基于NI CompactRIO的太陽能熔爐智能化控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖1: 太陽能熔爐組件架構圖

"憑借CompactRIO，Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System內在的堅固性、準確性、擴展能力以及平臺的網(wǎng)絡集成，我們能在項目時間限制范圍內開發(fā)出一個可靠的、分布式應用程序。"

- Roberto G. Galàn, Centro de InveSTigación en Matemáticas A.C.

挑戰(zhàn):

開發(fā)能夠操控高輻射通量太陽能熔爐所有子系統(tǒng)的分布式控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

解決方案:

使用NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設計軟件、LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA和LabVIEW視覺開發(fā)模塊，以及NI CompactRIO、Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System硬件平臺開發(fā)高輻射通量太陽能熔爐的控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

簡介

由于地處陽光地帶，墨西哥是利用太陽能技術的理想之地。該地區(qū)年平均日曬超過5.5kWh/m2。高質量的太陽能資源使得該地區(qū)成為實施集中太陽能技術(CST)的理想選擇，CST技術可用于發(fā)電或是生產(chǎn)太陽能氫燃料。

為了促進CST在墨西哥的發(fā)展，CIE能源研究中心建造了一個高輻射通量太陽能熔爐(HRFSF)。HRFSF使得在基礎應用研究以及工業(yè)生產(chǎn)過程的發(fā)展中利用太陽輻射成為可能。HRFSF的主要目的是開發(fā)用于中央塔發(fā)電廠的熱電太陽能塔組件。另一個目的則是處理和制造先進的材料，并且讓它們體現(xiàn)暴露在陽光下的熱物理，機械和光學的材料特征。

我們需要一個控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于操作HRFSF所有集成組件。 CIMAT(數(shù)學研究中心)的工業(yè)數(shù)學系與CIE的工作人員合作，共同執(zhí)行開發(fā)控制系統(tǒng)的任務。

高輻射通量太陽能熔爐(HRFSF)組件

高輻射通量太陽能熔爐(HRFSF)主要由以下三個組件組成：一個聚光鏡，一個定日鏡和快門(見圖1)。聚光鏡是該系統(tǒng)的核心，其功能是將太陽輻射集中至很高的水平，從而在聚焦區(qū)域達到高溫(可達3000°K)。 該聚光鏡被放置在一個太陽熔爐內，且不發(fā)生移動;所有追蹤太陽所需的移動都需定日鏡來執(zhí)行。 這樣做是為了獲得一個靜態(tài)的聚焦區(qū)域，它為進行實驗提供了一個更容易控制的環(huán)境。 熔爐的性能取決于定日鏡準確追蹤太陽的能力。 快門在不同的角度部分打開和關閉，控制允許進入系統(tǒng)的輻射量。值得一提的是，HRFSF包括占地面積81平方米定日鏡，占地面積42.2平方米的快門，以及一個409六角形第一表面拋光的玻璃鏡組成的光學聚光鏡。

除了上述組件，還有一個移動的平臺，可在聚焦地區(qū)的不同點精確定位實驗。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還要用于監(jiān)測不同的實驗變量，如溫度、壓力流量、太陽輻射和集中的輻射通量分布。 冷卻系統(tǒng)的實驗也是必須的。此外，氣象監(jiān)測站集成在系統(tǒng)中，除了定日鏡、冷卻系統(tǒng)和一些太陽輻射和風速傳感器，其它所有熔爐組件都位于整個熔爐結構內部。

開發(fā)平臺

我們?yōu)榭刂坪蛿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇了NI平臺，因為它能夠通過一個直觀、靈活的開發(fā)環(huán)境開發(fā)所有控制、數(shù)據(jù)采集和視覺功能。

憑借CompactRIO，Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System內在的堅固性、準確性、擴展能力以及平臺的網(wǎng)絡集成，我們能在項目時間限制范圍內開發(fā)出一個可靠的、分布式應用程序。

控制系統(tǒng)內有1臺PXI電腦，4個NI cRIO-9074集成系統(tǒng)控制器，1個帶有cFP-BP8背板的cFP-2120控制器，以及一個與以太網(wǎng)相連的CVS-1450。熔爐構架組件分布如圖2所示：

定日鏡由NI cRIO-9074集成系統(tǒng)控制器控制，它有兩個NI 9505伺服模塊控制這兩個定日鏡電機。其中一個用于方位移動，一個用于高度移動。使用太陽能跟蹤方程可以得出定日鏡的位置，它能夠根據(jù)定日鏡緯度和經(jīng)度的位置計算出太陽能矢量。 通過了解太陽能矢量，我們可以精確判斷定日鏡的方位和高度角度。

我們使用2000 p/r 的編碼器進行反饋控制，與定日鏡齒輪箱相結合，以此控制定日鏡的位置。 我們使用限位開關和NI 9421源極數(shù)字輸出模塊來探測定日鏡的安全位置。我們也手動操作自定義定日鏡的角度。

定日鏡控制系統(tǒng)利用16位的IEEE 1394相機對聚焦區(qū)域進行拍照，以獲得視覺反饋。這也就決定了太陽黑子的確切位置并且可以對定日鏡的位置做出輕微的調整。使用NI CVS-1450可獲取并處理圖像。

我們使用cRIO - 9074控制器、NI 9505模塊和NI 9421模塊控制快門。 NI 9505模塊通過控制快門電機來控制開放區(qū)域。 電機連接在齒輪箱上，并從2,000 p/r的解碼器上獲得反饋。NI 9421模塊用來讀取限位開關，它能確定快門的起始位置。在聚焦區(qū)域定位平臺有一個類似的系統(tǒng)設置。然而，此系統(tǒng)有三個控制著運動軸的三個電機，這樣我們就可以精確定位平臺位置。

我們的冷卻系統(tǒng)將水運送到定位平臺上的實驗裝置。 該系統(tǒng)也由另一個cRIO-9074控制器控制。CompactRIO程序啟動水泵，監(jiān)測儲水箱的液面位置，并通過一個NI 9265模擬輸出模塊控制比例閥來調節(jié)水的流量。 我們也使用NI 9472和NI 9421模塊控制冷卻系統(tǒng)。由于泵和水箱位于熔爐構造之外，我們使用兩個NI WAP-9071無線網(wǎng)橋與CompactRIO控制器進行通訊。一個位于冷卻系統(tǒng)控制箱內部，一個位于熔爐構造內部。

我們通過集成化Web服務器與氣象臺進行通訊。我們監(jiān)測多個環(huán)境變量，但最為關注的是直接輻射和風速。 前者可以指示在熔爐內進行實驗的最佳時機，如果定日鏡不在一個安全的位置，可能會被過高的風速損壞，因此后者也非常重要。

我們使用網(wǎng)絡上發(fā)布的共享變量，在子系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。 中央計算機是共享變量引擎的主機。 我們使用共享變量開發(fā)快速和可靠的通信，而不影響系統(tǒng)的安全性和控制回路的速度。

結論

THRFSF目前已進行了多個實驗且運行正常。 我們明年將在熔爐上添加更多的設備。HRFSF是一個研究工具，我們希望使用來自太陽的清潔、可再生能源開發(fā)出用于生產(chǎn)電力的新材料和新技術。

由于HRFSF用于各種實驗，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須靈活。我們在Compact FieldPoint家族產(chǎn)品中選擇各種模擬輸入模塊，用于覆蓋廣泛的輸入信號范圍。我們可以通過中央控制系統(tǒng)調整輸入模塊配置，以適應任何實驗的特定需求。