圖1: 太陽(yáng)能熔爐組件架構(gòu)圖
"憑借CompactRIO，Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System內(nèi)在的堅(jiān)固性、準(zhǔn)確性、擴(kuò)展能力以及平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)集成，我們能在項(xiàng)目時(shí)間限制范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)出一個(gè)可靠的、分布式應(yīng)用程序。"
- Roberto G. Galàn, Centro de Investigación en Matemáticas A.C.
挑戰(zhàn):
開(kāi)發(fā)能夠操控高輻射通量太陽(yáng)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(shè)計(jì)軟件、LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA和LabVIEW視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，以及NI CompactRIO、Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)高輻射通量太陽(yáng)能熔爐的控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
作者:
Dr. Norberto Flores - Centro de Investigación en Matemáticas A.C.
Roberto G. Galàn - Centro de Investigación en Matemáticas A.C.
簡(jiǎn)介
由于地處陽(yáng)光地帶，墨西哥是利用太陽(yáng)能技術(shù)的理想之地。該地區(qū)年平均日曬超過(guò)5.5kWh/m2。高質(zhì)量的太陽(yáng)能資源使得該地區(qū)成為實(shí)施集中太陽(yáng)能技術(shù)（CST）的理想選擇，CST技術(shù)可用于發(fā)電或是生產(chǎn)太陽(yáng)能氫燃料。
為了促進(jìn)CST在墨西哥的發(fā)展，CIE能源研究中心建造了一個(gè)高輻射通量太陽(yáng)能熔爐（HRFSF）。HRFSF使得在基礎(chǔ)應(yīng)用研究以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的發(fā)展中利用太陽(yáng)輻射成為可能。HRFSF的主要目的是開(kāi)發(fā)用于中央塔發(fā)電廠的熱電太陽(yáng)能塔組件。另一個(gè)目的則是處理和制造先進(jìn)的材料，并且讓它們體現(xiàn)暴露在陽(yáng)光下的熱物理，機(jī)械和光學(xué)的材料特征。
我們需要一個(gè)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(xué)研究中心）的工業(yè)數(shù)學(xué)系與CIE的工作人員合作，共同執(zhí)行開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的任務(wù)。
高輻射通量太陽(yáng)能熔爐（HRFSF）組件
高輻射通量太陽(yáng)能熔爐（HRFSF）主要由以下三個(gè)組件組成：一個(gè)聚光鏡，一個(gè)定日鏡和快門（見(jiàn)圖1）。聚光鏡是該系統(tǒng)的核心，其功能是將太陽(yáng)輻射集中至很高的水平，從而在聚焦區(qū)域達(dá)到高溫（可達(dá)3000°K）。 該聚光鏡被放置在一個(gè)太陽(yáng)熔爐內(nèi)，且不發(fā)生移動(dòng)；所有追蹤太陽(yáng)所需的移動(dòng)都需定日鏡來(lái)執(zhí)行。 這樣做是為了獲得一個(gè)靜態(tài)的聚焦區(qū)域，它為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)更容易控制的環(huán)境。 熔爐的性能取決于定日鏡準(zhǔn)確追蹤太陽(yáng)的能力。 快門在不同的角度部分打開(kāi)和關(guān)閉，控制允許進(jìn)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(gè)409六角形第一表面拋光的玻璃鏡組成的光學(xué)聚光鏡。
除了上述組件，還有一個(gè)移動(dòng)的平臺(tái)，可在聚焦地區(qū)的不同點(diǎn)精確定位實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還要用于監(jiān)測(cè)不同的實(shí)驗(yàn)變量，如溫度、壓力流量、太陽(yáng)輻射和集中的輻射通量分布。 冷卻系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)也是必須的。此外，氣象監(jiān)測(cè)站集成在系統(tǒng)中，除了定日鏡、冷卻系統(tǒng)和一些太陽(yáng)輻射和風(fēng)速傳感器，其它所有熔爐組件都位于整個(gè)熔爐結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
開(kāi)發(fā)平臺(tái)
我們?yōu)榭刂坪蛿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇了NI平臺(tái)，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)一個(gè)直觀、靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)所有控制、數(shù)據(jù)采集和視覺(jué)功能。
憑借CompactRIO，Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System內(nèi)在的堅(jiān)固性、準(zhǔn)確性、擴(kuò)展能力以及平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)集成，我們能在項(xiàng)目時(shí)間限制范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)出一個(gè)可靠的、分布式應(yīng)用程序。
控制系統(tǒng)內(nèi)有1臺(tái)PXI電腦，4個(gè)NI cRIO-9074集成系統(tǒng)控制器，1個(gè)帶有cFP-BP8背板的cFP-2120控制器，以及一個(gè)與以太網(wǎng)相連的CVS-1450。熔爐構(gòu)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(gè)NI 9505伺服模塊控制這兩個(gè)定日鏡電機(jī)。其中一個(gè)用于方位移動(dòng)，一個(gè)用于高度移動(dòng)。使用太陽(yáng)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(jì)算出太陽(yáng)能矢量。 通過(guò)了解太陽(yáng)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(jìn)行反饋控制，與定日鏡齒輪箱相結(jié)合，以此控制定日鏡的位置。 我們使用限位開(kāi)關(guān)和NI 9421源極數(shù)字輸出模塊來(lái)探測(cè)定日鏡的安全位置。我們也手動(dòng)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(jī)對(duì)聚焦區(qū)域進(jìn)行拍照，以獲得視覺(jué)反饋。這也就決定了太陽(yáng)黑子的確切位置并且可以對(duì)定日鏡的位置做出輕微的調(diào)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(guò)控制快門電機(jī)來(lái)控制開(kāi)放區(qū)域。 電機(jī)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(lái)讀取限位開(kāi)關(guān)，它能確定快門的起始位置。在聚焦區(qū)域定位平臺(tái)有一個(gè)類似的系統(tǒng)設(shè)置。然而，此系統(tǒng)有三個(gè)控制著運(yùn)動(dòng)軸的三個(gè)電機(jī)，這樣我們就可以精確定位平臺(tái)位置。
我們的冷卻系統(tǒng)將水運(yùn)送到定位平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)裝置。 該系統(tǒng)也由另一個(gè)cRIO-9074控制器控制。CompactRIO程序啟動(dòng)水泵，監(jiān)測(cè)儲(chǔ)水箱的液面位置，并通過(guò)一個(gè)NI 9265模擬輸出模塊控制比例閥來(lái)調(diào)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(gòu)造之外，我們使用兩個(gè)NI WAP-9071無(wú)線網(wǎng)橋與CompactRIO控制器進(jìn)行通訊。一個(gè)位于冷卻系統(tǒng)控制箱內(nèi)部，一個(gè)位于熔爐構(gòu)造內(nèi)部。
我們通過(guò)集成化Web服務(wù)器與氣象臺(tái)進(jìn)行通訊。我們監(jiān)測(cè)多個(gè)環(huán)境變量，但最為關(guān)注的是直接輻射和風(fēng)速。 前者可以指示在熔爐內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的最佳時(shí)機(jī)，如果定日鏡不在一個(gè)安全的位置，可能會(huì)被過(guò)高的風(fēng)速損壞，因此后者也非常重要。
我們使用網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)是共享變量引擎的主機(jī)。 我們使用共享變量開(kāi)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(jié)論
THRFSF目前已進(jìn)行了多個(gè)實(shí)驗(yàn)且運(yùn)行正常。 我們明年將在熔爐上添加更多的設(shè)備。HRFSF是一個(gè)研究工具，我們希望使用來(lái)自太陽(yáng)的清潔、可再生能源開(kāi)發(fā)出用于生產(chǎn)電力的新材料和新技術(shù)。
由于HRFSF用于各種實(shí)驗(yàn)，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須靈活。我們?cè)贑ompact 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(hào)范圍。我們可以通過(guò)中央控制系統(tǒng)調(diào)整輸入模塊配置，以適應(yīng)任何實(shí)驗(yàn)的特定需求。