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控製係統

LabVIEW開發高輻射通量太陽能熔爐的控製和數據采集係統

星之球激光 來源:佳工機電網2012-02-02 我要評論(0 )   

憑借CompactRIO,Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System內(nei) 在的堅固性、準確性、擴展能力以及平台的網絡集成,我們(men) 能在項目時間限製範圍內(nei) 開發出一個(ge) 可靠的、分...

"憑借CompactRIO,Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System內(nei) 在的堅固性、準確性、擴展能力以及平台的網絡集成,我們(men) 能在項目時間限製範圍內(nei) 開發出一個(ge) 可靠的、分布式應用程序。" – Roberto G. Galàn, Centro de Investigación en Matemáticas A.C.

The Challenge:

開發能夠操控高輻射通量太陽能熔爐所有子係統的分布式控製和數據采集係統。

The Solution:

使用NI LabVIEW圖形化係統設計軟件、LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA和LabVIEW視覺開發模塊,以及NI CompactRIO、Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System硬件平台開發高輻射通量太陽能熔爐的控製與(yu) 數據采集係統。

簡介

由於(yu) 地處陽光地帶,墨西哥是利用太陽能技術的理想之地。該地區年平均日曬超過5.5kWh/m2。 高質量的太陽能資源使得該地區成為(wei) 實施集中太陽能技術(CST)的理想選擇,CST技術可用於(yu) 發電或是生產(chan) 太陽能氫燃料。

為(wei) 了促進CST在墨西哥的發展,CIE能源研究中心建造了一個(ge) 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(ye) 生產(chan) 過程的發展中利用太陽輻射成為(wei) 可能。HRFSF的主要目的是開發用於(yu) 中央塔發電廠的熱電太陽能塔組件。另一個(ge) 目的則是處理和製造先進的材料,並且讓它們(men) 體(ti) 現暴露在陽光下的熱物理,機械和光學的材料特征。

我們(men) 需要一個(ge) 控製和數據采集係統,用於(yu) 操作HRFSF所有集成組件。 CIMAT(數學研究中心)的工業(ye) 數學係與(yu) CIE的工作人員合作,共同執行開發控製係統的任務。

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(ge) 組件組成: 一個(ge) 聚光鏡,一個(ge) 定日鏡和快門 (見圖1)。 聚光鏡是該係統的核心,其功能是將太陽輻射集中至很高的水平,從(cong) 而在聚焦區域達到高溫(可達3000°K)。 該聚光鏡被放置在一個(ge) 太陽熔爐內(nei) ,且不發生移動;所有追蹤太陽所需的移動都需定日鏡來執行。 這樣做是為(wei) 了獲得一個(ge) 靜態的聚焦區域,它為(wei) 進行實驗提供了一個(ge) 更容易控製的環境。 熔爐的性能取決(jue) 於(yu) 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(guan) 閉,控製允許進入係統的輻射量。值得一提的是,HRFSF包括占地麵積81平方米定日鏡,占地麵積42.2 平方米的快門,以及一個(ge) 409六角形第一表麵拋光的玻璃鏡組成的光學聚光鏡。

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圖1: 太陽能熔爐 組件架構圖

除了上述組件,還有一個(ge) 移動的平台,可在聚焦地區的不同點精確定位實驗。數據采集係統還要用於(yu) 監測不同的實驗變量,如溫度、壓力流量、太陽輻射和集中的輻射通量分布。 冷卻係統的實驗也是必須的。 此外,氣象監測站集成在係統中, 除了定日鏡、冷卻係統和一些太陽輻射和風速傳(chuan) 感器,其它所有熔爐組件都位於(yu) 整個(ge) 熔爐結構內(nei) 部。

開發平台

我們(men) 為(wei) 控製和數據采集係統選擇了NI平台,因為(wei) 它能夠通過一個(ge) 直觀、靈活的開發環境開發所有控製、數據采集和視覺功能。

憑借CompactRIO,Compact Fieldpoint和NI Compact Vision System內(nei) 在的堅固性、準確性、擴展能力以及平台的網絡集成,我們(men) 能在項目時間限製範圍內(nei) 開發出一個(ge) 可靠的、分布式應用程序。

控製係統內(nei) 有1台PXI電腦,4個(ge) NI cRIO-9074集成係統控製器,1個(ge) 帶有cFP-BP8背板的 cFP-2120控製器,以及一個(ge) 與(yu) 以太網相連的CVS-1450。 熔爐構架組件分布如圖2所示:
 

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圖2: 熔爐內(nei) 部子 係統分布

定日鏡由NI cRIO-9074集成係統控製器控製,它有兩(liang) 個(ge) NI 9505伺服模塊控製這兩(liang) 個(ge) 定日鏡電機。其中一個(ge) 用於(yu) 方位移動,一個(ge) 用於(yu) 高度移動。 使用太陽能跟蹤方程可以得出定日鏡的位置,它能夠根據定日鏡緯度和經度的位置計算出太陽能矢量。 通過了解太陽能矢量,我們(men) 可以精確判斷定日鏡的方位和高度角度。

我們(men) 使用2000 p/r 的編碼器進行反饋控製,與(yu) 定日鏡齒輪箱相結合,以此控製定日鏡的位置。 我們(men) 使用限位開關(guan) 和NI 9421源極數字輸出模塊來探測定日鏡的安全位置。 我們(men) 也手動操作自定義(yi) 定日鏡的角度。

定日鏡控製係統利用16位的IEEE 1394相機對聚焦區域進行拍照,以獲得視覺反饋。 這也就決(jue) 定了太陽黑子的確切位置並且可以對定日鏡的位置做出輕微的調整。使用NI CVS-1450可獲取並處理圖像。

我們(men) 使用cRIO - 9074控製器、NI 9505模塊和NI 9421模塊控製快門。 NI 9505模塊通過控製快門電機來控製開放區域。 電機連接在齒輪箱上,並從(cong) 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(guan) ,它能確定快門的起始位置。 在聚焦區域定位平台有一個(ge) 類似的係統設置。 然而,此係統有三個(ge) 控製著運動軸的三個(ge) 電機,這樣我們(men) 就可以精確定位平台位置。

我們(men) 的冷卻係統將水運送到定位平台上的實驗裝置。 該係統也由另一個(ge) cRIO-9074控製器控製。 CompactRIO程序啟動水泵,監測儲(chu) 水箱的液麵位置,並通過一個(ge) NI 9265模擬輸出模塊控製比例閥來調節水的流量。 我們(men) 也使用NI 9472和NI 9421模塊控製冷卻係統。 由於(yu) 泵和水箱位於(yu) 熔爐構造之外,我們(men) 使用兩(liang) 個(ge) NI WAP-9071無線網橋與(yu) CompactRIO控製器進行通訊。 一個(ge) 位於(yu) 冷卻係統控製箱內(nei) 部,一個(ge) 位於(yu) 熔爐構造內(nei) 部。

我們(men) 通過集成化Web服務器與(yu) 氣象台進行通訊。 我們(men) 監測多個(ge) 環境變量,但最為(wei) 關(guan) 注的是直接輻射和風速。 前者可以指示在熔爐內(nei) 進行實驗的最佳時機,如果定日鏡不在一個(ge) 安全的位置,可能會(hui) 被過高的風速損壞,因此後者也非常重要。

我們(men) 使用網絡上發布的共享變量,在子係統和中央控製係統之間交換數據。 中央計算機是共享變量引擎的主機。 我們(men) 使用共享變量開發快速和可靠的通信,而不影響係統的安全性和控製回路的速度。
 

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圖3: 不同熔爐子 係統的用戶控製界麵 截圖,包括 : a)定位平台用戶界 麵,B)快門用戶界 麵,C)氣象站用戶 界麵

結論

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

由於(yu) HRFSF用於(yu) 各種實驗,因此數據采集係統必須靈活。 我們(men) 在Compact FieldPoint家族產(chan) 品中選擇各種模擬輸入模塊,用於(yu) 覆蓋廣泛的輸入信號範圍。 我們(men) 可以通過中央控製係統調整輸入模塊配置,以適應任何實驗的特定需求。

所有的子係統在一個(ge) 單一接口的中央控製係統中進行操作。 圖3顯示了一些控製用戶界麵。

 

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