"我們選擇LabVIEW和CompactRIO是因?yàn)榧闪诵盘?hào)調(diào)理功能的NI C系列模塊可幫助我們快速監(jiān)測各種I/O點(diǎn)，同時(shí)也可連接到流量計(jì)和壓力傳感器等各種專用傳感器。"- Tim Erickson, Vehicle Projects LLC
挑戰(zhàn):
控制250 kW燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車的運(yùn)行。
解決方案:
使用NI CompactRIO控制器來監(jiān)視和控制燃料電池機(jī)車和控制器局域網(wǎng)(CAN) 總線的安全和運(yùn)行，并通過使用NI LabVIEW軟件編程的觸摸屏來告知操作人員發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。
作者:
Tim Erickson - Vehicle Projects LLC
使用NI CompactRIO控制器來監(jiān)視和控制燃料電池機(jī)車和控制器局域網(wǎng)(CAN) 總線的安全和運(yùn)行，并通過使用NI LabVIEW軟件編程的觸摸屏來告知操作人員發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。
傳統(tǒng)的開關(guān)機(jī)車原動(dòng)機(jī)是功率介于1到2 MW之間的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)為牽引電機(jī)和機(jī)車輔助系統(tǒng)供電的交流發(fā)電機(jī)。這些傳統(tǒng)的開關(guān)機(jī)車需要一個(gè)高功率的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一般耗油量大，且尾氣排放較多。之后開關(guān)機(jī)車便轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力設(shè)計(jì)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的體積減小了，且電池可儲(chǔ)存高功率瞬變所需的能量，整體排放以及燃料消耗也相應(yīng)減少了。
然而，城市柴油微粒污染的主要來源之一仍是鐵路站場的柴油動(dòng)力機(jī)車。為了減少這種污染，北美一家公私合營機(jī)構(gòu)針對(duì)城市軌道交通設(shè)計(jì)了一個(gè)燃料電池混合動(dòng)力開關(guān)機(jī)車的原型，并采用一個(gè)250 kW的凈燃料電池動(dòng)力裝置取代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這是世界上最大的燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車。
美國科羅拉多州丹佛市的Vehicle Projects LLC采用CompactRIO嵌入式控制器與LabVIEW圖形化設(shè)計(jì)軟件來設(shè)計(jì)用于燃料電池的控制系統(tǒng)。我們的目標(biāo)是減少城市軌道交通（包括與港口相關(guān)的調(diào)車場）的空氣污染以及提供軍事基地電網(wǎng)發(fā)生故障或民用救災(zāi)行動(dòng)時(shí)重要基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)備用電源。
燃料電池和混合動(dòng)力列車
燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。電池通過氫燃料和氧化物的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和水，這是電解水的逆過程。雖然燃料電池的工作原理與電池相同，但不同的是燃料電池的電化學(xué)活性材料——氫燃料和氧化物是存儲(chǔ)在外部，由外部向設(shè)備連續(xù)不斷地供給，而非存儲(chǔ)在電極中。燃料電池可以像發(fā)動(dòng)機(jī)一樣定期補(bǔ)充燃料，而不是充電。與電池相同的是每個(gè)燃料電池以“堆棧”方式組合在一起 ，以提供所需的電壓或功率。
燃料電池混合動(dòng)力列車采用了一個(gè)燃料電池原動(dòng)機(jī)以及一個(gè)輔助電力/能源存儲(chǔ)裝置，以在工作周期內(nèi)為車輛提供功率峰值并在制動(dòng)過程中恢復(fù)動(dòng)能或勢能。對(duì)于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，原動(dòng)機(jī)的連續(xù)有效功率必須等于或超過工作周期的平均功率。初步研究顯示，混合開關(guān)動(dòng)力機(jī)車可以降低資本投入和日常運(yùn)營成本。
使用CompactRIO設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)
我們在開發(fā)大型氫燃料電池機(jī)車時(shí)面臨著若干個(gè)設(shè)計(jì)和集成方面的挑戰(zhàn)，包括重量、包裝及安全等因素。惡劣的工作條件，特別是耦合到機(jī)車時(shí)產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷，需要組件系統(tǒng)具有高度的堅(jiān)固耐用性。此外，燃料電池控制系統(tǒng)需要與現(xiàn)有商用車控制器進(jìn)行通信，以解讀操作人員的需求，然后調(diào)整燃料電池動(dòng)力裝置的參數(shù)以滿足電力需求。 CompactRIO嵌入式控制器提供了理想的組成結(jié)構(gòu)來滿足所有這些要求，同時(shí)提供了符合應(yīng)用需求的I / O組合。可編程自動(dòng)化控制器(PAC)可管理和執(zhí)行所有動(dòng)力裝置的功能，并可持續(xù)監(jiān)測氫儲(chǔ)存和燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的性能和安全性。
基于LabVIEW的軟件架構(gòu)
運(yùn)行LabVIEW Real-Time和LabVIEW FPGA模塊的CompactRIO嵌入式控制器負(fù)責(zé)控制燃料電池動(dòng)力裝置的運(yùn)行。用戶通過安裝在機(jī)車駕駛室的觸摸面板監(jiān)視控制系統(tǒng)。控制應(yīng)用程序由互相通信的模塊化控制算法VI和使用基于標(biāo)簽的架構(gòu)的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) I/O系統(tǒng)組成，使我們可以根據(jù)LabVIEW應(yīng)用程序分配的名稱引用每個(gè)I / O點(diǎn)。每個(gè)標(biāo)簽都包含與其相關(guān)的屬性，包括報(bào)警限值、單位換算（從電壓轉(zhuǎn)換為工程單位）以及事件（比如用戶需要將標(biāo)簽記錄到磁盤中）。我們在基于PAC的系統(tǒng)中開發(fā)了一個(gè)可編程邏輯控制器(PLC)。
借助LabVIEW和CompactRIO開發(fā)完美的控制平臺(tái)
我們選擇LabVIEW和CompactRIO是因?yàn)榧闪诵盘?hào)調(diào)理功能的NI C系列模塊可幫助我們快速監(jiān)測各種I/O點(diǎn)，同時(shí)也可連接到流量計(jì)和壓力傳感器等各種專用傳感器。
此外，我們還能夠以非?？斓难h(huán)速率執(zhí)行比例積分微分控制之外的復(fù)雜控制算法。其中一些控制算法包含我們用LabVIEW開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，這是PLC平臺(tái)等靈活性較低的開發(fā)環(huán)境無法實(shí)現(xiàn)的。而且，由于部分控制算法可放置在FPGA中執(zhí)行，從而達(dá)到了我們所需的快速循環(huán)速率。
作者信息:
Tim Erickson
Vehicle Projects LLC
621 17th Street, Suite 2131
Denver, CO 80293
Tel: (303) 296-4218
