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Siemens Energía Eólica desarrolla un simulador de hardware-in-the-Loop para pruebas por software de un sistema de control de una turbina de viento

 

“La arquitectura modular nos permite hacer un sistema escalable para cumplir los requerimientos siempre crecientes de la rápida evolución de la tecnología de energía eólica.“
 
El Reto:
Mejorar las pruebas automatizadas de los frecuentes lanzamientos de Software de los sistemas de control de la turbina Siemens, así como probar y verificar los componentes del sistema de control de la turbina en la fase de desarrollo.
La Solución:
Crear un nuevo sistema de prueba en tiempo real para pruebas de hardware-in-the-loop (HIL) de los nuevos lanzamientos de software de control embebido para los sistemas de control de la turbina de viento usando NI TestStand, LabVIEW Real-Time, los módulos de FPGA y la plataforma de PXI.
Probando el Sistema de Control de Software
Un sistema de turbina de viento consiste de varios componentes incluyendo el rotor, engrane, convertidor y transformador usado para convertir  la energía cinética del viento en electricidad.
Las interfaces del sistema de control con estos componentes a través de cientos de señales E/S y múltiples protocolos de comunicación. La parte más compleja del sistema de control es que el software de control embebido ejecute los ciclos de control.
Ya que nuestros desarrolladores de software  regularmente lanzan una nueva versión de software para el controlador,  necesitamos probar el software para verificar que los lanzamientos se van a ejecutar de manera confiable en la condiciones del parque eólico. Con cada lanzamiento de software realizamos pruebas de aceptación en fábrica antes de que el software pueda ser usado en el campo. Este nuevo sistema de prueba nos da la habilidad de automatizar el proceso.
Lecciones Aprendidas del Sistema Anterior
Nuestro sistema de pruebas anterior fue desarrollado 10 años atrás, basado en otro ambiente de software y tarjetas de adquisición de datos PCI. La arquitectura del sistema de prueba y rendimiento no cumplía nuestros requerimientos de tiempo de prueba y escalabilidad. Era difícil mantener y no tenía suficientes capacidades de automatización para pruebas eficientes. También carecía de documentación automática de resultados,  trazabilidad de casos de prueba  y no proveía las capacidades de control remoto requeridas. Adicionalmente, el viejo ambiente de prueba HIL no soportaba procesamiento multi-núcleo, lo cual nos limitaba el poder tomar ventaja del poder computacional de los últimos procesadores multi-núcleo.
Nuestra Decisión para Futuros Sistemas
Después de evaluar las tecnologías disponibles, seleccionamos el software de LabVIEW, PXI basado en tiempo real y hardware de arreglo de compuertas programables en campo (FPGA)  para desarrollar nuestra solución de prueba. Creemos que esta tecnología nos da la flexibilidad y expansibilidad de cumplir nuestros requerimientos técnicos futuros. También hemos establecido confianza en la solución con la alto nivel de servicio y calidad de los productos de NI.
Ya que no teníamos una experiencia profunda en el desarrollo de sistemas de prueba “in-house”, contratamos para el desarrollo a CIM Industrial Systems A/S en Dinamarca. Escogimos CIM Industrial Systems A/S porque ellos tienen la capacidad de ingeniería de prueba y el número más grande de Arquitectos Certificados de LabVIEW en Europa. CIM hizo de este proyecto un éxito, estamos muy satisfechos del servicio recibido.
Arquitectura Flexible de Sistema de Prueba en Tiempo Real
El nuevo sistema simula el comportamiento de una turbina de tiempo real, corriendo modelos de simulación para estos componentes en un sistema LabVIEW Real-Time para proveer señales simuladas al sistema bajo prueba.
La computadora anfitriona tiene un LabVIEW GUI intuitivo que los usuarios pueden utilizar para adaptar fácilmente moviendo los componentes al panel. La aplicación de SO Windows también se comunica con dos instrumentos externos que no eran compatibles  en tiempo real. El software en la computadora anfitrión se comunica con el target de LabVIEW Real Time en un chasis PXI-1042Q  a través de Ethernet. LabVIEW Real Time corre el software de simulación que consiste típicamente de 20 a 25 DLLs de simulación ejecutándose en paralelo. Esta solución puede llamar modelos de usuario construidos con casi cualquier ambiente de modelado tal como NI LabVIEW Control Design and Simulation Module, el software de The MathWorks, Inc. Simulink® o código ANSI C. El rango de ejecución típica para nuestro ciclo de simulación es de 24 ms, dejando una amplia capacidad de procesamiento para cumplir con necesidades de expansión a  futuro.
Tarjetas FPGA para Protocolos Personalizados para Turbinas de Viento y Simulación de Sensores
Hay muchos protocolos de comunicación personalizados usados en las turbinas de viento, esto debido a  la falta de estándares existentes. Con el uso del modulo multifuncional  NI PXI-7833R basado en FPGA junto con el módulo de LabVIEW FPGA , pudimos hacer la interface y simular estos protocolos. Aparte de hacer la interfaz de protocolo, estamos usando el dispositivo para simular los sensores magnéticos y para simular de manera precisa voltaje y corriente trifásica. 
La otra tarjeta FPGA está conectada a un chasis de expansión  NI 9151 de la serie R para incrementar en un futuro el número de canales.
Los Beneficios del Nuevo Sistema de Prueba
El nuevo sistema de prueba de Siemens Energía Eólica tiene muchos beneficios sobre las soluciones de generación anterior. Esto debido a su modularidad, que es fácil de mejorar, adaptar y desarrollo a futuro. El sistema bajo prueba puede ser fácilmente reemplazado sin ningún cambio en la arquitectura del sistema de prueba. La capacidad de control remoto y fácil réplica del sistema nos da la flexibilidad de copiar el sistema en otras facilidades a la par del crecimiento de nuestras operaciones. 
El simulador provee un ambiente que permite verificar efectivamente los nuevos lanzamientos de software y situaciones de prueba especiales en nuestro laboratorio. Nos da también la herramienta para probar las nuevas tecnologías y conceptos en los cuales estamos trabajando.
Planes Futuros
La arquitectura modular nos permite hacer un sistema escalable para cumplir los requerimientos siempre crecientes de la rápida evolución de la tecnología de energía eólica. 
Nuestra visión es dividir la simulación a múltiples targets de LabVIEW de Tiempo Real para cumplir nuestras necesidades de prueba a futuro. Vamos a usar también NI TestStand para automatizar aún más la ejecución.
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