NI技術(shù)市場(chǎng)工程師   湯敏

    概述

    在資源緊張、溫室效應日趨嚴重的今天，能源與環(huán)境一直以來(lái)都是人們目光關(guān)注的焦點(diǎn)，也是全世界共同面臨的有史以來(lái)最嚴峻的科技與社會(huì )挑戰。各國政府，包括發(fā)達國家和發(fā)展中國家都紛紛出臺了相應法規和節能減排的約束性指標，各大主流媒體和廠(chǎng)商也大大提高了對“綠色”的強調力度——這些越來(lái)越多的關(guān)注帶來(lái)了新的課題和需求。為了滿(mǎn)足這些新出現的需求，工程師們需要‘量化問(wèn)題’，并進(jìn)而‘解決問(wèn)題’，綠色工程正是通過(guò)創(chuàng )新的圖形化開(kāi)發(fā)平臺，為工程師們提供了測量、自動(dòng)化以及設計工具，從而構建節約能源、保護環(huán)境的綠色應用。

    綠色工程 —— 量化問(wèn)題，解決問(wèn)題

    1983年以來(lái)我國能源加工轉換效率一直徘徊在70％左右，導致能源消耗高、環(huán)境污染重。國家“十一五”規劃提出了節能降耗和污染減排目標，并作為約束性指標。綠色工程的目的就是降低產(chǎn)品的排污量，開(kāi)發(fā)消耗更少能源的設備，創(chuàng )造可行的再生能源技術(shù)。

    本質(zhì)上進(jìn)行綠色工程與進(jìn)行任何其他類(lèi)型的工程創(chuàng )新并沒(méi)有任何不同。首先，需要測量所關(guān)心的參數，例如功率品質(zhì)和功率消耗；車(chē)輛以及工廠(chǎng)的排污量，例如水銀和氮氧化物等；環(huán)境數據，包括二氧化碳、溫度以及水質(zhì)。這不僅是一個(gè)數據獲取和過(guò)程分析的過(guò)程，也是促使人們改變行為方式的契機。

    “我們發(fā)現對于能源和溫室氣體, 一旦你開(kāi)始測量具體的數據，人們就會(huì )減少使用,” “測量不僅僅是簡(jiǎn)單的任務(wù), 一旦公司有一個(gè)合適的基準，他們就會(huì )開(kāi)始考慮改變(使用能源的方式)”

    Linda Fisher, the chief sustainability officer at DuPont

    Excerpt from “A Change in Climate”, published in the January 2008 issue of the Economist

    通過(guò)‘量化問(wèn)題’的過(guò)程，工程師們可以從數萬(wàn)個(gè)可靠測量系統獲取前所未有的大量可靠精確數據，從而在此基礎上對產(chǎn)品和過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng )建更高效的技術(shù)與流程，設計并開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品和技術(shù)以‘解決問(wèn)題’，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟上的利益。

    來(lái)看一個(gè)更為具體的例子。世界最大的鋼鐵公司之一、美國最大的鋼鐵回收公司Nucor Steel在新近收購的小型鋼鐵廠(chǎng)增加了自動(dòng)化系統，以便提高效率和安全性。工程師使用LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)軟件和NI硬件開(kāi)發(fā)了天平與稱(chēng)重系統，測量鋼鐵的精確重量，以得出電力加熱爐鑄鐵所需能量的精確值。在開(kāi)發(fā)此系統之前，鋼鐵在每個(gè)熔爐的重量是估計得到的，時(shí)常產(chǎn)生偏差導致過(guò)度加熱鋼鐵，不僅在過(guò)程中浪費了電力，還導致新鑄鋼鐵質(zhì)量不合格，且不合格鋼鐵的重鑄還需要消耗大量能量、花費大量資金。這是一個(gè)典型的‘量化問(wèn)題’‘解決問(wèn)題’的綠色案例，借助此稱(chēng)重系統，Nucor將需要重鑄鋼材總批次數從6000多(2006年)減少到僅10個(gè)批次(2007年)。不僅極大的降低了電力消耗從而節約生產(chǎn)成本，也為環(huán)境治理做出了不小的貢獻。
綠色工程技術(shù)

    幾十年以來(lái)，科學(xué)家和工程師一直為世界上一些共同的挑戰而不斷創(chuàng )新，尋求可能的解決方案?；仡櫧?0年來(lái)的發(fā)展，如圖1所示，在很多深受關(guān)注的領(lǐng)域都取得了巨大的突破和進(jìn)展，2004年開(kāi)始越來(lái)越多的學(xué)者們把注意力放在了和環(huán)境相關(guān)的課題上，包括開(kāi)發(fā)新的清潔能源利用方式、提高現有產(chǎn)品的能源效率、以及環(huán)境和氣候變化的研究。
 
    這些綠色工程相關(guān)的課題所需要的技術(shù)及其廣泛，從測試測量、工業(yè)自動(dòng)化控制到嵌入式系統。比如前文提到的Nucor Steel綠色案例就涉及到如下一些重要技術(shù)：

    用于測量和解決問(wèn)題的圖形化軟件

    高速及高分辨率測量技術(shù)

    領(lǐng)域專(zhuān)用的分析和處理函數庫

    用于高級控制的FPGA
 
   上述技術(shù)中的一部分是隨著(zhù)半導體行業(yè)的發(fā)展而出現的——半導體的發(fā)展為模數轉換器（ADC）的功能帶來(lái)了重大改進(jìn)，相應的也為高速及高分辨率測量技術(shù)帶來(lái)了新的發(fā)展。其他的一些技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但是通過(guò)對設計和工程工具進(jìn)行改進(jìn)，領(lǐng)域專(zhuān)家也能夠比較方便的直接使用這些技術(shù)，而無(wú)需依賴(lài)于相應的技術(shù)人員。這種方式將必須的技術(shù)直接交給了最接近問(wèn)題本身的人們，因此相比過(guò)去，他們能夠更成功地開(kāi)發(fā)各種解決方案。

    通過(guò)NI圖形化平臺構建綠色應用及客戶(hù)案例分析

    綠色工程的應用涵蓋幾乎各個(gè)行業(yè)，盡管對這些綠色工程的應用有許多分類(lèi)方法，大部分應用可以歸入以下五個(gè)類(lèi)別：

    1、可再生能源發(fā)電

    2、功率品質(zhì)

    3、環(huán)境監測

    4、機器與過(guò)程優(yōu)化

    5、綠色產(chǎn)品與技術(shù)的開(kāi)發(fā)和測試

    下面的例子展示了綠色工程在可再生能源發(fā)電以及環(huán)境監測中的應用。
 
    可再生能源發(fā)電

    可再生能源發(fā)電涵蓋了很多方面技術(shù)，包括風(fēng)能、太陽(yáng)能（光伏發(fā)電與熱能發(fā)電）、生物燃料、水能、潮汐能、地熱甚至還包括高能物理。在環(huán)境適應目標和不斷加強的政府法規的驅使下，這些領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)在全世界發(fā)展地很快?，F在，超過(guò)50個(gè)不同政治、地理和經(jīng)濟條件的國家都在可再生資源進(jìn)行發(fā)電中設置了較高的目標（見(jiàn)表1）。

表1  政府為可再生能源所設置的目標

    風(fēng)力發(fā)電以40%的比率，在全球可再生能源（不包括大型水電）的利用中高居榜首。此外，根據預期：風(fēng)力發(fā)電機的裝機容量將繼續以每年25%至30%的速率遞增。2007年，風(fēng)力發(fā)電總瓦數已逾90 GW。風(fēng)電機組的各項開(kāi)發(fā)和工程應用十分復雜，涉及結構分析、機器狀態(tài)監控、電能質(zhì)量與性能監控、環(huán)境監控與現場(chǎng)測試、汽輪機控制、測功機和性能測試等各個(gè)領(lǐng)域。其中最大的挑戰之一是開(kāi)發(fā)精確的控制系統降低強風(fēng)對風(fēng)電機產(chǎn)生的破壞。工程師必須利用復雜的算法控制來(lái)控制風(fēng)電機, 當風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí),能調節系統的轉速來(lái)實(shí)現風(fēng)能的最佳利用, 當風(fēng)速在大于額定風(fēng)速時(shí), 能通過(guò)調節葉片的漿距角來(lái)使系統維持在恒定的轉速。NI LabVIEW實(shí)時(shí)軟件以及PXI硬件是對這些算法進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)、測試其可靠性以及驗證其性能的關(guān)鍵組件。此外，為了滿(mǎn)足更大發(fā)電量的需求，需要安裝更大尺寸高達350英尺的葉片, 風(fēng)電工程師必須根據結構和空氣動(dòng)力學(xué)對葉片進(jìn)行更為復雜的設計。

    太陽(yáng)能制造商希望降低太陽(yáng)能電池的材料成本并且提高其工作效率。他們需要更簡(jiǎn)單、更快捷的方法對設備光伏輸出性能進(jìn)行測試，對半導體封裝過(guò)程進(jìn)行細致和精確的控制，以及對太陽(yáng)能電池陣列并網(wǎng)進(jìn)行精確的功率品質(zhì)測量。

    風(fēng)能和太陽(yáng)能應用的要求雖然并不能代表所有應用的需求，但是它們能夠大致反應出所有開(kāi)發(fā)可再生能源應用的工程師為了尋求測量和設計下一代技術(shù)更好方法的需求。

    環(huán)境監測

    聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )（IPCC）2007年的評估報告聲明隨著(zhù)全球氣溫與海洋溫度的上升趨勢，大面積冰雪的熔化擴散以及海洋水位的上升等證據的出現，全球變暖是十分明顯的。通常認為在氣候變暖中的一個(gè)主要因素是大氣中溫室氣體的增加。

    控制和降低溫室氣體排放的措施在不斷實(shí)施中。1997年，京都協(xié)定書(shū)指定了在2012年之前將溫室氣體（GHG）排放減少到低于1990年水準的藍圖。

    精確跟蹤并監督GHG的實(shí)際排放是京都協(xié)定書(shū)的核心，如果不可能直接測量實(shí)際GHG排放，使用基于活動(dòng)的功率消耗來(lái)替代測量和計算也是很有效的方法。不管在哪種情況中，實(shí)測數據的可用性和可靠性都隨著(zhù)越來(lái)越多制度的實(shí)施和經(jīng)濟影響的產(chǎn)生而變得越來(lái)越重要。 
 
    理解氣候和碳

    隨著(zhù)政府和工業(yè)界在努力減少GHG的排放，科學(xué)界也在不斷努力以求更完全地理解世界氣候、碳交換機理、生態(tài)互動(dòng)以及全球變暖的影響，并對它們進(jìn)行建模。像這些復雜、混沌的系統需要十分精細的模型和仿真、大量超級計算機資源以及盡可能精確的基準數據。

    舉例而言，嵌入式網(wǎng)絡(luò )傳感中心（CENS）的研究員正在使用NI CompactRIO硬件平臺研究多種生態(tài)系統中碳的動(dòng)態(tài)交換過(guò)程。CO2的特性之一是它會(huì )增強溫室效應，因為它能夠吸收紅外（IR）區域的光線(xiàn)。這種特性可以利用在包含紅外光源、光學(xué)濾波器和紅外探測器的光譜傳感器上。將濾波器調節到被CO2所吸收的紅外線(xiàn)波長(cháng)，紅外探測器輸出就與CO2濃度成比例。研究員能夠方便地將這個(gè)傳感器的模擬輸出連接到例如CompactRIO等數據采集系統的電壓輸入或4至20 mA電流輸入。此外，許多如CO2探測器等環(huán)境傳感器具有SDI-12串行數據接口，利用這個(gè)接口可以把傳感器通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)易適配器連接到CompactRIO上。將CO2濃度的數據與氣體流速的測量結果結合在一起，研究員就可以計算在森林頂蓋之間與其上方實(shí)際CO2的流量。其他CompactRIO系統測量在土壤表面下多個(gè)位置的CO2濃度和濕度，以便找出CO2的源頭。CompactRIO系統的分組使用了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，從而可以同時(shí)采集并記錄來(lái)自多個(gè)采樣點(diǎn)的數據，對正在研究的區域進(jìn)行特征提取，將數據通過(guò)蜂窩(cell)節點(diǎn)或無(wú)線(xiàn)鏈路周期性地傳送到中心在線(xiàn)數據庫。
 
    CompactRIO監測系統是作為原型系統所開(kāi)發(fā)的，用于美國國家生態(tài)觀(guān)測站網(wǎng)絡(luò )（NEON），它是由美國國家自然基金會(huì )（NSF）所支持的洲際研究平臺。橫跨大洲的NEON工作站將會(huì )使用此系統測量在森林、土壤、大氣之間的CO2以及其他氣體的交換，以及植物、土壤、水體的物理、化學(xué)和微生物特性。數據將傳送到中央處理中心，并且與世界其他地區的科學(xué)家進(jìn)行共享。目前，CompactRIO監測系統正在哥斯達黎加的La Selva生物站持續工作， CompactRIO系統還被發(fā)布在加州的James San Jacinto和Stunt Ranch Santa Monica山脈保護站中。

    總結

    隨著(zhù)社會(huì )的環(huán)境和能源挑戰變化越來(lái)越嚴峻，我們比過(guò)去更加需要具備專(zhuān)業(yè)技能的創(chuàng )新工程師和科學(xué)家對世界進(jìn)行變革和改進(jìn)。綠色工程利用測量和控制技術(shù)對產(chǎn)品、技術(shù)和過(guò)程進(jìn)行設計、開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，通過(guò)‘量化問(wèn)題’‘解決問(wèn)題’構建綠色應用，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟上的利益。