基于NI CompactRIO的太陽(yáng)能熔爐智能化控制和數據采集系統

　　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使得在基礎應用研究以及工業(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(chǎng)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，并且讓它們體現暴露在陽(yáng)光下的熱物理，機械和光學(xué)的材料特征。

　　我們需要一個(gè)控制和數據采集系統，用于操作HRFSF所有集成組件。 CIMAT(數學(xué)研究中心)的工業(yè)數學(xué)系與CIE的工作人員合作，共同執行開(kāi)發(fā)控制系統的任務(wù)?！　?/p>

　　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(mén) (見(jiàn)圖1)。 聚光鏡是該系統的核心，其功能是將太陽(yáng)輻射集中至很高的水平，從而在聚焦區域達到高溫(可達3000°K)。 該聚光鏡被放置在一個(gè)太陽(yáng)熔爐內，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)執行。 這樣做是為了獲得一個(gè)靜態(tài)的聚焦區域，它為進(jìn)行實(shí)驗提供了一個(gè)更容易控制的環(huán)境。 熔爐的性能取決于定日鏡準確追蹤太陽(yáng)的能力。 快門(mén)在不同的角度部分打開(kāi)和關(guān)閉，控制允許進(jìn)入系統的輻射量。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(mén)，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，可在聚焦地區的不同點(diǎn)精確定位實(shí)驗。數據采集系統還要用于監測不同的實(shí)驗變量，如溫度、壓力流量、太陽(yáng)輻射和集中的輻射通量分布。 冷卻系統的實(shí)驗也是必須的。 此外，氣象監測站集成在系統中， 除了定日鏡、冷卻系統和一些太陽(yáng)輻射和風(fēng)速傳感器，其它所有熔爐組件都位于整個(gè)熔爐結構內部。

　　開(kāi)發(fā)平臺

　　我們?yōu)榭刂坪蛿祿杉到y選擇了NI平臺，因為它能夠通過(guò)一個(gè)直觀(guān)、靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)所有控制、數據采集和視覺(jué)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(luò )集成，我們能在項目時(shí)間限制范圍內開(kāi)發(fā)出一個(gè)可靠的、分布式應用程序。

　　控制系統內有1臺PXI電腦，4個(gè)NI cRIO-9074集成系統控制器，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。 熔爐構架組件分布如圖2所示：

　　定日鏡由NI cRIO-9074集成系統控制器控制，它有兩個(gè) NI 9505伺服模塊控制這兩個(gè)定日鏡電機。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，它能夠根據定日鏡緯度和經(jīng)度的位置計算出太陽(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源極數字輸出模塊來(lái)探測定日鏡的安全位置。 我們也手動(dòng)操作自定義定日鏡的角度。

　　定日鏡控制系統利用16位的IEEE 1394相機對聚焦區域進(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(mén)。 NI 9505模塊通過(guò)控制快門(mén)電機來(lái)控制開(kāi)放區域。 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(lái)讀取限位開(kāi)關(guān)，它能確定快門(mén)的起始位置。 在聚焦區域定位平臺有一個(gè)類(lèi)似的系統設置。 然而，此系統有三個(gè)控制著(zhù)運動(dòng)軸的三個(gè)電機，這樣我們就可以精確定位平臺位置。

　　我們的冷卻系統將水運送到定位平臺上的實(shí)驗裝置。 該系統也由另一個(gè)cRIO-9074控制器控制。 CompactRIO程序啟動(dòng)水泵，監測儲水箱的液面位置，并通過(guò)一個(gè)NI 9265模擬輸出模塊控制比例閥來(lái)調節水的流量。 我們也使用NI 9472和NI 9421模塊控制冷卻系統。 由于泵和水箱位于熔爐構造之外，我們使用兩個(gè)NI WAP-9071無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋與CompactRIO控制器進(jìn)行通訊。 一個(gè)位于冷卻系統控制箱內部，一個(gè)位于熔爐構造內部。

　　我們通過(guò)集成化Web服務(wù)器與氣象臺進(jìn)行通訊。 我們監測多個(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進(jìn)行實(shí)驗的最佳時(shí)機，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，在子系統和中央控制系統之間交換數據。 中央計算機是共享變量引擎的主機。 我們使用共享變量開(kāi)發(fā)快速和可靠的通信，而不影響系統的安全性和控制回路的速度。

　　結論

　　THRFSF目前已進(jìn)行了多個(gè)實(shí)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(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，因此數據采集系統必須靈活。 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(guò)中央控制系統調整輸入模塊配置，以適應任何實(shí)驗的特定需求。