使用NI CompactRIO利用革命性的空中風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為偏遠(yuǎn)村莊供電

"幾乎無(wú)需學(xué)習(xí)，CompactRIO和NI LabVIEW開發(fā)環(huán)境之間的無(wú)縫接口提供了交鑰匙的軟硬件解決方案。"

– Matt Bennett, Windlift

The Challenge:
    為偏遠(yuǎn)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(yuǎn)村莊必須依賴柴油或汽油發(fā)電機(jī)供電，這意味著他們只有在能夠得到燃料時(shí)才能得到電能。

The Solution:
    開發(fā)使用帶有繩索的靈活機(jī)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?yàn)橄到y(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(yuǎn)地區(qū)提供便攜式可再生能源。

Author(s):
    Matt Bennett - Windlift

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(gè)技術(shù)能夠替代柴油發(fā)電機(jī)作為前方作戰(zhàn)單元的主要電能來(lái)源，因此可能為軍事行動(dòng)帶來(lái)潛在的好處。

我們公司有四個(gè)員工并且得到130萬(wàn)美元個(gè)人投資和政府撥款資助。公司已經(jīng)完成了兩個(gè)12 kW（額定）原型系統(tǒng)并正在進(jìn)行測(cè)試，并且完成了23 kW悍馬牽引系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。Windlift目前正得到美國(guó)國(guó)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(yáng)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(yùn)作
    AWE技術(shù)使用靈活的機(jī)翼捕獲風(fēng)中的能量。機(jī)翼通過(guò)繩索連接到基站上，繩索繞在一個(gè)滾筒上。固定在拖車上的系統(tǒng)作為長(zhǎng)沖程往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)工作。在循環(huán)的發(fā)電階段中，機(jī)翼主動(dòng)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(jī)翼離開地面站，繩索帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的電能傳送到同樣連接到拖車上的電池庫(kù)中。當(dāng)達(dá)到繩索的最大長(zhǎng)度后，機(jī)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?。┎⒈皇栈亍Ｃ總€(gè)循環(huán)中的凈能量增長(zhǎng)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(guò)使用交流電機(jī)/發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼轉(zhuǎn)向，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)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(guò)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(jìn)行交互。此外，我們使用兩個(gè)模擬操縱器和多個(gè)數(shù)字I/O與系統(tǒng)進(jìn)行交互。目前，AWE系統(tǒng)是人工操作的，但是在未來(lái)的設(shè)計(jì)中將會(huì)自動(dòng)化。

除了用戶控制和執(zhí)行器，CompactRIO還與傳感器進(jìn)行交互，用于監(jiān)視機(jī)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(kù)的能量流和充電狀態(tài)。所有來(lái)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(dá)到最高。

使用CompactRIO從原型系統(tǒng)到實(shí)際生產(chǎn)
    我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中選擇CompactRIO平臺(tái)出于幾個(gè)原因。首先，幾乎無(wú)需學(xué)習(xí)，CompactRIO和NI LabVIEW開發(fā)環(huán)境之間的無(wú)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(fù)載電池、溫度傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線、模擬、數(shù)字等等）。第三，整合的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）以及實(shí)時(shí)處理器體系結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大功能和靈活性提供了在單個(gè)組件中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。第四，同時(shí)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(shí)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(guò)CompactRIO系統(tǒng)，同時(shí)從原型到實(shí)際產(chǎn)品的過(guò)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(shí)鐘周期）運(yùn)行任務(wù)的能力讓我們能夠?qū)r(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)從實(shí)時(shí)處理器上轉(zhuǎn)移下來(lái)。特別適合FPGA的一個(gè)任務(wù)實(shí)例是監(jiān)視作為測(cè)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(yùn)行在FPGA上的一個(gè)代碼段以高達(dá)每秒800脈沖的速度對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且將滾筒的增量位置向?qū)崟r(shí)控制器進(jìn)行通信。

在這次開發(fā)中，我們使用獲得NI綠色工程獎(jiǎng)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(shí)時(shí)、LabVIEW FPGA、LabVIEW NI SoftMotion、LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真模塊以及LabVIEW PID與模糊邏輯工具包等等。這個(gè)項(xiàng)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(guò)TCP/IP連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程筆記本電腦上進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

在測(cè)試程序中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)對(duì)于設(shè)計(jì)和開發(fā)流程而言是至關(guān)重要的。每個(gè)數(shù)據(jù)文件記錄10分鐘操作時(shí)間，尺寸大約為4 MB，并且包含大約70個(gè)獨(dú)立通道。DIAdem對(duì)于處理和分析大量數(shù)據(jù)而言是十分有用的。另一個(gè)被證明十分有用的是使用工作中系統(tǒng)的視頻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步的功能。

我們目前在測(cè)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(gè)開發(fā)流程中是十分有用的，我們期望它會(huì)繼續(xù)成為系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分。這個(gè)方法中的一個(gè)重要方面是從目前手動(dòng)操作的系統(tǒng)向自動(dòng)化系統(tǒng)的過(guò)渡將會(huì)十分簡(jiǎn)單，只需要進(jìn)行軟件升級(jí)。這種可能性是因?yàn)槭謩?dòng)操作的系統(tǒng)是通過(guò)電線控制的，CompactRIO具有足夠的功能和性能在自動(dòng)化系統(tǒng)中取代用戶進(jìn)行操作。