Design of a simulation platform for software-in-the-loop testing of smart actuators

The Smart Grid is an electrical power grid that uses new technologies and tools in the field of communications, control and automation, to become more efficient, reliable, secure and greener. Realizing a smart grid, requires a new generation of smart devices, both in the consumer’s homes and as a part of the grid itself. Such devices for Medium Voltage grid application are being designed and manufactured in the ABB factory and Technology Center in Dalmine, Italy, which is the place where this thesis was completed. In the introductory chapters of the thesis, a brief summary is presented of the Model-Based Design (MBD) method and its applicability in the design of complex products and systems, as well as the benefits of implementing software-in-the-loop (SIL) testing. This is followed by a description of the Apparatus Control Unit (ACU), an electronic device embedded in several smart products, that enables their basic functionalities while also providing advanced features such as: communication, monitoring and data acquisition. Details regarding its basic hardware and software architecture are provided, focusing on the unique way the ACU’s software is divided into high-level programmable logic of the configuration and basic firmware functions. The core work of the thesis starts with a comparison between the Simulink Test tool and a standard Simulink model, as two different methods for designing a SIL testing platform. Once the better testing method has been chosen, 14 SIL test cases have been implemented, to test the various functionalities of an advanced circuit breaker. Another focus of the thesis has been to improve the quality of the simulation, by creating an accurate representation of the behavior of the breaker’s actuator system. This included modeling the motor movement during an operation and the encoder outputs. The relevance of the improved simulator wa verified by comparing test results with an actual physical test of the product in the laboratory. Finally, the simulator was used to aid in the detection of a potential shortcoming in a subsystem of a prototype configuration. It also confirmed that a new addition in the high level logic solves this issue, thus showing that a software testing platform is just as important in the design phase of a product as it is in its verification.

La Smart Grid è una griglia elettronica di potenza che utilizza nuove tecnologie e strumenti nel campo delle comunicazioni, dei controlli e dell’automazione, per diventare più efficiente, affidabile, sicura ed ecologica. Realizzare una smart grid richiede una nuova generazione di apparecchi intelligenti sia nelle case dei consumatori sia come parte della griglia stessa. Questi dispositivi per l’applicazione alle griglie di media tensione stanno venendo progettate e prodotte nel centro di produzione e tecnologia di ABB a Dalmine, Italia che è il luogo dove questa tesi è stata completata. Nei capitoli introduttivi della tesi, un breve riassunto spiega il metodo Model-Based Design (MBD) e la sua applicabilità nel progettare prodotti complessi e sistemi, così come i benefici di implementare un test del tipo software-in-the-loop (SIL testing). Successivamente vi è presente una descrizione dell’unità di controllo dell’apparato (ACU), uno strumento elettronico incorporato in moltissimi prodotti intelligenti nei quali svolge le funzionalità di base mentre provvedendo, inoltre, a caratteristiche avanzate come: comunicazione, monitoraggio e acquisizione dati. Sono forniti dei dettagli riguardanti l’architettura base dell’hardware e del software di questo dispositivo, concentrandosi soprattutto sul particolare modo in cui il software dell’ACU è diviso in una logica programmabile di alto livello della configurazione e in delle funzioni di base del firmware. Il blocco centrale della tesi inizia con un confronto tra il Simulink Test tool e un modello standard di Simulink come due diversi metodi per progettare una piattaforma per test SIL. Una volta che il metodo migliore per testare è stato scelto, sono stati implementati 14 casi di test SIL , per verificare le varie funzionalità di un interruttore avanzato. Un altro aspetto su cui si focalizza la tesi è di migliorare la qualità della simulazione creando un’accurata rappresentazione del comportamento del sistema dell’attuatore presente nell’interrutore. Questa include la modellazione del movimento del motore durante un’operazione e le uscite dell’encoder. L’importanza dell’avere una simulazione più precisa è dimostrata attraverso un confronto con un test reale del prodotto svoltosi in laboratorio. Infine il simulatore è stato usato come supporto a rilevare possibili difetti in un sottosistema di una configurazione di prova. Ha, inoltre, mostrato come una nuova aggiunta nella logica di alto livello risolvesse il problema, mostrando quindi che una piattaforma per testare il software è tanto importante nella fase di progettazione di un prodotto quanto lo sia per la sua validazione.