使用NI PAC和LabVIEW軟件控制藻類生物燃料的生產(chǎn)

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(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制平臺(tái)，用于Solix藻類生長(zhǎng)系統(tǒng)（AGSTM）的工業(yè)部署，需要既靈活方便，又堅(jiān)固耐用。

The Solution:
   使用NI Compact FieldPoint和LabVIEW的集成平臺(tái)，監(jiān)測(cè)、控制處理系統(tǒng)，管理數(shù)據(jù)記錄；同時(shí)采用LabVIEW數(shù)據(jù)日志與監(jiān)控（DSC）模塊及NI DIAdem數(shù)據(jù)管理軟件，存儲(chǔ)、處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入、詳細(xì)的分析。

背景：藻類生物燃料生產(chǎn)

   如今，全球?qū)τ谟邢薜摹⒉豢稍偕氖湍茉吹倪^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(shí)，交通燃料的使用也構(gòu)成了全球變暖的主要因素：在美國(guó)，超過30%的二氧化碳排放就來(lái)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(jīng)濟(jì)上切實(shí)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(duì)于光合生物而言（例如玉米或大豆），它們使用陽(yáng)光能量將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?，產(chǎn)生化學(xué)能量并進(jìn)行存儲(chǔ)。在消耗二氧化碳的同時(shí)生產(chǎn)了燃料，這樣既解決了燃料供應(yīng)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(lái)源中生產(chǎn)，在美國(guó)及世界各地，已有多種農(nóng)作物正在用于生物燃料的生產(chǎn)。這些農(nóng)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(zhǎng)通常需要良好的農(nóng)地，這就增加了對(duì)農(nóng)田的整體要求。而且，農(nóng)作物生物燃料的生產(chǎn)，也會(huì)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(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

    藻類的生長(zhǎng)周期比傳統(tǒng)的糧食作物要快50至100倍，因而生產(chǎn)藻類生物燃料有可能成為一個(gè)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(xì)胞有機(jī)體，不需要淡水資源或生長(zhǎng)土壤。藻類可以生長(zhǎng)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(chǎn)的區(qū)域培育水藻，則更多的土地和水資源就可用來(lái)進(jìn)行糧食生產(chǎn)。

   1978年，美國(guó)能源部（DOE）啟動(dòng)了水生物種計(jì)劃，研究藻類能源和生物柴油的生產(chǎn)。但是由于原油價(jià)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(jì)劃于1996年終止。雖然該研究表明藻類生物能夠達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)產(chǎn)量，但研究人員同樣得出結(jié)論：該解決方案只有在油價(jià)翻番的情況下才能體現(xiàn)出成本效益。

    在2006年，隨著油價(jià)較10年前增長(zhǎng)了近三倍且仍保持增長(zhǎng)勢(shì)頭，以及對(duì)溫室氣體排放的日益關(guān)注，將藻類當(dāng)作一種新能源來(lái)源進(jìn)行重新審視的時(shí)刻終于來(lái)臨。Colorado州立大學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)與能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室（EECL）主要進(jìn)行技術(shù)性與企業(yè)解決方案開發(fā)，以應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境的挑戰(zhàn)。EECL與認(rèn)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(jīng)濟(jì)的藻類生物燃料生產(chǎn)技術(shù)為宗旨。自創(chuàng)立三年以來(lái)，Solix Biofuels已經(jīng)完善了多代藻類生長(zhǎng)系統(tǒng)（AGS）技術(shù)，目前這些技術(shù)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(jìn)行培育——開放的水塘系統(tǒng)（無(wú)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(chǎn)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(jìn)行指定目標(biāo)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(gè)過程可以控制，從而調(diào)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(gè)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(shù)，擴(kuò)大藻類的培育面積。2009年7月，我們?cè)贑oyote Gulch示范工廠開始試運(yùn)行生物燃料生產(chǎn)用大型培育系統(tǒng)。

Solix自動(dòng)化系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

    我們的AGS自動(dòng)化系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)在于數(shù)據(jù)采集及控制的開發(fā)，以用來(lái)管理、控制培育過程。我們需要一個(gè)單獨(dú)的技術(shù)平臺(tái)支持研發(fā)試驗(yàn)及產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行，加速這項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到示范工廠的轉(zhuǎn)化。出于研發(fā)考慮，平臺(tái)必須靈活方便，以方便工程師和科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室的單獨(dú)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)?？墒褂枚喾N化學(xué)、物理傳感器及流量驅(qū)動(dòng)器。出于工業(yè)環(huán)境中的工廠運(yùn)行考慮，平臺(tái)必須穩(wěn)定、可靠、簡(jiǎn)單，同時(shí)必須可與工業(yè)規(guī)模的儀器儀表及控制進(jìn)行連接。此外，所有數(shù)據(jù)都必須存儲(chǔ)在一個(gè)中央資料庫(kù)中，并以多種直觀、有用的格式加以顯示，提供給經(jīng)理、操作員、研發(fā)人員等所有相關(guān)人員。

使用NI產(chǎn)品解決藻類生物燃料生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)

    我們使用LabVIEW開發(fā)了AGS的整個(gè)監(jiān)測(cè)控制及數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，包括操作員的用戶界面，以及用于監(jiān)測(cè)控制藻類培育過程的數(shù)據(jù)日志及Compact FieldPoint 代碼。

    我們的試驗(yàn)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(shí)，我們有幾種可能的設(shè)計(jì)選擇，包括設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)控制器（PAC），因?yàn)槲覀冃枰獙⒎抡嫫?、控制器、SCADA及網(wǎng)絡(luò)報(bào)告集成至一個(gè)單獨(dú)的軟件解決方案。使用NI公司的產(chǎn)品后，我們既擁有了一個(gè)可自定義的測(cè)量和分析系統(tǒng)，又同時(shí)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(shù)據(jù)，并執(zhí)行專有的控制算法，為藻類生長(zhǎng)提供必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外， LabVIEW圖形界面還可顯示關(guān)鍵過程參數(shù)，設(shè)備操作人員可定期進(jìn)行監(jiān)控，了解工廠的運(yùn)行狀況。數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存在LabVIEW DSC模塊數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便進(jìn)行后期檢索和處理。如果關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值超過安全范圍，就會(huì)通過本地報(bào)警系統(tǒng)、操作員界面和手機(jī)短信或傳呼機(jī)的方式通知操作員。

     使用LabVIEW，我們可以收集針對(duì)不同藻類的各種小型、大型過程試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)它們?cè)诓煌瑲夂颦h(huán)境下的反應(yīng)進(jìn)行歸類總結(jié)。除了控制藻類生物燃料生產(chǎn)過程，LabVIEW和NI硬件還可記錄每次試驗(yàn)的一系列測(cè)量值，為我們的研究人員和控制工程師提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。然后我們使用DIAdem進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析。在研究中使用此反饋數(shù)據(jù)，可幫助我們確定在特定條件下AGS需要的二氧化碳的等級(jí)和其他營(yíng)養(yǎng)成分，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)。

擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

    在Coyote Gulch示范工廠，我們目前用于監(jiān)測(cè)、控制AGS系統(tǒng)的是Compact FieldPoint。現(xiàn)在，工廠部署將要擴(kuò)展到更大的區(qū)域，因此我們必須大幅降低每個(gè)控制點(diǎn)的成本，這就要求我們研究可替代的控制解決方案。我們計(jì)劃過渡到較低成本的設(shè)備，考慮使用NI RIO與NI無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）平臺(tái)。在未來(lái)，我們可將這些產(chǎn)品與現(xiàn)有的NI軟硬件組件集成系統(tǒng)相結(jié)合，可能會(huì)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(dǎo)作用。NI提供的產(chǎn)品、工具及持續(xù)的技術(shù)支持，幫助我們能夠快速開發(fā)、部署藻類生長(zhǎng)技術(shù)，進(jìn)行燃料生產(chǎn)。隨著我們的系統(tǒng)部署不斷擴(kuò)大規(guī)模，我們亦希望與NI的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系能夠繼續(xù)為我們的擴(kuò)大提供支持。