はじめに| 船舶電力システムとモデルベースシステムエンジニアリング
船はマイクログリッドです。これは新しいアイデアではありません。今日ほどこの視点が的確だったことはありません。私たちは（航海中！）環境、経済、そして産業の要件が交差する地点に立っており、船上および陸上の何千ものコンポーネントの大幅な電化とデジタル化（統合されたコンピュータ制御と通信）が求められ、実際に義務付けられています。船は「相互接続された負荷と分散型エネルギーリソースであり…単一の制御可能なエンティティとして機能し…陸上電源（グリッド）に接続または切断できます」 – まさにIEEEによるマイクログリッドの定義です。この点を踏まえ、この記事の目的は、コントローラーハードウェアインザループ（CHIL）テクノロジーを使用したリアルタイムモデリングとシミュレーションのエンジニアリング要件を紹介することです。現代のマイクログリッドの設計、構築、運用を成功させるには、CHILが不可欠です。
モデルベースシステムエンジニアリング（MBSE）ソリューションは、船舶設計の標準です。コンピュータ支援設計・製造（CADCAM）機能なしで船舶を建造する人は誰もいません。しかし、ソフトウェアのみの設計スイートでは、正確なシミュレーションに必要なサブマイクロ秒単位の忠実度が不足しているため、複数のパワーエレクトロニクス部品（特にインバータや保護装置）を効果的にテストすることができません。さらに、現代の統合制御システムは、多数のコントローラ上で文字通り数十万行ものコードを実行しています。コントローラ機能をテストするための統合アプローチを提供するMBSEソリューションは存在しません。CHILは、専用のFPGAコンピューティングデバイスを組み込むことで、複数のコントローラをシステムとしてテストするために必要な速度と機能を実現し、高い忠実度を実現します。
HILソリューション| リスクを最小限に抑えながら高忠実度でテスト
ハードウェア・イン・ザ・ループ (HIL) は新しい技術ではありません。実際、図 1 に示すように、さまざまな「種類」があります。安全性が極めて重要な要件であることから、自動車業界と航空業界では 1990 年代からこの技術が使用されています。ここでは、コントローラー・ハードウェア・イン・ザ・ループ (CHIL) テストベッドが、車両に搭載された多数のコントローラーとモデル化されたコンポーネントで構成されます。実際のソフトウェアを実行するシステムは、燃焼エンジン、油圧ブレーキ、HVAC、および安全システムをモデル化する専用のコンピューティング デバイスとインターフェースされます。結果として得られる CHIL ツイン (デジタル ツインですが、コントローラーがループ内にあることを意味します) は、コンポーネントの故障を含むシナリオで徹底的にテストされます (すべてシミュレートされているため、人や機器に危害が及ぶリスクはなく、スクリプトまたはボタン プッシュで再現可能です)。実際、ISO 26262 などの安全規格は、この形式のテストに適しています。
HILソリューションには、設計プロセスの初期段階をサポートするために、オールバーチャル（VHIL）機能が必要です。しかし、モデル化されたコントローラは、最終的なテスト、検証、確認、コミッショニングを行うには精度が足りません。コントローラをモデル化すると、オペレータ（構成プログラミングなど）、ロジック、通信エラーが見落とされがちです。実際のソフトウェアを実行する実際のコントローラを、他の関連コントローラと共にループ内で動作させることが、最も効果的なテスト方法です。Power Hardware in the Loop（PHIL）機能も、特にコンポーネントOEMにとって重要です。インバータなどのフルパワーテストに代わるものはありませんが、これが完了し、そのデバイスのモデルが検証されたら、システムインテグレータは、図2や図3に示すようなサブシステムとシステムテストに重点を置いたCHILテストベッドを最大限に活用できます。
代替アプローチはありますが、高度な配電網と全負荷を備えた船全体の統合電力システムをテストベンチとして構築するのは法外な費用がかかり、船のライフサイクル全体にわたって継続的な更新、修理、交換が必要になります。それよりも、開発・設計段階でCHILテストベッドを構築し、就航支援に活用した後、同クラスの全船の特性を反映するように時間の経過とともに更新していく方が、コストと労力を大幅に削減できます。その可能性として、CHILツインを船上に搭載し、自律運航とレジリエンスを強化することが挙げられます。これは業界にとって非常にエキサイティングな時代です。
クレジット
テキスト| マット・ベイカー
ビジュアル| マット・ベイカー、セルジオ・コスタ、カール・ミッケイ
編集者|デボラ・サント、セルジオ・コスタ
