Author(s):
David Rausen - Solix Biofuels
Industry:
Biotechnology, Research, Energy/Power
Products:
DIAdem, Compact FieldPoint, LabVIEW, Wireless Sensor Network, Control Design and Simulation Module, Datalogging and Supervisory Control
The Challenge:
開發(fā)一個數據采集系統(tǒng)和控制平臺，用于Solix藻類生長系統(tǒng)（AGSTM）的工業(yè)部署，需要既靈活方便，又堅固耐用。
The Solution:
使用NI Compact FieldPoint和LabVIEW的集成平臺，監(jiān)測、控制處理系統(tǒng)，管理數據記錄；同時采用LabVIEW數據日志與監(jiān)控（DSC）模塊及NI DIAdem數據管理軟件，存儲、處理數據，進行深入、詳細的分析。
背景：藻類生物燃料生產
如今，全球對于有限的、不可再生的石油能源的過度依賴使人類現(xiàn)在面臨諸多環(huán)境及能源的挑戰(zhàn)。同時，交通燃料的使用也構成了全球變暖的主要因素：在美國，超過30%的二氧化碳排放就來自于用于交通的石油燃料的燃燒。[1] 全世界正致力于開發(fā)一種經濟上切實可行、并可大規(guī)模推廣的替代燃料，并減少大氣中二氧化碳的凈排放。
生物燃料即可作為石油燃料的一種替代品，而且也可以減少二氧化碳的總排放量。從定義上講，生物燃料是指用新近死亡的生物材料生成的固體、液體或氣體燃料。對于光合生物而言（例如玉米或大豆），它們使用陽光能量將二氧化碳轉化為碳氫化合物，產生化學能量并進行存儲。在消耗二氧化碳的同時生產了燃料，這樣既解決了燃料供應問題，又解決了全球變暖問題。
生物燃料可以從任何生物碳來源中生產，在美國及世界各地，已有多種農作物正在用于生物燃料的生產。這些農作物包括了常用作乙醇原料的含糖玉米、大豆、油菜籽，以及常用于生物柴油原料的棕櫚。但是，這些植物的生長通常需要良好的農地，這就增加了對農田的整體要求。而且，農作物生物燃料的生產，也會消耗其他如灌溉用水及施肥用石油等資源。
使用藻類生物燃料產品的優(yōu)勢
藻類的生長周期比傳統(tǒng)的糧食作物要快50至100倍，因而生產藻類生物燃料有可能成為一個可推廣的、最終能夠取代石油燃料的替代能源解決方案。此外，藻類是單細胞有機體，不需要淡水資源或生長土壤。藻類可以生長在非飲用水和鹽水源的懸浮水域中。在不適宜糧食作物生產的區(qū)域培育水藻，則更多的土地和水資源就可用來進行糧食生產。
1978年，美國能源部（DOE）啟動了水生物種計劃，研究藻類能源和生物柴油的生產。但是由于原油價格在90年代中期持續(xù)下跌，而能源部的目的旨在削減成本，該計劃于1996年終止。雖然該研究表明藻類生物能夠達到預期的生產產量，但研究人員同樣得出結論：該解決方案只有在油價翻番的情況下才能體現(xiàn)出成本效益。
在2006年，隨著油價較10年前增長了近三倍且仍保持增長勢頭，以及對溫室氣體排放的日益關注，將藻類當作一種新能源來源進行重新審視的時刻終于來臨。Colorado州立大學的發(fā)動機與能量轉換實驗室（EECL）主要進行技術性與企業(yè)解決方案開發(fā)，以應對能源與環(huán)境的挑戰(zhàn)。EECL與認同DOE研究潛力的企業(yè)家共同合作，創(chuàng)立了Solix Biofuels，以提供可推廣、經濟的藻類生物燃料生產技術為宗旨。自創(chuàng)立三年以來，Solix Biofuels已經完善了多代藻類生長系統(tǒng)（AGS）技術，目前這些技術正用于科羅拉多州西南的 Coyote Gulch示范工廠。
Solix的前景
藻類可通過兩種方式進行培育——開放的水塘系統(tǒng)（無論是自然形成還是人工制造）或人工制造的封閉系統(tǒng)。藻類必須耐寒，并在其生長的環(huán)境條件不易控制的開放水塘系統(tǒng)中能抵御其他競爭者。在沒有控制的條件下，維持特定需要的藻類物種或以最優(yōu)速度培育生物量或燃料產品非常困難。因此，我們專注于開發(fā)封閉培育系統(tǒng)。封閉培育系統(tǒng)除了可以進行指定目標物種的培育外，還可以以工業(yè)過程的方式直接為藻類提供高濃度的二氧化碳，并且整個過程可以控制，從而調節(jié)培育環(huán)境，并最大程度地增加捕獲二氧化碳的量。2006年8月，我們部署了AGS第一個原型封閉系統(tǒng)。在過去的三年中，我們不斷地改善我們的技術，擴大藻類的培育面積。2009年7月，我們在Coyote Gulch示范工廠開始試運行生物燃料生產用大型培育系統(tǒng)。
Solix自動化系統(tǒng)的挑戰(zhàn)
我們的AGS自動化系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)在于數據采集及控制的開發(fā)，以用來管理、控制培育過程。我們需要一個單獨的技術平臺支持研發(fā)試驗及產業(yè)化運行，加速這項新技術從實驗室到示范工廠的轉化。出于研發(fā)考慮，平臺必須靈活方便，以方便工程師和科學家在實驗室的單獨測試系統(tǒng)進行試驗?？墒褂枚喾N化學、物理傳感器及流量驅動器。出于工業(yè)環(huán)境中的工廠運行考慮，平臺必須穩(wěn)定、可靠、簡單，同時必須可與工業(yè)規(guī)模的儀器儀表及控制進行連接。此外，所有數據都必須存儲在一個中央資料庫中，并以多種直觀、有用的格式加以顯示，提供給經理、操作員、研發(fā)人員等所有相關人員。
使用NI產品解決藻類生物燃料生產面臨的挑戰(zhàn)
我們使用LabVIEW開發(fā)了AGS的整個監(jiān)測控制及數據采集（SCADA）系統(tǒng)，包括操作員的用戶界面，以及用于監(jiān)測控制藻類培育過程的數據日志及Compact FieldPoint 代碼。
我們的試驗工廠擁有AGS氣流和液流輸送、藻類培育、采收、加工成品（如燃料原料）等一系列系統(tǒng)。開發(fā)控制解決方案時，我們有幾種可能的設計選擇，包括設計一個大型分布式控制系統(tǒng)（DCS）或使用低端可編程邏輯控制器（PLC）。我們選擇了LabVIEW和NI公司的可編程自動控制器（PAC），因為我們需要將仿真器、控制器、SCADA及網絡報告集成至一個單獨的軟件解決方案。使用NI公司的產品后，我們既擁有了一個可自定義的測量和分析系統(tǒng)，又同時具備DCS的功能，為我們提供了極大的便利。
Compact FieldPoint系統(tǒng)從傳感器收集所有需要的輸入數據，并執(zhí)行專有的控制算法，為藻類生長提供必須的營養(yǎng)物質。此外， LabVIEW圖形界面還可顯示關鍵過程參數，設備操作人員可定期進行監(jiān)控，了解工廠的運行狀況。數據將自動保存在LabVIEW DSC模塊數據庫中，方便進行后期檢索和處理。如果關鍵參數的數值超過安全范圍，就會通過本地報警系統(tǒng)、操作員界面和手機短信或傳呼機的方式通知操作員。
使用LabVIEW，我們可以收集針對不同藻類的各種小型、大型過程試驗的數據，并對它們在不同氣候環(huán)境下的反應進行歸類總結。除了控制藻類生物燃料生產過程，LabVIEW和NI硬件還可記錄每次試驗的一系列測量值，為我們的研究人員和控制工程師提供有價值的數據。然后我們使用DIAdem進行后期數據分析。在研究中使用此反饋數據，可幫助我們確定在特定條件下AGS需要的二氧化碳的等級和其他營養(yǎng)成分，實現(xiàn)最優(yōu)生產。
擴展數據采集及控制系統(tǒng)
在Coyote Gulch示范工廠，我們目前用于監(jiān)測、控制AGS系統(tǒng)的是Compact FieldPoint?，F(xiàn)在，工廠部署將要擴展到更大的區(qū)域，因此我們必須大幅降低每個控制點的成本，這就要求我們研究可替代的控制解決方案。我們計劃過渡到較低成本的設備，考慮使用NI RIO與NI無線傳感器網絡（WSN）平臺。在未來，我們可將這些產品與現(xiàn)有的NI軟硬件組件集成系統(tǒng)相結合，可能會更加滿足我們的需求。
藻類生物燃料有望從根本上解決能源問題，并在解決溫室氣體排放上發(fā)揮主導作用。NI提供的產品、工具及持續(xù)的技術支持，幫助我們能夠快速開發(fā)、部署藻類生長技術，進行燃料生產。隨著我們的系統(tǒng)部署不斷擴大規(guī)模，我們亦希望與NI的戰(zhàn)略合作伙伴關系能夠繼續(xù)為我們的擴大提供支持。
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