Avanceret simulering i vindmølletestning: Interation af cyberfysiskesystemer og komplekse digitale tvillinger

Når R&D Test Systems leverer maskiner, der kan teste nye vindmøller, foregår det både fysisk og digitalt. I den digitaletest-verden er der mange digitale tvillinger – én for hver anvendelse.

Del artikel

Nye typer af vindmøller skal testes grundigt, inden de sættes i produktion. Men det bliver stadig dyrere og mere tidskrævende, fordi møllerne og de komponenter, de består af, bliver stadigt større og mere komplekse.

Det problem satser R&D Test Systems på at simulere sig ud af. Her er én digital tvilling ikke nok. Der skal mange til. I R&D Test Systems sidder 170+ ingeniører og bygger kolossale testbænke i stål og beton og bestykket med enorme motorer, der på få måneder vrider en mølleprototype gennem 20 års simuleret vind og vejr.

Den digitale dimension vokser

Testbænkene er imidlertid ikke kun rå kræfter og mange hundrede tons stål og beton. Deres digitale dimension vokser i omfang og kompleksitet, og Elif Ecem Bas er en af hovedpersonerne i det arbejde. Som ekspert i hybridtest og med en ph.d. i structural engineering i bagagen styrer hun de forskningsprojekter, virksomheden deltager i. Forskningen har fokus på at splejse den fysiske testbænk sammen med digitale modeller til det, der i fagsproget kaldes et cyberfysisk system. Formålet er at reducere den tid, en prototype ligger på pinebænken. Samtidig vil man øge præcisionen af de test, der foretages. Sidst, men ikke mindst, simulerer man ikke bare naceller og møllekomponenter, men også testbænkenselv for at forudsige slid og eventuelle skader på testbænken, før de indtræffer.

Ikke én model, men mange

"Når vi taler om en digital tvilling, så er det faktisk ikke én model, men mange," forklarer Elif Ecem Bas. "Vi kombinerer modellerne, alt efter hvilken applikation vi arbejder med." Der kommer forskellige digitale tvillinger i spil, alt efter hvilken use case man fokuserer på. F.eks. har Elif Ecem Bas og hendes team udviklet en tvilling til simulering af testsekvenser, så man på forhånd kan eliminere fejlbehæftede test. Her består tvillingen af dynamiske modeller af testbænken, inklusive de komponenter, den består af, og dertil en model af det emne, der testes, kaldet DUT (device under test). En anden type applikation er 3D-visualisering. Her kommer der ingen dynamiske modeller i spil. Man kan nøjes med en 3D CAD-model og derefter vælge sensorer og angive et dataflow igennem sensorerne.

Tvilling af selve testbænken

"Vi har desuden et særskilt digitalt framework for testbænken selv. Vi kan forudsige, hvordan forskellige testsekvenser påvirker bænken og dens komponenter. Den viden kan vi bruge til f.eks. at vælge, hvilke typer test vi gennemfører. Lad os sige, at vi i modellen kan se, at to forskellige slags test giver det samme testresultat, men den ene belaster bænken meget kraftigere end den anden. Så kan vi vælge den testsekvens, der skærer mindst muligt af bænkens levetid." Årsagen til, at R&D Test Systems er så langt fremme med digitalisering og simulering af vindmølletest, er ifølge Elif Ecem Bas, at man udvikler og bygger testbænke helt fra bunden. Alt er designet inhouse, inklusive fundamenter, armering, motorer, styringer plus alt det øvrige, der udgør en testbænk. De største af slagsen er 60 meter lange og bestykket med to 30 MW-lavhastigheds-motorer, der yder 45 mNm.

Digital tvilling ja tak. Den skal bare være hemmelig.

R&D Test Systems har en udfordring: Godt nok designer de test-systemerne. Men de udfører ikke de konkrete test. De har heller ikke noget at gøre med de drivtog og komponenter, der testes. Det er et problem: For at opnå det bedste resultat af simuleringerne for alle parter, er det nemlig nødvendigt at kombinere de forskellige modeller der er i spil, f.eks. modellen af testbænken og modellen af den nye vindmølle-type der testes. OEM’erne ønsker imidlertid ikke at dele modellen af et nyt produkt og dermed deres IP-rettigheder med andre.

Den udfordring løser man med det, der i fagsproget kaldes FMI-baseret co-simulation. FMI står for Functional Mockup Interface. Det er en fri standard, der definerer et interface til udvekslingen af simuleringsmodeller mellem forskellige aktører. FMI’en er en slags sort boks, der gør det muligt at angive input og output fra modellen, mens information om selve modellen forbliver hemmelig. Dermed kan man simulere synkroniserede systemer, i dette tilfælde en model af testbænken og en model af testemnet.

FMI’en gør det også muligt at samkøre modeller baseret på forskellige simuleringsmiljøer og forskellige typer software.

Alt spejles digitalt

Hver eneste fysiske stump af testbænken spejles i den digitale verden.

"Vi tager modellerne og føder real-life data ind i dem. Samtidig designer vi interfaces til de øvrige modeller, der indgår i vores digital tvilling-platform, f.eks. vindmølleproducenternes model af den komponent eller det drivtog, der testes. Dermed kobler vi modellerne, så vi får den præcision, vi har brug for. Her har vi en klar fordel, fordi vores egen andel af de koblede modeller er så detaljeret og stabil."

Elif Ecem Bas erkender, at digitale tvillinger er komplekse at arbejde med. Ikke mindst når der som i R&D Test Systems’ tilfælde nærmest er tale om et fodboldhold af tvillinger. Det gør det nødvendigt at være på højde med den nyeste viden på området. Derfor deltager R&D Test System i forskning på området:

Sammen med Institut for Elektro- og Computerteknologi og Institut for Byggeri og Bygningsdesign fra Aarhus Universitet gennemfører R&D Test Systems forskningsprojektet DIGIT-BENCH (Digital Twin for Large-Scale Test Benches for the Wind Industry), der har som mål at erstatte fysiske test med digitale. Man forventer at kunne reducere testtiden med 20%. Projektet finansieres af Det Energiteknologiske Udviklings- og Demonstrationsprogram (EUDP), som er en dansk offentlig tilskudsordning, der giver hjælp til udvikling og demonstration af nye energiteknologier.
Et tilsvarende projekt, BLATIGUE-2, udvikler i samarbejde med DTU Wind simulerings software til stresstest af vindmøllevinger.

Dog har Elif Ecem Bas hele tiden fokus på, at den forskning hun er involveret i kan omsættes til noget brugbart. Resultaterne skal være til gavn for brugerne af virksomhedens testbænke og dermed relevant i en forretningsmæssig sammenhæng. Det må ikke blive så kompliceret, at det ikke kan anvendes i kundernes hverdag. Den relevans sikres, bl.a. ved at man har det danske vindmølletestcenter LORC på det tidligere Lindøværft med i deltagerkredsen.

Gode råd fra ekspoerten

Elif Ecem Bas har et par gode råd til de virksomheder, der overvejer, om de også skal gå digital tvilling-vejen: Forsøg ikke at bygge én model, der rummer det hele. Det kan sagtens gå galt. Tænk modulært og fleksibelt i stedet. Vælg et område, der er vigtigt for din organisation, og som er overskueligt. Byg en model, der fungerer. Derfra kan du gå videre til den næste byggeklods og gradvist bygge en simulation, der bliver stadigt mere omfattende.

(Artiklen er oprindeligt publiceret i Ingeniøren)