세스를 자동화할 수 있습니다.

 

이전 시스템에서 배운 것

이전 테스트 시스템은 10년 전에 개발된 것으로 다른 소프트웨어 환경과 PCI 데이터 수집 보드를 기반으로 합니다. 그 테스트 시스템 아키텍처와 성능은 테스트 시간과 확장성에 대한 새로운 요구사항을 충족하지 못했습니다. 유지보수가 어렵고, 효율적인 테스트를 위한 자동화 기능이 충분하지 않았습니다. 또한 자동 테스트 결과 문서화와 테스트 사례 추적성이 부족했고, 필요한 원격 제어 기능을 제공하지 않았습니다. 이에 더해, 이전 HIL 테스트 환경은 멀티코어 프로세싱을 지원하지 않았으므로, 최신 멀티코어 프로세서의 연산 성능을 활용할 수 없습니다.

 

미래 시스템을 위한 결정

당사에서는 사용 가능한 기술을 평가한 후 새로운 테스트 솔루션을 개발할 기술로 LabVIEW 소프트웨어와 PXI 기반 리얼타임 및 FPGA (field-programmable gate array) 하드웨어를 선택했습니다. 이 기술로 미래의 기술 요구사항을 충족할 수 있는 유연성과 확장성을 얻을 수 있을 것으로 보았습니다. 또한, NI에서 제공하는 높은 수준의 서비스와 품질을 통해 솔루션에 대한 확신을 얻었습니다.

 

내부적으로 테스트 시스템에 대한 깊은 개발 전문 지식이 없어, 덴마크에 있는 CIM Industrial Systems A/S와 개발 계약을 체결했습니다. CIM Industrial Systems A/S를 선택한 이유는 테스트 엔지니어링 기술을 갖추고 있었고, 유럽에서 가장 많은 수의 인증 LabVIEW 아키텍트를 보유하고 있기 때문이었습니다. CIM은 이 프로젝트를 성공으로 이끌었으며, 우리는 서비스에 매우 만족합니다.

 

유연한 리얼타임 테스트 시스템 아키텍처

새로운 테스트 시스템은 LabVIEW Real-Time 시스템에서 이러한 구성요소에 대한 시뮬레이션 모델을 실행하여 테스트 대상 시스템에 시뮬레이션 신호를 제공함으로써 실제 풍력 터빈 구성요소의 동작을 시뮬레이션합니다.

 

호스트 컴퓨터에는 직관적인 LabVIEW GUI가 있으며, 사용자는 패널에서 구성요소를 이동하여 쉽게 화면을 조정할 수 있습니다. Windows OS 어플리케이션은 리얼타임과 호환되지 않는 두 개의 외부 계측기와도 통신합니다.

 

호스트 컴퓨터의 소프트웨어는 PXI-1042Q 섀시의 LabVIEW Real-Time 타겟과 이더넷을 통해 통신합니다. LabVIEW Real-Time은 일반적으로 병렬로 실행되는 20–25개의 시뮬레이션 DLL로 구성된 시뮬레이션 소프트웨어를 실행합니다. 이 솔루션은 NI LabVIEW Control Design and SimulationModule, The MathWorks, Inc. Simulink® 소프트웨어 또는 ANSI C 코드를 포함하는 거의 모든 모델링 환경으로 만든 사용자 모델을 호출할 수 있습니다. 시뮬레이션 루프의 일반적인 실행 속도는 24ms이므로 향후 요구사항이 확장되더라도 충분한 처리 용량이 남아있습니다.

 

 

사용자 정의 풍력 터빈 프로토콜 및 센서 시뮬레이션을 위한 FPGA 보드

풍력 터빈에는 기존의 확립된 표준이 없으므로 많은 사용자 정의 통신 프로토콜이 사용됩니다. NI PXI-R 시리즈 FPGA 기반 다기능 RIO 모듈을 LabVIEW FPGA Module과 함께 사용하면 이러한 프로토콜과 신속하게 연결하고 시뮬레이션할 수 있습니다. 우리는 프로토콜 인터페이스 외에도 이 디바이스를 사용하여 자기 센서를 시뮬레이션하고 정확한 3상 전압 및 전류 시뮬레이션을 수행합니다. 다른 FPGA 보드는 R 시리즈 확장형 섀시에 연결되므로 시스템 채널 수가 더 늘어납니다. 리얼타임 제어에 사용되는 그래픽 개발 환경과 동일한 환경으로 FPGA에서 실행되도록 소프트웨어를 설계하는 기능은 생산성 향상에 매우 도움이 되었습니다.

 

새로운 테스트 시스템의 장점

NI 기술은 새로운 풍력 발전 테스트 시스템의 개선에 매우 중요한 역할을 했습니다. 타사 시뮬레이션 모델을 반입할 수 있는 LabVIEW 개발 환경의 개방성과 NI 리얼타임 및 FPGA 기반 하드웨어의 긴밀한 통합 덕분에, 우리는 개념 설계부터 실제로 동작하는 프로토타입으로 신속하게 전환할 수 있었습니다. 최신 멀티코어 프로세서를 자동으로 활용하는 LabVIEW의 기능은 시스템 성능 최대화를 지원하여 향후 요구사항 확장에 충분히 대응할 수 있을 정도의 처리 용량을 남겨두었습니다. 마지막으로 고도로 맞춤화 가능한 프런트패널 덕분에 최종 사용자를 위한 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스를 쉽게 설계할 수 있었습니다.

 

새로운 Siemens 풍력 테스트 시스템은 이전 세대보다 더 모듈화되어 개선, 적응과 추가 개발이 용이합니다. 테스트 중인 시스템을 테스트 시스템 아키텍처를 변경하지 않고도 신속하게 교체할 수 있습니다. 원격 제어 기능과 간단한 시스템 복제 기능을 사용하면 운영 규모가 확장될 때, 시스템을 손쉽게 다른 현장에 복제할 수 있는 유연성이 확보됩니다. 마지막으로 시뮬레이터는 새로운 소프트웨어 버전을 효과적으로 확인하고 실험실에서 특수한 상황을 테스트할 수 있는 환경을 제공합니다. 또한, 새로운 기술과 개념을 테스트할 수 있는 도구를 제공합니다.

 

향후 계획

LabVIEW 그래픽 시스템 설계를 통해 우리는 빠르게 진화하는 풍력 에너지 기술의 요구사항을 충족하도록 쉽게 확장할 수 있는 모듈형 소프트웨어를 설계할 수 있습니다. 향후에 테스트 요구사항이 확장되면 시뮬레이션을 여러 LabVIEW Real-Time 타겟으로 확장할 것입니다. 또한, NI는 NI TestStand도 사용하여 테스트 실행을 그 이상으로 자동화하고 있습니다.

 

Simulink®는 The MathWorks, Inc.의 등록상표입니다.

 

작성자 정보:

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

그림 1: 풍력 터빈 부품
그림 2. Siemens 풍력 테스트 시스템 아키텍처
그림 3. 호스트 컴퓨터에는 직관적인 LabVIEW GUI가 있습니다.