Siemens phát triển một phần cứng mô phỏng để kiểm tra phần mềm hệ thống điều khiển tuabin gió trong việc sản xuất điện gió 

“Cấu trúc kiểu mô đun cho phép chúng ta mở rộng quy mô hệ thống để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng của công nghệ điện gió”.
Kiểm tra phần mềm hệ thống điều khiển
Một hệ thống tuabin gió bao gồm một số thành phần như cánh quạt, bánh răng, bộ chuyển đổi, biến áp được sử dụng để chuyển năng lượng gió thành điện năng.

Hình 1: Các thành phần của tuabin gió

Hệ thống điều khiển giao tiếp với các linh kiện này thông qua hành trăm tín hiệu I/O và nhiều giao thức truyền thông khác nhau. Thành phần phức tạp nhất của hệ thống điều khiển là phần mềm điều khiển nhúng thực hiện các vòng kiểm soát.
Bởi vì các nhà phát triển phần mềm của chúng tôi thường xuyên đưa ra một phiên bản phần mềm mới cho bộ điều khiển, chúng tôi cần phải kiểm tra phần mềm để xác định những gì được đưa ra đáng tin cậy trong điều kiện gió công viên. Với mỗi phần mềm đưa ra, chúng tôi tiến hành thử nghiệm trong nhà máy trước khi nó có thể được sử dụng. Hệ thống kiểm tra mới cho chúng tôi khả năng tự động hóa quá trình này.
Những bài học từ các hệ thống trước
Hệ thống thử nghiệm trước đây của chúng tôi đã được phát triển cách đây 10 năm và dựa vào một môi trường phần mềm khác và các mạch thu thập dữ liệu PCI. Cấu trúc và hiệu suất của hệ thống không đáp ứng được các yêu cầu mới và khả năng mở rộng. Rất khó khăn để duy trì và không thể thực hiện tự động hóa để quá trình thử nghiệm đạt được hiệu quả cao. Nó cũng thiếu tài liệu kết quả kiểm tra tự động và tìm nguồn gốc trường hợp kiểm tra và không có khả năng điều khiển từ xa. Ngoài ra, môi trường thử nghiệm HIL cũ không hỗ trợ xử lý đa lõi, nên chúng tôi không thể xử dụng sức mạnh tính toán của các bộ vi xử lý đa lõi mới nhất.
Quyết định cho hệ thống tương lai
Sau khi đánh giá các công nghệ hiện có, chúng tôi chọn phần mềm LabVIEW và PXI và phần cứng FPGA để phát triển giải pháp thử nghiệm mới. Chúng tôi tin công nghệ này mang đến cho chúng tôi khả năng linh hoạt và khả năng mở rộng để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của chúng tôi trong tương lai. Ngoài ra, chúng tôi còn thiết lập bảo mật các giải pháp ở mức cao các sản phẩm từ NI.
Bởi vì chúng tôi không chuyên về các hệ thống thử nghiệm trong nhà, chúng tôi đã ký hợp đồng với CIM ở Đan Mạch. Chúng tôi chọn CIM vì họ có năng lực kỹ thuật sẵn có và số lượng lớn các cấu trúc LabVIEW ở Đan MẠch. CIM làm dự án này thành công và chúng tôi hài lòng với những gì đã nhận được
Một cấu trúc hệ thống thử nghiệm thời gian thực linh hoạt
Hệ thống thử nghiệm mới mô phỏng hoạt động thực các thành phần của tuabin gió bằng việc sử dụng các mô hình mô phỏng cho những linh kiện này trong hệ thống LabVIEW Real-time để cung cấp các tín hiệu mô phỏng tới hệ thống.

Hình 2. Cấu trúc hệ thống thử nghiệm năng lượng gió của Siemens

Các máy chủ có một giao diện LabVIEW giúp người dùng có thể dễ dàng thích nghi bằng cách di chuyển các thành phần trong bản điều khiển. Ứng dụng Windows OS cũng giao tiếp với hai thiết bị ngoài không tích hợp thời gian thực.
Các phần mềm trên máy chủ liên lạc với LabVIEW Real-Time trong một khung PXI-1042Q qua Ethernet. LabVIEW Real-Time chạy phần mềm mô phỏng thường có 20 đến 25 thư viện mô phỏng song song. Giải pháp này có thể gọi là những mô hình người dùng xây dựng với hầu như bất kỳ môi trường mô hình nào như NI LabVIEW Control Design and Simulation Module, phần mềm MathWorks, Inc. Simulink®, hoặc mã ANSI C. Tốc độ mặc định của vòng mô phỏng là 24 ms, có nhiều tính năng để đáp ứng các yêu cầu mở rộng trong tương lai.
Bo mạch FPGA cho các giao thức tùy biến và mô phỏng cảm biến
Có nhiều giao thức truyền thông được sử dụng cho tuabin gió do chưa có các tiêu chuẩn. Sử dụng một mô đun RIO đa chức năng EPGA NI PXI-7833R với mô đun LabVIEW FPGA , chúng tôi có thể giao tiếp và mô phỏng những giao thức này. Ngoài những giao thức truyền thông, chúng tôi đang sử dụng thiết bị để mô phỏng các cảm biến từ và để mô phỏng chính xác điện áp và dòng ba pha. Một bo mạch FPGA khác được nối với một khung mở rộng thuộc dòng NI 9151 R để mở rộng hơn nữa số kênh hệ thống.
Những lợi ích của hệ thống thử nghiệm mới
Hệ thống thử nghiệm năng lượng gió mới của Siemens mang đến nhiều lợi ích hơn các giải pháp trước. Bởi vì các mô đun của hệ thống rất dễ để nâng cấp,điều chỉnh và phát triển . Hệ thống thử nghiệm có thể được thay thế nhanh chóng mà không có bất kỳ sự thay đổi nào trong cấu trúc hệ thống. Khả năng điều khiển từ xa và nhân rộng đơn giản của hệ thống giúp chúng ta có thể áp dụng một cách linh hoạt cho các nhà máy khác khi mở rộng hoạt động.
Bộ mô phỏng này cung cấp một môi trường để xác định khả năng của phần mềm mới và thử nghiệm,thử nghiệm các tình huống đặc biệt trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Nó cũng mang đến cho chúng tôi công cụ để kiểm tra những công nghệ và nguyên lý mới chúng tôi đang thực hiện.
Những kế hoạch trong tương lai
Cấu trúc theo mô đun cho phép chúng ta mở rộng hệ thống để đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng nhanh của việc phát triển công nghệ năng lượng gió. Chúng tôi chia LabVIEW Real-Time thành nhiều mô đun để đáp ứng nhu cầu trong tương lai. Chúng tôi cũng sử dụng NI TestStand cho tự động hóa thử nghiệm trong tương lai.