The Challenge: Siemens 윈드 터빈 컨트롤 시스템의 빈번히 출시되는 소프트웨어의 테스트 자동화를 향상시키고 개발 단계에서 윈드 터빈 컨트롤 시스템 컴포넌트를 테스트 및 검증
The Solution: NI TestStand, LabVIEW Real-Time 및 LabVIEW FPGA Module, NI PXI 플랫폼을 이용하여 Siemens 윈드 터빈 컨트롤 시스템의 임베디드 컨트롤 소프트웨어 출시의 HIL 테스트를 위한 새로운 리얼타임 테스트 시스템 구축
윈드 터빈 시스템은 회전자, 기어, 컨버터 및 운동 풍력 에너지를 전기로 변환하는데 사용하는 변압기가 포함된 몇 가지 구성요소로 구성되어 있습니다.
그림 1. 윈드 터빈 구성요소
컨트롤 시스템은 수백 개의 I/O 신호와 여러 통신 프로토콜을 통해 이 같은 구성요소들과 인터페이스합니다. 컨트롤 시스템에서 가장 복잡한 부분은 컨트롤 루프를 실행하는 임베디드 컨트롤 소프트웨어입니다.
소프트웨어 개발자들이 주기적으로 컨트롤러를 위한 새로운 버전의 소프트웨어를 출시하기 때문에 이 같은 출시 버전들이 풍력단지 환경에서 안정적으로 실행되도록 확인하는 소프트웨어를 테스트해야 합니다. 소프트웨어가 출시될 때마다 소프트웨어를 현장에서 사용할 수 있기 전에 공장 수용 테스트를 수행합니다. 이 같은 새 테스트 시스템은 이 프로세스를 자동화하는 기능을 제공합니다.
이전 시스템으로부터 얻은 교훈
이전 테스트 시스템은 10년 전에 개발되었으며 다른 소프트웨어 환경과 PC 데이터 수집 보드를 기반으로 합니다. 이 테스트 시스템 아키텍처와 성능은 테스트 시간과 확장성에 대한 새로운 요구조건을 충족시키지는 못했습니다. 이 아키텍처는 유지관리가 어려웠고 효율적인 테스트에 충분한 자동화 기능을 가지고 있지 않았습니다. 또한 자동 테스트 결과 문서화, 테스트 사례 추적성이 부족했고 필요한 원격 컨트롤 기능을 제공하지 않았습니다. 또한 구 HIL 테스트 환경은 멀티코어 처리를 지원하지 않아 최신 멀티코어 프로세서의 연산력을 활용할 수 없도록 하였습니다.
향후 시스템을 위한 결정
사용 가능한 기술들을 평가하고 난 후 새로운 테스트 솔루션을 개발하는데 LabVIEW 소프트웨어, PXI 기반 리얼타임 및 FPGA 하드웨어를 선택했습니다. 이 기술을 이용하면 향후의 기술 요구사항을 충족시키도록 유연성과 확장성을 줄 것이라 믿었습니다. 또한 NI의 높은 레벨의 서비스와 제품의 품질을 제공하는 솔루션에서 확신을 가지게 되었습니다.
사내의 테스트 시스템에 대한 깊은 개발 전문성이 없었기 때문에 덴마크의 CIM Industrial Systems A/S와 개발을 계약했습니다. CIM Industrial System A/S를 선택한 이유는 사용 가능한 테스트 엔지니어링 기능과 유럽에서 가장 많이 인증 받은 LabVIEW 아키텍처를 가지고 있었기 때문입니다. CIM은 이 프로젝트를 성공으로 이끌었고 제공한 서비스에 매우 만족합니다.
유연한 리얼타임 테스트 시스템 아키텍처
새로운 테스트 시스템은 이 같은 컴포넌트들에 대한 시뮬레이션 모델을 LabVIEW Real-Time 시스템에서 실행하여 시뮬레이션된 신호를 테스트 중인 시스템에 공급하여 실제 윈드 터빈 컴포넌트의 작동방식을 시뮬레이션합니다.
그림 2. Siemens Wind Power 테스트 시스템 아키텍처
호스트 컴퓨터는 컴포넌트를 판넬로 이동시켜 사용자가 쉽게 적응시킬 수 있는 직관적인 LabVIEW GUI를 가지고 있습니다. 또한 Windows OS 어플리케이션은 리얼타임 호환되지 않았던 두 개의 외부 계측기와 통신합니다.
그림 3. 호스트 컴퓨터는 직관적인 LabVIEW GUI를 가지고 있습니다.
호스트 컴퓨터의 소프트웨어는 PXI-1042Q 섀시에서 이더넷을 통해 LabVIEW Real-Time 타겟과 통신합니다. LabVIEW Real-Time은 일반적으로 병렬로 실행되는 20 ~ 25개의 시뮬레이션 DLL로 구성되어 있습니다. 이 솔루션은 NI LabVIEW Control Design and Simulation Module, The MathWorks, Inc. Simulink 소프트웨어 또는 ANSI C 코드와 같은 거의 대부분의 모델링 환경으로 구축된 사용자 모델을 호출할 수 있습니다. 시뮬레이션 루프의 일반적인 실행 속도는 24 ms로서 향후 확장 요구조건을 충족시킬 정도로 충분한 처리 용량을 남겨줍니다.
맞춤 윈드 터빈 프로토콜 및 센서 시뮬레이션을 위한 FPGA 보드
기존 표준들의 부족으로 인해 윈드 터빈에서 사용되는 맞춤 통신 프로토콜이 많이 없습니다. NI PXI-7833R FPGA 기반 다기능 RIO 모듈을 LabVIEW FPGA Module과 함께 사용하면 이 같은 프로토콜과 인터페이스하고 시뮬레이션이 가능합니다. 프로토콜 인터페이스뿐 아니라 이 디바이스를 이용하여 정확한 삼상 전압 및 전류 시뮬레이션을 위한 자성 센서를 시뮬레이션합니다. 기타 FPGA 보드는 NI 9151 R 시리즈 확장 섀시에 연결되어 시스템 채널 수를 더욱 증가시킵니다.
새로운 테스트 시스템의 장점
새로운 Siemens Wind Power 테스트 시스템은 이전 세대 솔루션에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 이 시스템의 모듈성으로 인해 개선, 적용 및 개발이 보다 쉬워집니다. 테스트 중인 시스템은 테스트 시스템 아키텍처에서 어떠한 변경 없이 빠른 교체가 가능합니다. 원격 컨트롤 기능과 시스템의 간단한 복제는 운영이 확장되면서 기타 사이트에 시스템을 복사하는 유연성을 제공합니다.
이 시뮬레이터는 연구실에서 새로운 소프트웨어 버전을 효율적으로 검증하고 특수 상황을 테스트하는 환경을 제공합니다. 또한 시뮬레이터는 작업하고 있는 새 기술과 개념들을 테스트하는 툴도 제공합니다.
향후 계획
모듈형 아키텍처를 통해 급격히 발전하는 풍력 에너지 기술의 증가하는 요구조건들을 충족하도록 시스템을 확장할 수 있습니다. 시뮬레이션을 여러 LabVIEW Real-Time 타겟으로 나누어 향후 테스트 요구조건을 충족시킬 수 있을 것이란 기대를 하고 있습니다. 또한 NI TestStand를 이용하여 테스트 실행을 더욱 더 자동화할 것입니다.
National Instruments provides a graphical system design platform for test, control, and embedded design applications that is transforming the way engineers and scientists design, prototype, and deploy systems.
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