Siemens Wind Power​公司​为​风力​机​控制​系统​软件​测试​开发​硬件​在​环​仿真器

Morten Pedersen,CIM Industrial Systems A/S

“借助​LabVIEW​图形​化​系统​设计,​我们​能够​设计​可​轻松​扩展​的​模​块​化​软件,​从而​满足​日益增长​且​不断​变化​的​风​能​技术​需求”

— Morten Pedersen,​CIM Industrial Systems A/S

挑战:

改善​Siemens​风力​机​控制​系统​常用​软件​版本​的​自动​测试,​并​在​开发​阶段​测试​和​验证​风轮​机​控制​系统​组​件。

解决​方案:

使用​NI TestStand、​LabVIEW Real-​Time​和​LabVIEW FPGA​模​块​以及​NI PXI​平台,​创建​新的​实​时​测试​系统,​以​进行​Siemens​风力​机​控制​系统​嵌入式​控制​软件​版本​的​硬件​在​环​(HIL)​测试。

 

测试​控制​系统​软件

风力​机​系统​由​多个​组​件​构成,​包括​转子、​齿轮、​转换​器​和​用于​将​风​的​动能​转换​为​电能​的​变压器。

 

控制​系统​通过​数以百计​的​I/​O​信号​和​多种​通信​协议​与​这些​组​件​进行​连接。​控制​系统​最​复杂​的​部分​是​执行​控制​循环​的​嵌入式​控制​软件。

 

由于​我们​的​软件​开发​人员​会​定期​发布​新的​控制器​软件​版本,​因此​我们​需要​测试​该​软件​以​验证​这些​版本​可在​风​场​条件下​可靠​地​执行。​对于​每​个​软件​版本,​我们​会​执行​工厂​验收​测试,​之后​才能​在​现场​使用​该​软件。​借助​这​款​新​测试​系统,​我们​能够​自动​执行​这​一​过程。

 

从​以前​的​系统​中​获得​的​经验​教训

我们​以前​的​测试​系统​是​10​年前​开发​的,​并且​基于​不同​的​软件​环境​和​PCI​数据​采集​板。​测试​系统​架构​和​性能​无法​满足​我们​对​测试​时间​和​可​扩展​性的​新​要求。​该​系统​难以​维护,​并且​没有​充分​的​自动​化​功能,​无法​实现​高效​测试。​它​还​缺少​测试​结果​自动​记录​功能​和​测试​案例​可​追溯​性,​无法​提供​所需​的​远程​控制​功能。​此外,​旧​的​HIL​测试​环境​不​支持​多核​处理,​致使​我们​无法​利用​最新​多核​处理​器​的​计算​能力。

 

我们​对​未来​系统​的​决策

在​评估​可用​技术​后,​我们​选择​使用LabVIEW软件​和​基于​PXI​的​实​时​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​硬件,​来​开发​我们​的​新​测试​解决​方案。​我们​相信​该​技术​可以​给​我们​带来​灵活​性​和​可​扩展​性,​从而​满足​未来​的​技术​要求。​另外,​凭借​NI​提供​的​高​水平​服务​和​产品​质量,​我们​对​该​解决​方案​充满了​信心。

 

由于​我们​内部​对于​测试​系统​没有​深入​的​开发​专业​知识,​因此​将​开发​工作​承包​给​了​丹麦​的​CIM Industrial Systems A/​S。​之所以​选择​CIM Industrial Systems A/​S,​是​因为​他们​具有​最好的​测试​工程​能力,​并​在​欧洲​具有​最大​数量​的​认证​LabVIEW​架构​师。​CIM​成功​地​完成​了​这个​项目,​我们​对​他们​提供​的​服务​非常​满意。

 

灵活​的​实​时​测试​系统​架构

LabVIEW Real-​Time系统​中​运行​实际​风力​机组​件​的​仿真​模型,​可向​待​测​系统​提供​仿真​信号。​通过​上述​操作,​新​测试​系统​可​仿真​这些​组​件​的​行为。

 

主机​具有​直观​的​LabVIEW GUI,​通过​在​面板​中​移动​组​件,​可以​让​用户​轻松​适应。​Windows OS​应用​程序​还​可与​两​个​并不​实​时​兼容​的​外部​仪器​通信。

 

主机​上​的​软件​通过​以太​网​与​PXI-1042Q​机​箱​中的​LabVIEW Real-​Time​终端​进行​通信。​LabVIEW Real-​Time​运行​仿真​软件,​该​软件​通常​有​20​至​25​个​仿真​DLL​并行​运行。​该​解决​方案​可以​调​用​使用​几乎​任何​建​模​环境​(例如NI LabVIEW​控制​设计​与​仿真​模块、​MathWorks, Inc.Simulink®​软件​或​ANSI C​代码)​构​建​的​用户​模型。​我们​仿真​循环​的​典型​执行​速率​为​24 ms,​还有​足够​的​处理​能力​满足​未来​扩展​需求。

 

 

适用​于​自​定义​风力​机​协议​和​传感器​仿真​的​FPGA板

由于​缺少​标准,​风力​机​中​使用​许多​自​定义​通信​协议。​通过​结合​使用​基于​FPGA​的​NI PXI-​R​系列​多功能​RIO​模​块与LabVIEW FPGA​模块,​我们​能​快速​连接​和​仿真​这些​协议。​除了​协议​连接​外,​我们​还​使用​该​设备​来​仿真​磁性​传感器​以及​进行​精确​的​三相​电压​和​电流​仿真。​另​一个​FPGA​板​卡​连接​到​R​系列​扩展​机​箱,​可​进一步​提高​系统​通道​数。​利用​相同​的​图形​开发​环境,​设计​出​能够​在​FPGA​上​运行​以​进行​实​时​控制​的​软件,​这种​能力​对于​提高​生产​力​极​有​帮助。

 

新​测试​系统​的​优势

在​改进​风​能​测试​系统​的​过程​中,​NI​技术​发挥​了​关键​作用。​LabVIEW​开发​环境​的​开放​性​让​我们​能够​导入​第三​方​仿真​模型,​与​NI​实​时​且​基于​FPGA​的​硬件​紧密​集成,​从而​快速​地​从​概念​阶段​发展​到​功能​原型​阶段。​LabVIEW​能够​自动​利用​最新​多核​处理​器,​这​帮助​我们​有效​提高​了​系统​性能,​预​留了​足够​的​处理​能力​以​满足​未来​扩展​需求。​最后,​利用​高度​可​自​定义​的​前​面板,​我们​能够​为​最终​用户​设计​出​直观​的​图形​用户​界面。

 

与​上​一代​系统​相比,​新的​Siemens​风​能​测试​系统​增强​了​模​块​化​性能,​易​于​改进、​调整​和​进一步​开发。​在​不对​测试​系统​架构​进行​任何​更改​的​情况​下,​可以​快速​替换​待​测​系统。​远程​控制​功能​和​简单​的​系统​复制​功能​可​让​我们​在​扩大​运营​范围​时,​灵活​地​将​系统​复制​到​其他​站​点。​最后,​仿真​器​提供​了​一个​有效​验证​新​软件​版本​和​在​实验​室​测试​特殊​状况​的​环境。​它​还​向​我们​提供​了​一个​用于​测试​正在​开发​的​新​技术​和​概念的​工具。

 

未来​计划

借助​LabVIEW​图形​化​系统​设计,​我们​能够​设计​可​轻松​扩展​的​模​块​化​软件,​从而​满足​日益增长​且​不断​变化​的​风​能​技术​需求。​我们​预想​未来​将​仿真​扩展​到​多个​LabVIEW Real-​Time​终端,​从而​满足​我们​未来​的​测试​需求。​我们​还​将​使用NI TestStand进一步​实现​测试​执行​自动​化。

 

Simulink®​是​MathWorks, Inc​的​注册​商标。

 

作者​信息:

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

图​1: ​ ​风力​机组​件 ​
图​2. ​ ​Siemens​风​能​测试​系统​架构 ​
图​3. ​ ​主机​具有​直观​的​LabVIEW GUI。 ​