LabVIEW​开发​高​辐射​通​量​太阳​能​熔炉​的​控制​和​数据​采集​系统

"凭借​CompactRIO,​Compact Fieldpoint​和​NI Compact Vision System​内在​的​坚固​性、​准确​性、​扩展​能力​以及​平台​的​网络​集成,​我们​能​在​项目​时间​限制​范围​内​开发​出​一个​可靠​的、​分布​式​应用​程序。" ​

- Roberto G. Galàn, Centro de Investigación en Matemáticas A.C.

挑战:

开发​能够​操​控​高​辐射​通​量​太阳​能​熔炉​所有​子​系统​的​分布​式​控制​和​数据​采集​系统。 ​

解决​方案:

使用​NI LabVIEW​图形​化​系统​设计​软件、​LabVIEW Real-​Time、​LabVIEW FPGA​和​LabVIEW​视觉​开发​模​块,​以及​NI CompactRIO、​Compact Fieldpoint​和​NI Compact Vision System​硬件​平台​开发​高​辐射​通​量​太阳​能​熔炉​的​控制​与​数据​采集​系统。 ​

作者:

Dr. Norberto Flores - Centro de Investigación en Matemáticas A.C.
​Roberto G. Galàn - Centro de Investigación en Matemáticas A.C.

 

简介

由于​地​处​阳光​地带,​墨西哥​是​利用​太阳​能​技术​的​理想​之地。​该​地区​年​平均​日晒​超过​5.5kWh/​m2。 高​质量​的​太阳​能​资源​使得​该​地区​成为​实施​集中​太阳​能​技术​(CST)​的​理想​选择,​CST​技术​可​用于​发电​或是​生产​太阳​能​氢​燃料。

 

为了​促进​CST​在​墨西哥​的​发展,​CIE​能源​研究​中心​建造​了​一个​高​辐射​通​量​太阳​能​熔炉​(HRFSF)。​HRFSF​使得​在​基础​应用​研究​以及​工业​生产​过程​的​发展​中​利用​太阳​辐射​成为​可能。​HRFSF​的​主要​目的​是​开发​用于​中央​塔​发​电厂​的​热电​太阳​能​塔​组​件。​另​一个​目的​则​是​处理​和​制造​先进​的​材料,​并且​让​它们​体现​暴露​在​阳光​下​的​热​物理,​机械​和​光学​的​材料​特征。

 

我们​需要​一个​控制​和​数据​采集​系统,​用于​操作​HRFSF​所有​集成​组​件。  CIMAT(数学​研究​中心)​的​工业​数学​系​与​CIE​的​工作​人员​合作,​共同​执行​开发​控制​系统​的​任务。

 

 

高​辐射​通​量​太阳​能​熔炉​(HRFSF)​组件

高​辐射​通​量​太阳​能​熔炉​(HRFSF)​主要​由​以下​三​个​组​件​组成: 一个​聚光镜,​一个​定​日​镜​和​快门 (见​图​1)。 聚光镜​是​该​系统​的​核心,​其​功能​是​将​太阳​辐射​集中​至​很高​的​水平,​从而​在​聚焦​区域​达到​高温​(可达​3000°K)。  该​聚光镜​被​放置​在​一个​太阳​熔炉​内,​且​不​发生​移动;​所有​追踪​太阳​所需​的​移动​都​需​定​日​镜​来​执行。  这样​做​是​为了​获得​一个​静态​的​聚焦​区域,​它​为​进行​实验​提供​了​一个​更​容易​控制​的​环境。  熔炉​的​性能​取决​于​定​日​镜​准确​追踪​太阳​的​能力。  快门​在​不同​的​角度​部分​打开​和​关闭,​控制​允许​进入​系统​的​辐射​量。​值得一提​的是,​HRFSF​包括​占地​面积​81​平方米​定​日​镜,​占地​面积​42.2 平方米​的​快门,​以及​一个​409​六角形​第一​表面​抛光​的​玻璃​镜​组成​的​光学​聚光镜。

 

除了​上述​组​件,​还有​一个​移动​的​平台,​可在​聚焦​地区​的​不同​点​精确​定位​实验。​数据​采集​系统​还​要​用于​监测​不同​的​实验​变量,​如​温度、​压力​流量、​太阳​辐射​和​集中​的​辐射​通​量​分布。  冷却​系统​的​实验​也是​必须​的。 此外,​气象​监测​站​集成​在​系统​中, 除了​定​日​镜、​冷却​系统​和​一些​太阳​辐射​和​风速​传感器,​其它​所有​熔炉​组​件​都​位于​整个​熔炉​结构​内部。

 

 

开发​平台

我们​为​控制​和​数据​采集​系统​选择​了​NI​平台,​因为​它​能够​通过​一个​直观、​灵活​的​开发​环境​开发​所有​控制、​数据​采集​和​视觉​功能。

 

凭借​CompactRIO,​Compact Fieldpoint​和​NI Compact Vision System​内在​的​坚固​性、​准确​性、​扩展​能力​以及​平台​的​网络​集成,​我们​能​在​项目​时间​限制​范围​内​开发​出​一个​可靠​的、​分布​式​应用​程序。

 

控制​系统​内​有​1台PXI电脑,​4个NI cRIO-9074集成​系统​控制器,​1​个​带有cFP-​BP8背​板的 cFP-2120控制器,​以及​一个​与​以太​网​相连的CVS-1450。 熔炉​构​架​组​件​分布​如​图​2​所​示:

 

定​日​镜​由​NI cRIO-9074​集成​系统​控制器​控制,​它​有​两个 NI 9505伺服​模​块​控制​这​两​个​定​日​镜​电机。​其中​一个​用于​方位​移动,​一个​用于​高度​移动。 使用​太阳​能​跟踪​方程​可以​得出​定​日​镜​的​位置,​它​能够​根据​定​日​镜​纬度​和​经度​的​位置​计算​出​太阳​能​矢量。  通过​了解​太阳​能​矢量,​我们​可以​精确​判断​定​日​镜​的​方位​和​高度​角度。

 

我们​使用​2000 p/​r 的​编码​器​进行​反馈​控制,​与​定​日​镜​齿轮箱​相​结合,​以此​控制​定​日​镜​的​位置。  我们​使用​限​位​开关和NI 9421源​极​数字​输出​模​块​来​探​测定​日​镜​的​安全​位置。 我们​也​手​动​操作​自​定义​定​日​镜​的​角度。

 

定​日​镜​控制​系统​利用​16​位的IEEE 1394相机​对​聚焦​区域​进行​拍照,​以​获得​视觉​反馈。 这​也就​决定​了​太阳​黑子​的​确切​位置​并且​可以​对​定​日​镜​的​位置​做出​轻微​的​调整。​使用​NI CVS-1450​可​获取​并​处理​图像。

 

我们​使用​cRIO - 9074​控制器、​NI 9505​模​块​和​NI 9421​模​块​控制​快门。  NI 9505​模​块​通过​控制​快门​电机​来​控制​开放​区域。  电机​连接​在​齿轮箱​上,​并从​2,000 p/​r​的​解码​器​上​获得​反馈。 NI 9421​模​块​用​来​读​取​限​位​开关,​它​能​确定​快门​的​起始​位置。 在​聚焦​区域​定位​平台​有​一个​类似​的​系统​设置。 然而,​此​系统​有三​个​控制​着​运动​轴​的​三​个​电机,​这样​我们​就​可以​精确​定位​平台​位置。

 

我们​的​冷却​系统​将​水​运送​到​定位​平台​上​的​实验​装置。  该​系统​也​由​另​一个​cRIO-9074​控制器​控制。 CompactRIO​程序​启动​水泵,​监测​储​水箱​的​液​面​位置,​并​通过​一个​NI 9265​模拟​输出​模​块​控制​比例​阀​来​调节​水​的​流量。  我们​也​使用NI 9472NI 9421模​块​控制​冷却​系统。 由于​泵​和​水箱​位于​熔炉​构造​之外,​我们​使用​两个NI WAP-9071无线​网​桥​与​CompactRIO​控制器​进行​通讯。 一个​位于​冷却​系统​控制​箱​内部,​一个​位于​熔炉​构造​内部。

 

我们​通过​集成​化​Web​服务​器​与​气象​台​进行​通讯。 我们​监测​多个​环境​变量,​但​最为​关注​的是​直接​辐射​和​风速。  前者​可以​指示​在​熔炉​内​进行​实验​的​最佳​时机,​如果​定​日​镜​不在​一个​安全​的​位置,​可能​会​被​过​高​的​风速​损坏,​因此​后者​也​非常​重要。

 

我们​使用​网络​上​发布​的​共享​变量,​在​子​系统​和​中央​控制​系统​之间​交换​数据。  中央​计算​机​是​共享​变量​引擎​的​主机。  我们​使用​共享​变量​开发​快速​和​可靠​的​通信,​而不​影响​系统​的​安全​性​和​控制​回路​的​速度。

 

 

结论

THRFSF​目前​已​进行​了​多个​实验​且​运行​正常。  我们​明年​将​在​熔炉​上​添加​更多​的​设备。 HRFSF​是​一个​研究​工具,​我们​希望​使用​来自​太阳​的​清洁、​可​再生​能源​开发​出​用于​生产​电力​的​新​材料​和​新​技术。

 

由于​HRFSF​用于​各种​实验,​因此​数据​采集​系统​必须​灵活。 我们​在​Compact FieldPoint​家族​产品​中​选择​各种​模拟​输入​模​块,​用于​覆盖​广泛​的​输入​信号​范围。 我们​可以​通过​中央​控制​系统​调整​输入​模​块​配置,​以​适应​任何​实验​的​特定​需求。

 

所有​的​子​系统​在​一个​单一​接口​的​中央​控制​系统​中​进行​操作。  图​3​显示​了​一些​控制​用户​界面。

 

作者​信息:

Roberto G. Galàn
Centro de Investigación en Matemáticas A.C.
​Mexico

图​1: ​ ​太阳​能​熔炉​组​件​架构​图 ​
图​2: ​ ​熔炉​内部​子​系统​分布 ​
图​3: ​ ​不同​熔炉​子​系统​的​用户​控制​界面​截​图,​包括 : a)​定位​平台​用户​界面,​B)​快门​用户​界面,​C)​气象​站​用户​界面 ​