主页 解决方案 能源解决方案 案例分析 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

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

在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可运行仿真软件，该软件通常有20至25个仿真DLL并行运行。该解决方案可调用使用几乎任何建模环境构建的用户模型，例如NI LabVIEW Control Design and Simulation模块（现已配置在LabVIEW专业版中）、MathWorks, Inc.Simulink®软件或ANSI C代码构建的用户模型。 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。