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
幾乎無需學(xué)習(xí),CompactRIO和NI LabVIEW開發(fā)環(huán)境之間的無縫接口提供了交鑰匙的軟硬件解決方案
2011-04-25
作者:Matt Bennett
The Challenge:
為偏遠村莊或是其他還沒有連通電網(wǎng)的地區(qū)提供便攜式的可再生能源。沒有連通電網(wǎng)的偏遠村莊必須依賴柴油或汽油發(fā)電機供電,這意味著他們只有在能夠得到燃料時才能得到電能。
The Solution:
開發(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(tǒng),用于替代傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪中使用的葉片和塔結(jié)構(gòu)。因為系統(tǒng)不使用塔結(jié)構(gòu),它不需要笨重的加固混凝土結(jié)構(gòu),因此可以將它固定在拖車上,并且在沒有電網(wǎng)的偏遠地區(qū)提供便攜式可再生能源。
Author(s):
Matt Bennett - Windlift
開發(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(tǒng),用于替代傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪中使用的葉片和塔結(jié)構(gòu)。因為系統(tǒng)不使用塔結(jié)構(gòu),它不需要笨重的加固混凝土結(jié)構(gòu),因此可以將它固定在拖車上,并且在沒有電網(wǎng)的偏遠地區(qū)提供便攜式可再生能源。
Author(s):
Matt Bennett - Windlift
圖1:在首次飛行測試中的Windlif AWE系統(tǒng)
Windlift建立于2006年用于為沖突后重建、賑災(zāi)和第三世界發(fā)展開發(fā)便攜式空中風(fēng)力能源(AWE)技術(shù)。這個技術(shù)能夠替代柴油發(fā)電機作為前方作戰(zhàn)單元的主要電能來源,因此可能為軍事行動帶來潛在的好處。
我們公司有四個員工并且得到130萬美元個人投資和政府撥款資助。公司已經(jīng)完成了兩個12 kW(額定)原型系統(tǒng)并正在進行測試,并且完成了23 kW悍馬牽引系統(tǒng)的概念設(shè)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發(fā)AWE技術(shù)。與其他例如太陽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(tǒng)運作
AWE技術(shù)使用靈活的機翼捕獲風(fēng)中的能量。機翼通過繩索連接到基站上,繩索繞在一個滾筒上。固定在拖車上的系統(tǒng)作為長沖程往復(fù)式發(fā)動機工作。在循環(huán)的發(fā)電階段中,機翼主動轉(zhuǎn)向側(cè)風(fēng)方向沿著基站的順風(fēng)方向以側(cè)風(fēng)方式飛行,從而將繩索中的張力最大化。隨著機翼離開地面站,繩索帶動滾筒旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動發(fā)動機/發(fā)電機。發(fā)電機的電能傳送到同樣連接到拖車上的電池庫中。當(dāng)達到繩索的最大長度后,機翼失去能量(轉(zhuǎn)向風(fēng)的切向的方向以便將繩索張力降至最小)并被收回。每個循環(huán)中的凈能量增長是在向外沖程中產(chǎn)生的能量減去在回復(fù)沖程中消耗的能量。
我們通過使用交流電機/發(fā)電機控制系統(tǒng),兩個伺服電機驅(qū)動機翼轉(zhuǎn)向,兩個步進電機操作平衡,從而能夠整齊地將繩索繞在滾筒上。所有這些設(shè)備通過控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線接口與NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)進行交互。此外,我們使用兩個模擬操縱器和多個數(shù)字I/O與系統(tǒng)進行交互。目前,AWE系統(tǒng)是人工操作的,但是在未來的設(shè)計中將會自動化。
除了用戶控制和執(zhí)行器,CompactRIO還與傳感器進行交互,用于監(jiān)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)。所有來自這些傳感器的數(shù)據(jù)被用于控制循環(huán)操作,并讓它產(chǎn)生的電能和發(fā)電穩(wěn)定性達到最高。
使用CompactRIO從原型系統(tǒng)到實際生產(chǎn)
我們在這個項目中選擇CompactRIO平臺出于幾個原因。首先,幾乎無需學(xué)習(xí),CompactRIO和NI LabVIEW開發(fā)環(huán)境之間的無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所有不同的傳感器和協(xié)議可以集成在單一模塊化系統(tǒng)中(負載電池、溫度傳感器、現(xiàn)場總線、模擬、數(shù)字等等)。第三,整合的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)以及實時處理器體系結(jié)構(gòu)的強大功能和靈活性提供了在單個組件中無法實現(xiàn)的功能。第四,同時也是最重要的是NI展示了使用相同硬件和軟件從原型開發(fā)到實際生產(chǎn)的清晰的CompactRIO開發(fā)途徑。我們還考慮了在這次開發(fā)中使用dSPACE硬件,但是預(yù)期的硬件成本大大超過CompactRIO系統(tǒng),同時從原型到實際產(chǎn)品的過渡也不是那么清晰。
CompactRIO系統(tǒng)的FPGA背板在我們的開發(fā)中特別有用。FPGA以完全并行的方式高速(40 MHz時鐘周期)運行任務(wù)的能力讓我們能夠?qū)r間關(guān)鍵的任務(wù)從實時處理器上轉(zhuǎn)移下來。特別適合FPGA的一個任務(wù)實例是監(jiān)視作為測量滾筒旋轉(zhuǎn)的增量編碼器的鄰近傳感器(在象限中配置)。運行在FPGA上的一個代碼段以高達每秒800脈沖的速度對每個傳感器進行計數(shù),并且將滾筒的增量位置向?qū)崟r控制器進行通信。
在這次開發(fā)中,我們使用獲得NI綠色工程獎的NI開發(fā)者套件,其中包括NI DIAdem數(shù)據(jù)管理和分析軟件、LabVIEW實時、LabVIEW FPGA、LabVIEW NI SoftMotion、LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊以及LabVIEW PID與模糊邏輯工具包等等。這個項目中除了LabVIEW開發(fā)環(huán)境之外,最為有用的工具是DIAdem數(shù)據(jù)分析軟件。我們使用CompactRIO的共享變量引擎特性,通過TCP/IP連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程筆記本電腦上進行數(shù)據(jù)記錄。
在測試程序中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)對于設(shè)計和開發(fā)流程而言是至關(guān)重要的。每個數(shù)據(jù)文件記錄10分鐘操作時間,尺寸大約為4 MB,并且包含大約70個獨立通道。DIAdem對于處理和分析大量數(shù)據(jù)而言是十分有用的。另一個被證明十分有用的是使用工作中系統(tǒng)的視頻對數(shù)據(jù)進行同步的功能。
我們目前在測試便攜式AWE系統(tǒng)原型的最后階段。CompactRIO嵌入式系統(tǒng)在整個開發(fā)流程中是十分有用的,我們期望它會繼續(xù)成為系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分。這個方法中的一個重要方面是從目前手動操作的系統(tǒng)向自動化系統(tǒng)的過渡將會十分簡單,只需要進行軟件升級。這種可能性是因為手動操作的系統(tǒng)是通過電線控制的,CompactRIO具有足夠的功能和性能在自動化系統(tǒng)中取代用戶進行操作。
我們公司有四個員工并且得到130萬美元個人投資和政府撥款資助。公司已經(jīng)完成了兩個12 kW(額定)原型系統(tǒng)并正在進行測試,并且完成了23 kW悍馬牽引系統(tǒng)的概念設(shè)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發(fā)AWE技術(shù)。與其他例如太陽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(tǒng)運作
AWE技術(shù)使用靈活的機翼捕獲風(fēng)中的能量。機翼通過繩索連接到基站上,繩索繞在一個滾筒上。固定在拖車上的系統(tǒng)作為長沖程往復(fù)式發(fā)動機工作。在循環(huán)的發(fā)電階段中,機翼主動轉(zhuǎn)向側(cè)風(fēng)方向沿著基站的順風(fēng)方向以側(cè)風(fēng)方式飛行,從而將繩索中的張力最大化。隨著機翼離開地面站,繩索帶動滾筒旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動發(fā)動機/發(fā)電機。發(fā)電機的電能傳送到同樣連接到拖車上的電池庫中。當(dāng)達到繩索的最大長度后,機翼失去能量(轉(zhuǎn)向風(fēng)的切向的方向以便將繩索張力降至最小)并被收回。每個循環(huán)中的凈能量增長是在向外沖程中產(chǎn)生的能量減去在回復(fù)沖程中消耗的能量。
我們通過使用交流電機/發(fā)電機控制系統(tǒng),兩個伺服電機驅(qū)動機翼轉(zhuǎn)向,兩個步進電機操作平衡,從而能夠整齊地將繩索繞在滾筒上。所有這些設(shè)備通過控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線接口與NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)進行交互。此外,我們使用兩個模擬操縱器和多個數(shù)字I/O與系統(tǒng)進行交互。目前,AWE系統(tǒng)是人工操作的,但是在未來的設(shè)計中將會自動化。
除了用戶控制和執(zhí)行器,CompactRIO還與傳感器進行交互,用于監(jiān)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)。所有來自這些傳感器的數(shù)據(jù)被用于控制循環(huán)操作,并讓它產(chǎn)生的電能和發(fā)電穩(wěn)定性達到最高。
使用CompactRIO從原型系統(tǒng)到實際生產(chǎn)
我們在這個項目中選擇CompactRIO平臺出于幾個原因。首先,幾乎無需學(xué)習(xí),CompactRIO和NI LabVIEW開發(fā)環(huán)境之間的無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所有不同的傳感器和協(xié)議可以集成在單一模塊化系統(tǒng)中(負載電池、溫度傳感器、現(xiàn)場總線、模擬、數(shù)字等等)。第三,整合的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)以及實時處理器體系結(jié)構(gòu)的強大功能和靈活性提供了在單個組件中無法實現(xiàn)的功能。第四,同時也是最重要的是NI展示了使用相同硬件和軟件從原型開發(fā)到實際生產(chǎn)的清晰的CompactRIO開發(fā)途徑。我們還考慮了在這次開發(fā)中使用dSPACE硬件,但是預(yù)期的硬件成本大大超過CompactRIO系統(tǒng),同時從原型到實際產(chǎn)品的過渡也不是那么清晰。
CompactRIO系統(tǒng)的FPGA背板在我們的開發(fā)中特別有用。FPGA以完全并行的方式高速(40 MHz時鐘周期)運行任務(wù)的能力讓我們能夠?qū)r間關(guān)鍵的任務(wù)從實時處理器上轉(zhuǎn)移下來。特別適合FPGA的一個任務(wù)實例是監(jiān)視作為測量滾筒旋轉(zhuǎn)的增量編碼器的鄰近傳感器(在象限中配置)。運行在FPGA上的一個代碼段以高達每秒800脈沖的速度對每個傳感器進行計數(shù),并且將滾筒的增量位置向?qū)崟r控制器進行通信。
在這次開發(fā)中,我們使用獲得NI綠色工程獎的NI開發(fā)者套件,其中包括NI DIAdem數(shù)據(jù)管理和分析軟件、LabVIEW實時、LabVIEW FPGA、LabVIEW NI SoftMotion、LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊以及LabVIEW PID與模糊邏輯工具包等等。這個項目中除了LabVIEW開發(fā)環(huán)境之外,最為有用的工具是DIAdem數(shù)據(jù)分析軟件。我們使用CompactRIO的共享變量引擎特性,通過TCP/IP連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程筆記本電腦上進行數(shù)據(jù)記錄。
在測試程序中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)對于設(shè)計和開發(fā)流程而言是至關(guān)重要的。每個數(shù)據(jù)文件記錄10分鐘操作時間,尺寸大約為4 MB,并且包含大約70個獨立通道。DIAdem對于處理和分析大量數(shù)據(jù)而言是十分有用的。另一個被證明十分有用的是使用工作中系統(tǒng)的視頻對數(shù)據(jù)進行同步的功能。
我們目前在測試便攜式AWE系統(tǒng)原型的最后階段。CompactRIO嵌入式系統(tǒng)在整個開發(fā)流程中是十分有用的,我們期望它會繼續(xù)成為系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分。這個方法中的一個重要方面是從目前手動操作的系統(tǒng)向自動化系統(tǒng)的過渡將會十分簡單,只需要進行軟件升級。這種可能性是因為手動操作的系統(tǒng)是通過電線控制的,CompactRIO具有足夠的功能和性能在自動化系統(tǒng)中取代用戶進行操作。
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