使用NI PAC和LabVIEW软件控制藻类生物燃料的生产

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:
      开发一个数据采集系统和控制平台，用于Solix藻类生长系统（AGSTM）的工业部署，需要既灵活方便，又坚固耐用。

The Solution:
   使用NI Compact FieldPoint和LabVIEW的集成平台，监测、控制处理系统，管理数据记录；同时采用LabVIEW数据日志与监控（DSC）模块及NI DIAdem数据管理软件，存储、处理数据，进行深入、详细的分析。

背景：藻类生物燃料生产

   如今，全球对于有限的、不可再生的石油能源的过度依赖使人类现在面临诸多环境及能源的挑战。同时，交通燃料的使用也构成了全球变暖的主要因素：在美国，超过30%的二氧化碳排放就来自于用于交通的石油燃料的燃烧。[1] 全世界正致力于开发一种经济上切实可行、并可大规模推广的替代燃料，并减少大气中二氧化碳的净排放。

  生物燃料即可作为石油燃料的一种替代品，而且也可以减少二氧化碳的总排放量。从定义上讲，生物燃料是指用新近死亡的生物材料生成的固体、液体或气体燃料。对于光合生物而言（例如玉米或大豆），它们使用阳光能量将二氧化碳转化为碳氢化合物，产生化学能量并进行存储。在消耗二氧化碳的同时生产了燃料，这样既解决了燃料供应问题，又解决了全球变暖问题。

   生物燃料可以从任何生物碳来源中生产，在美国及世界各地，已有多种农作物正在用于生物燃料的生产。这些农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榈。但是，这些植物的生长通常需要良好的农地，这就增加了对农田的整体要求。而且，农作物生物燃料的生产，也会消耗其他如灌溉用水及施肥用石油等资源。

使用藻类生物燃料产品的优势

    藻类的生长周期比传统的粮食作物要快50至100倍，因而生产藻类生物燃料有可能成为一个可推广的、最终能够取代石油燃料的替代能源解决方案。此外，藻类是单细胞有机体，不需要淡水资源或生长土壤。藻类可以生长在非饮用水和盐水源的悬浮水域中。在不适宜粮食作物生产的区域培育水藻，则更多的土地和水资源就可用来进行粮食生产。

   1978年，美国能源部（DOE）启动了水生物种计划，研究藻类能源和生物柴油的生产。但是由于原油价格在90年代中期持续下跌，而能源部的目的旨在削减成本，该计划于1996年终止。虽然该研究表明藻类生物能够达到预期的生产产量，但研究人员同样得出结论：该解决方案只有在油价翻番的情况下才能体现出成本效益。

    在2006年，随着油价较10年前增长了近三倍且仍保持增长势头，以及对温室气体排放的日益关注，将藻类当作一种新能源来源进行重新审视的时刻终于来临。Colorado州立大学的发动机与能量转换实验室（EECL）主要进行技术性与企业解决方案开发，以应对能源与环境的挑战。EECL与认同DOE研究潜力的企业家共同合作，创立了Solix Biofuels，以提供可推广、经济的藻类生物燃料生产技术为宗旨。自创立三年以来，Solix Biofuels已经完善了多代藻类生长系统（AGS）技术，目前这些技术正用于科罗拉多州西南的 Coyote Gulch示范工厂。

Solix的前景

    藻类可通过两种方式进行培育——开放的水塘系统（无论是自然形成还是人工制造）或人工制造的封闭系统。藻类必须耐寒，并在其生长的环境条件不易控制的开放水塘系统中能抵御其他竞争者。在没有控制的条件下，维持特定需要的藻类物种或以最优速度培育生物量或燃料产品非常困难。因此，我们专注于开发封闭培育系统。封闭培育系统除了可以进行指定目标物种的培育外，还可以以工业过程的方式直接为藻类提供高浓度的二氧化碳，并且整个过程可以控制，从而调节培育环境，并最大程度地增加捕获二氧化碳的量。2006年8月，我们部署了AGS第一个原型封闭系统。在过去的三年中，我们不断地改善我们的技术，扩大藻类的培育面积。2009年7月，我们在Coyote Gulch示范工厂开始试运行生物燃料生产用大型培育系统。

Solix自动化系统的挑战

    我们的AGS自动化系统所面临的挑战在于数据采集及控制的开发，以用来管理、控制培育过程。我们需要一个单独的技术平台支持研发试验及产业化运行，加速这项新技术从实验室到示范工厂的转化。出于研发考虑，平台必须灵活方便，以方便工程师和科学家在实验室的单独测试系统进行试验。可使用多种化学、物理传感器及流量驱动器。出于工业环境中的工厂运行考虑，平台必须稳定、可靠、简单，同时必须可与工业规模的仪器仪表及控制进行连接。此外，所有数据都必须存储在一个中央资料库中，并以多种直观、有用的格式加以显示，提供给经理、操作员、研发人员等所有相关人员。

使用NI产品解决藻类生物燃料生产面临的挑战

    我们使用LabVIEW开发了AGS的整个监测控制及数据采集（SCADA）系统，包括操作员的用户界面，以及用于监测控制藻类培育过程的数据日志及Compact FieldPoint 代码。

    我们的试验工厂拥有AGS气流和液流输送、藻类培育、采收、加工成品（如燃料原料）等一系列系统。开发控制解决方案时，我们有几种可能的设计选择，包括设计一个大型分布式控制系统（DCS）或使用低端可编程逻辑控制器（PLC）。我们选择了LabVIEW和NI公司的可编程自动控制器（PAC），因为我们需要将仿真器、控制器、SCADA及网络报告集成至一个单独的软件解决方案。使用NI公司的产品后，我们既拥有了一个可自定义的测量和分析系统，又同时具备DCS的功能，为我们提供了极大的便利。

      Compact FieldPoint系统从传感器收集所有需要的输入数据，并执行专有的控制算法，为藻类生长提供必须的营养物质。此外， LabVIEW图形界面还可显示关键过程参数，设备操作人员可定期进行监控，了解工厂的运行状况。数据将自动保存在LabVIEW DSC模块数据库中，方便进行后期检索和处理。如果关键参数的数值超过安全范围，就会通过本地报警系统、操作员界面和手机短信或传呼机的方式通知操作员。

     使用LabVIEW，我们可以收集针对不同藻类的各种小型、大型过程试验的数据，并对它们在不同气候环境下的反应进行归类总结。除了控制藻类生物燃料生产过程，LabVIEW和NI硬件还可记录每次试验的一系列测量值，为我们的研究人员和控制工程师提供有价值的数据。然后我们使用DIAdem进行后期数据分析。在研究中使用此反馈数据，可帮助我们确定在特定条件下AGS需要的二氧化碳的等级和其他营养成分，实现最优生产。

扩展数据采集及控制系统

    在Coyote Gulch示范工厂，我们目前用于监测、控制AGS系统的是Compact FieldPoint。现在，工厂部署将要扩展到更大的区域，因此我们必须大幅降低每个控制点的成本，这就要求我们研究可替代的控制解决方案。我们计划过渡到较低成本的设备，考虑使用NI RIO与NI无线传感器网络（WSN）平台。在未来，我们可将这些产品与现有的NI软硬件组件集成系统相结合，可能会更加满足我们的需求。

   藻类生物燃料有望从根本上解决能源问题，并在解决温室气体排放上发挥主导作用。NI提供的产品、工具及持续的技术支持，帮助我们能够快速开发、部署藻类生长技术，进行燃料生产。随着我们的系统部署不断扩大规模，我们亦希望与NI的战略合作伙伴关系能够继续为我们的扩大提供支持。