使用NI CompactRIO利用革命性的空中風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為偏遠村莊供電

　　"幾乎無(wú)需學(xué)習，CompactRIO和NI LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境之間的無(wú)縫接口提供了交鑰匙的軟硬件解決方案。"– Matt Bennett, Windlift

　　The Challenge:

　　為偏遠村莊或是其他還沒(méi)有連通電網(wǎng)的地區提供便攜式的可再生能源。沒(méi)有連通電網(wǎng)的偏遠村莊必須依賴(lài)柴油或汽油發(fā)電機供電，這意味著(zhù)他們只有在能夠得到燃料時(shí)才能得到電能。

　　The Solution:

　　開(kāi)發(fā)使用帶有繩索的靈活機翼的12 kW便攜式空中風(fēng)力發(fā)電系統，用于替代傳統風(fēng)力渦輪中使用的葉片和塔結構。因為系統不使用塔結構，它不需要笨重的加固混凝土結構，因此可以將它固定在拖車(chē)上，并且在沒(méi)有電網(wǎng)的偏遠地區提供便攜式可再生能源。

　　Author(s):Matt Bennett - Windlift

　　Windlift建立于2006年用于為沖突后重建、賑災和第三世界發(fā)展開(kāi)發(fā)便攜式空中風(fēng)力能源（AWE）技術(shù)。這個(gè)技術(shù)能夠替代柴油發(fā)電機作為前方作戰單元的主要電能來(lái)源，因此可能為軍事行動(dòng)帶來(lái)潛在的好處。

　　我們公司有四個(gè)員工并且得到130萬(wàn)美元個(gè)人投資和政府撥款資助。公司已經(jīng)完成了兩個(gè)12 kW（額定）原型系統并正在進(jìn)行測試，并且完成了23 kW悍馬牽引系統的概念設計。Windlift目前正得到美國國防部合同的資助，為阿富汗沖突后重建開(kāi)發(fā)AWE技術(shù)。與其他例如太陽(yáng)能等可再生能源解決方案相比，Windlift的AWE技術(shù)提供了更高的能源密度。

　　系統運作

　　AWE技術(shù)使用靈活的機翼捕獲風(fēng)中的能量。機翼通過(guò)繩索連接到基站上，繩索繞在一個(gè)滾筒上。固定在拖車(chē)上的系統作為長(cháng)沖程往復式發(fā)動(dòng)機工作。在循環(huán)的發(fā)電階段中，機翼主動(dòng)轉向側風(fēng)方向沿著(zhù)基站的順風(fēng)方向以側風(fēng)方式飛行，從而將繩索中的張力最大化。隨著(zhù)機翼離開(kāi)地面站，繩索帶動(dòng)滾筒旋轉來(lái)驅動(dòng)發(fā)動(dòng)機/發(fā)電機。發(fā)電機的電能傳送到同樣連接到拖車(chē)上的電池庫中。當達到繩索的最大長(cháng)度后，機翼失去能量（轉向風(fēng)的切向的方向以便將繩索張力降至最?。┎⒈皇栈?。每個(gè)循環(huán)中的凈能量增長(cháng)是在向外沖程中產(chǎn)生的能量減去在回復沖程中消耗的能量。

　　我們通過(guò)使用交流電機/發(fā)電機控制系統，兩個(gè)伺服電機驅動(dòng)機翼轉向，兩個(gè)步進(jìn)電機操作平衡，從而能夠整齊地將繩索繞在滾筒上。所有這些設備通過(guò)控制器區域網(wǎng)絡(luò )（CAN）總線(xiàn)接口與NI CompactRIO嵌入式系統進(jìn)行交互。此外，我們使用兩個(gè)模擬操縱器和多個(gè)數字I/O與系統進(jìn)行交互。目前，AWE系統是人工操作的，但是在未來(lái)的設計中將會(huì )自動(dòng)化。

　　除了用戶(hù)控制和執行器，CompactRIO還與傳感器進(jìn)行交互，用于監視機翼關(guān)于基站的水平和垂直角度、繩索張力、滾筒上剩余的繩索量、輸入電池庫的能量流和充電狀態(tài)。所有來(lái)自這些傳感器的數據被用于控制循環(huán)操作，并讓它產(chǎn)生的電能和發(fā)電穩定性達到最高。

　　使用CompactRIO從原型系統到實(shí)際生產(chǎn)

　　我們在這個(gè)項目中選擇CompactRIO平臺出于幾個(gè)原因。首先，幾乎無(wú)需學(xué)習，CompactRIO和NI LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境之間的無(wú)縫接口提供了交鑰匙的軟硬件解決方案。其次，CompactRIO模塊的廣泛可用性意味著(zhù)所有不同的傳感器和協(xié)議可以集成在單一模塊化系統中（負載電池、溫度傳感器、現場(chǎng)總線(xiàn)、模擬、數字等等）。第三，整合的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）以及實(shí)時(shí)處理器體系結構的強大功能和靈活性提供了在單個(gè)組件中無(wú)法實(shí)現的功能。第四，同時(shí)也是最重要的是NI展示了使用相同硬件和軟件從原型開(kāi)發(fā)到實(shí)際生產(chǎn)的清晰的CompactRIO開(kāi)發(fā)途徑。我們還考慮了在這次開(kāi)發(fā)中使用dSPACE硬件，但是預期的硬件成本大大超過(guò)CompactRIO系統，同時(shí)從原型到實(shí)際產(chǎn)品的過(guò)渡也不是那么清晰。

　　CompactRIO系統的FPGA背板在我們的開(kāi)發(fā)中特別有用。FPGA以完全并行的方式高速（40 MHz時(shí)鐘周期）運行任務(wù)的能力讓我們能夠將時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)從實(shí)時(shí)處理器上轉移下來(lái)。特別適合FPGA的一個(gè)任務(wù)實(shí)例是監

視作為測量滾筒旋轉的增量編碼器的鄰近傳感器（在象限中配置）。運行在FPGA上的一個(gè)代碼段以高達每秒800脈沖的速度對每個(gè)傳感器進(jìn)行計數，并且將滾筒的增量位置向實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行通信。

　　在這次開(kāi)發(fā)中，我們使用獲得NI綠色工程獎的NI開(kāi)發(fā)者套件，其中包括NI DIAdem數據管理和分析軟件、LabVIEW實(shí)時(shí)、LabVIEW FPGA、LabVIEW NI SoftMotion、LabVIEW控制設計與仿真模塊以及LabVIEW PID與模糊邏輯工具包等等。這個(gè)項目中除了LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境之外，最為有用的工具是DIAdem數據分析軟件。我們使用CompactRIO的共享變量引擎特性，通過(guò)TCP/IP連接將數據傳輸到遠程筆記本電腦上進(jìn)行數據記錄。

　　在測試程序中產(chǎn)生的大量數據對于設計和開(kāi)發(fā)流程而言是至關(guān)重要的。每個(gè)數據文件記錄10分鐘操作時(shí)間，尺寸大約為4 MB，并且包含大約70個(gè)獨立通道。DIAdem對于處理和分析大量數據而言是十分有用的。另一個(gè)被證明十分有用的是使用工作中系統的視頻對數據進(jìn)行同步的功能。

　　我們目前在測試便攜式AWE系統原型的最后階段。CompactRIO嵌入式系統在整個(gè)開(kāi)發(fā)流程中是十分有用的，我們期望它會(huì )繼續成為系統中至關(guān)重要的一部分。這個(gè)方法中的一個(gè)重要方面是從目前手動(dòng)操作的系統向自動(dòng)化系統的過(guò)渡將會(huì )十分簡(jiǎn)單，只需要進(jìn)行軟件升級。這種可能性是因為手動(dòng)操作的系統是通過(guò)電線(xiàn)控制的，CompactRIO具有足夠的功能和性能在自動(dòng)化系統中取代用戶(hù)進(jìn)行操作。