西門子風力發電開發硬體迴路 (HIL) 模擬器，應用於執行風力發電機控制系統的軟體測試

"隨著風力發電技術迅速演進，相關的需求也與日俱增。拜 LabVIEW 提供的圖形化系統設計方式之賜，我們得以設計出可輕鬆隨需調整的模組化軟體，進而順利滿足這些需求。"

- Morten Pedersen, CIM Industrial Systems A/S

The Challenge:
更有效地針對西門子公司頻繁發佈的風力發電機控制系統軟體執行自動化測試，並針對開發階段的風力發電機控制系統元件執行測試及驗證。

The Solution:
使用 NI TestStand、LabVIEW Real-Time 與 LabVIEW FPGA Module 及 NI PXI 平台來建立全新即時測試系統，並針對西門子風力發電機控制系統的嵌入式控制軟體執行硬體迴路 (HIL) 測試。

Read the Full Case Study

Author(s):
Morten Pedersen - CIM Industrial Systems A/S

控制系統軟體測試

風力發電機系統是由幾個元件組成，包括將風力動能轉換為電能的轉子、齒輪、轉換器與變壓器。

圖 1. 風力發電機元件

控制系統會透過數百種 I/O 訊號及多種通訊協定，與這些元件介接。負責執行控制迴路的嵌入式控制軟體，是此控制系統最複雜的部分。

我們的軟體開發工程師會定期發佈控制器的最新版軟體。因此，我們必須針對這些軟體執行測試，以確認新版軟體能在實際的風力發電環境下穩定執行。所有最新發佈的軟體都必須先通過廠驗 (factory acceptance testing)，才會移至現場使用。開發出這套新的測試系統之後，我們終得以將此流程自動化。

鑑往知來 - 從舊系統學到的經驗

我們的前一套測試系統是以另一種軟體環境及 PCI 資料擷取卡為基礎開發而成，且開發時間距今已有 10 年之久。隨著新的測試時間及擴充能力需求不斷產生，此測試系統的架構及效能早已不敷使用。它不僅維護不易，其自動化功能也不足以有效率地執行測試作業。自動記錄測試結果與追蹤測試案例的能力也同樣付之闕如，因此無法提供我們需要的遠端控制能力。更糟的是，傳統的 HIL 測試環境尚未支援多核心處理技術，致使我們無法利用最新多核心處理器的強大運算能力。

對未來系統的擘畫

在評估各種可行的技術選項之後，我們決定使用 LabVIEW 軟體與 PXI 架構的 Real-Time 現場可重設閘陣列 (FPGA) 硬體，來開發我們的新一代測試解決方案。我們相信，這項技術帶給我們的彈性與擴充能力，將足以因應未來可能出現的一切技術需求。此外，NI 產品向來以卓越的品質以及良好的服務享譽業界，因此我們對這套解決方案深具信心。

由於我們內部自行開發測試系統的能力尚未臻於成熟，因而決定將開發作業發包給位於丹麥的 CIM Industrial Systems A/S 公司。 CIM Industrial Systems A/S 不但擁有現成可用的測試工程能力，旗下的 LabVIEW 認證架構工程師人數也在歐洲位居第一，而這也是我們選擇這家公司的原因。最後，CIM 順利完成了這項專案，而我們也對他們的服務成果感到無比滿意。

靈活的即時測試系統架構

新的測試系統會在 LabVIEW Real-Time 系統中執行實際風力發電機元件的模擬模型，並傳送模擬訊號至待測系統，以此模擬這些元件的行為模式。

圖 2. 西門子 (Siemens) 公司的風力發電機測試系統架構

主機電腦提供一用即上手的 LabVIEW 圖形化使用者介面 (GUI)，能讓使用者輕鬆將元件移至面板中。 Windows OS 應用程式也能與兩部非即時型外接儀器進行通訊。

圖 3. 主機電腦提供一用即上手的 LabVIEW 圖形化使用者介面 (GUI)。

主機電腦上的軟體能夠透過乙太網路，與 PXI-1042Q 機箱中的 LabVIEW Real-Time 系統進行通訊。 LabVIEW Real-Time 執行的模擬軟體通常包含 20 到 25 個平行執行的模擬 DLL。此解決方案能夠呼叫在絕大多數的模型製作環境中建構的使用者模型，例如 NI LabVIEW 控制設計與模擬 (CDS) 模組、The MathWorks, Inc. Simulink^® 軟體或 ANSI C 程式碼。我們的模擬迴路執行速率通常是 24 毫秒。如此強大的處理能力，因應未來的擴充需求可說是綽綽有餘。

客制化風力發電機通訊協定及感測器模擬專用的 FPGA 機板

由於現行標準尚未確立，因此市面上充斥著大量風力發電機專用的客制化通訊協定。幸好，只要將 NI PXI-R 系列 FPGA 架構的多功能 RIO 模組與 LabVIEW FPGA Module 搭配使用，就可以迅速介接並模擬這些通訊協定。除了通訊協定介接以外，我們也使用此裝置模擬磁性感測器，並執行高度精確的三相電壓及電流模擬。將另一塊 FPGA 機板連接至 R 系統擴充機箱上，則可進一步增加系統通道數。我們設計的軟體不論是要在 FPGA 上執行，或是要用來進行即時控制，都可以在同一個圖形化開發環境中完成設計，而這也對我們的生產力提升極有助益。

新測試系統的優勢

我們的新一代風力發電測試系統能有如此長足的進步，NI 技術絕對功不可沒。 LabVIEW 的開放式開發環境不但能讓我們匯入第三方的模擬模型，還能與 NI Real-Time 及 FPGA 架構的硬體緊密整合，讓我們能夠從構思階段迅速邁入功能原型的建構階段。 LabVIEW 自動運用最新多核心處理器的能力，讓我們得以將系統效能最佳化；而如此強大的處理能力，因應未來的擴充需求可說是綽綽有餘。最棒的是，我們還可以利用可高度客制化的前端面板，輕鬆設計出讓終端使用者一用即上手的圖形化使用者介面。

西門子公司新一代的風力發電測試系統較前幾代系統更趨於模組化，因而能夠輕鬆滿足未來的一切升級、改良與開發需求。此測試系統的架構不需任何變更，即可迅速置換待測系統。此系統易於複製並提供遠端控制功能，能讓我們在作業需求持續增加的同時，享有將此系統複製到其他場址的彈性。最棒的是，有了模擬環境，即可在實驗室內有效檢驗新的軟體版本，並測試特殊情境。它同時也是一項有效的測試工具，有助我們針對正在醞釀的構想與正著手開發的最新技術進行測試。

未來計畫

隨著風力發電技術迅速演進，相關的需求也與日俱增。拜 LabVIEW 提供的圖形化系統設計方式之賜，我們得以設計出可輕鬆隨需調整的模組化軟體，進而順利滿足這些需求。未來，我們打算將此模擬技術引進多部 LabVIEW Real-Time 系統中，以因應各種新的測試需求。值此同時，我們也正在使用 NI TestStand，讓測試流程更趨於自動化。

觀賞影片，以進一步了解本使用者解決方案中所討論的應用實例：