Siemens Wind Power desenvolve um simulador Hardware-in-the-Loop para teste do software do sistema de controle de turbina eólica

Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

"Criar um novo sistema de teste em tempo real para testes hardware-in-the-loop (HIL) dos software de controle embarcado dos sistemas de controle de turbina eólica da Siemens que serão lançados no mercado, usando o NI TestStand, os módulos LabVIEW Real-Time e LabVIEW FPGA e a plataforma NI PXI."

- Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

O desafio:

Melhorar o teste automatizado de frequentes lançamentos de software dos sistemas de controle de turbina eólica da Siemens, assim como testar e verificar os componentes do sistema de controle da turbina eólica na fase de desenvolvimento.

A solução:

Criar um novo sistema de teste em tempo real para testes hardware-in-the-loop (HIL) dos software de controle embarcado dos sistemas de controle de turbina eólica da Siemens que serão lançados no mercado, usando o NI TestStand, os módulos LabVIEW Real-Time e LabVIEW FPGA e a plataforma NI PXI.

 

Teste do software do sistema de controle

Um sistema de turbina eólica consiste em diversos componentes incluindo o rotor, engrenagens, conversor e transformador que são usados para converter a energia cinética do vento em eletricidade.

 

O sistema de controle é interfaceado com os componentes mostrados na figura 1 por meio de centenas de sinais de E/S e diversos protocolos de comunicação. A parte mais complexa do sistema de controle é a do software de controle embarcado executando as malhas de controle.

 

Devido aos nossos desenvolvedores lançarem regularmente uma nova versão de software para o controlador, nós precisamos testar o software para verificar que esses lançamentos vão executar de forma confiável nas condições do parque eólico. Em todos os lançamentos nós realizamos teste de aceitação de fábrica antes que o software possa ser usado em campo. Este novo sistema de teste nos dá a habilidade de automatizar este processo.

 

Lições aprendidas com sistemas anteriores

Nosso sistema de teste anterior foi desenvolvido 10 anos atrás e baseado em outro ambiente de software e placas PCI de aquisição de dados. A arquitetura e o desempenho do sistema de teste não atendiam às nossas novas necessidades de escalabilidade e tempo de teste. Também faltava automatização no processo de documentação do resultado de teste e rastreabilidade dos testes, além de não fornecer as capacidades necessárias de controle remoto. Além disso, o ambiente de teste HIL antigo não suportava processamento multicore, o que nos impediu de tirar proveito do poder computacional dos processadores multicore mais recentes.

 

Nossa decisão para sistemas futuros

Depois de avaliar as tecnologias disponíveis, nós selecionamos o software LabVIEW e o hardware PXI (baseado em um arranjo de portas programável em campo [FPGA] e teste em tempo real) para desenvolver a nossa nova solução de teste. Nós acreditamos que essa tecnologia nos dá a flexibilidade e expansibilidade para atender às nossas futuras necessidades técnicas. Também possuímos confiança na solução com o alto nível de serviço e qualidade dos produtos da NI.

 

Por não sermos especializados em desenvolvimento de sistemas de teste internos, nós contratamos a CIM Industrial Systems A/S na Dinamarca para o desenvolvimento. Nós escolhemos a CIM Industrial Systems A/S porque eles tinham a capacidade de engenharia de teste disponível e o maior número de arquitetos de LabVIEW certificados na Europa. A CIM tornou esse projeto um sucesso e nós estamos muito satisfeitos com o serviço que nós recebemos.

 

Uma arquitetura flexível de sistema de teste de tempo real

O novo sistema de teste simula o comportamento dos componentes da turbina eólica real executando modelos de simulação para esses componentes no sistema LabVIEW Real-Time, fornecendo sinais simulados ao sistema sob teste.

 

O computador host possui uma interface gráfica de usuário intuitiva feita no LabVIEW, na qual os usuários podem facilmente adaptar movendo os componentes no painel. A aplicação no sistema operacional Windows também se comunica com dois instrumentos externos que não são compatíveis com real-time.

 

O software no computador host se comunica com o target do LabVIEW Real-Time em um chassi PXI-1042Q por Ethernet. O LabVIEW Real-Time executa o software de simulação que consiste tipicamente de 20 a 25 DLLs de simulação executando em paralelo. Essa solução pode chamar modelos do usuário feitos com praticamente qualquer ambiente de modelagem como o Módulo NI LabVIEW Control Design and Simulation, The MathWorks, Inc. Simulink®, ou código de ANSI C. Uma taxa de execução típica do nosso loop de simulação é 24 ms, deixando bastante capacidade de processamento para anteder às necessidades futuras de expansão.

 

 

Placas FPGA para protocolos customizados de turbina eólica e simulações de sensores 

Existem vários protocolos de comunicação customizados usados em turbinas eólicas devido à falta de padrões existentes. Usando um módulo RIO multifuncional baseado em FPGA NI PXI-7833R com o Módulo LabVIEW FPGA, nós podemos rapidamente criar uma interface e simular esses protocolos. Além da interface com os protocolos, nós estamos usando um dispositivo para simular sensores magnéticos e para simulações exatas de tensão trifásica e corrente. A outra placa FPGA é conectada a um chassi de expansão da série R  NI 9151 para aumentar o número de canais do sistema. A habilidade de projetar software para ser executado em um FPGA com o mesmo ambiente de desenvolvimento gráfico usado para o controle de tempo real foi extremamente útil no aumento da nossa produtividade.

 

Os benefícios do novo sistema de teste

A tecnologia da NI desempenhou um papel crítico nas melhorias do novo sistema de teste da Wind Power. A facilidade do ambiente de desenvolvimento LabVIEW permitiu que nós importássemos modelos de simulação de terceiros, e, combinada com a integração estreita do hardware baseado em tempo real e FPGA da NI, permitiu que nós fôssemos rapidamente de um conceito a um protótipo funcional. A habilidade do LabVIEW de tirar proveito automaticamente dos processadores multicore mais recentes nos ajudou a maximizar o desempenho do sistema, deixando bastante capacidade de processamento para atender às necessidades futuras de expansão.

 

Finalmente, o painel frontal altamente customizável permitiu que nós projetássemos facilmente uma interface gráfica de usuário intuitiva para os nossos usuários finais.

 

O novo sistema de teste da Siemens Wind Power é mais modular que a geração anterior, tornando mais fácil melhorá-lo, adaptá-lo e desenvolvê-lo mais. O sistema sob teste pode ser substituído rapidamente sem qualquer alteração na arquitetura do sistema de teste. A capacidade de controle remoto e réplica simples do sistema nos dá a flexibilidade de copiá-lo para outros locais conforme as nossas operações se expandam. Finalmente, o simulador fornece um ambiente para verificar de forma eficaz os novos lançamentos de software e testar situações especiais no nosso laboratório. Ele também nos dá uma ferramenta para testar novas tecnologias e conceitos nos quais nós estamos trabalhando.

 

Planos futuros

O projeto gráfico de sistemas com LabVIEW nos permite projetar software modular que pode ser facilmente escalado para atender aos requisitos crescentes da tecnologia em rápida evolução de energia eólica. No futuro, nós almejamos expandir a simulação para diversos targets do LabVIEW Real-Time para atender às nossas necessidades futuras de teste. Nós também estamos usando o NI TestStand para automatizar ainda mais a execução de testes.

Veja um vídeo da aplicação discutida neste estudo de caso:

 

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

 

Para mais informações sobre este sistema, por favor, procure:

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

Figura 1: Componentes da turbina eólica
Figura 2. Arquitetura do sistema de teste da Siemens Wind Power
Figura 3. O computador host possui uma GUI intuitiva feita no LabVIEW.