Amine工廠(chǎng)和Solix Biofuels工廠(chǎng)鳥(niǎo)瞰圖

　　The Challenge:

　　開(kāi)發(fā)一個(gè)數據采集系統和控制平臺，用于Solix藻類(lèi)生長(cháng)系統（AGSTM）的工業(yè)部署，需要既靈活方便，又堅固耐用。

　　The Solution:

　　使用NI Compact FieldPoint和LabVIEW的集成平臺，監測、控制處理系統，管理數據記錄；同時(shí)采用LabVIEW數據日志與監控（DSC）模塊及NI DIAdem數據管理軟件，存儲、處理數據，進(jìn)行深入、詳細的分析。

　　"NI公司提供的產(chǎn)品、工具及持續的技術(shù)支持，可幫助我們快速開(kāi)發(fā)、部署藻類(lèi)生長(cháng)所需技術(shù)，用來(lái)進(jìn)行燃料生產(chǎn)。"

　　背景：藻類(lèi)生物燃料生產(chǎn)

　　如今，全球對于有限的、不可再生的石油能源的過(guò)度依賴(lài)使人類(lèi)現在面臨諸多環(huán)境及能源的挑戰。同時(shí)，交通燃料的使用也構成了全球變暖的主要因素：在美國，超過(guò)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(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟上切實(shí)可行、并可大規模推廣的替代燃料，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化為碳氫化合物，產(chǎn)生化學(xué)能量并進(jìn)行存儲。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問(wèn)題，又解決了全球變暖問(wèn)題。

　　生物燃料可以從任何生物碳來(lái)源中生產(chǎn)，在美國及世界各地，已有多種農作物正在用于生物燃料的生產(chǎn)。這些農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(cháng)通常需要良好的農地，這就增加了對農田的整體要求。而且，農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(lèi)生物燃料產(chǎn)品的優(yōu)勢

　　藻類(lèi)的生長(cháng)周期比傳統的糧食作物要快50至100倍，因而生產(chǎn)藻類(lèi)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(lèi)是單細胞有機體，不需要淡水資源或生長(cháng)土壤。藻類(lèi)可以生長(cháng)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，美國能源部（DOE）啟動(dòng)了水生物種計劃，研究藻類(lèi)能源和生物柴油的生產(chǎn)。但是由于原油價(jià)格在90年代中期持續下跌，而能源部的目的旨在削減成本，該計劃于1996年終止。雖然該研究表明藻類(lèi)生物能夠達到預期的生產(chǎn)產(chǎn)量，但研究人員同樣得出結論：該解決方案只有在油價(jià)翻番的情況下才能體現出成本效益。

　　在2006年，隨著(zhù)油價(jià)較10年前增長(cháng)了近三倍且仍保持增長(cháng)勢頭，以及對溫室氣體排放的日益關(guān)注，將藻類(lèi)當作一種新能源來(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)機與能量轉換實(shí)驗室（EECL）主要進(jìn)行技術(shù)性與企業(yè)解決方案開(kāi)發(fā)，以應對能源與環(huán)境的挑戰。EECL與認同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)濟的藻類(lèi)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(lèi)生長(cháng)系統（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(chǎng)。

　　Solix的前景

　　藻類(lèi)可通過(guò)兩種方式進(jìn)行培育——開(kāi)放的水塘系統（無(wú)論是自然形成還是人工制造）或人工制造的封閉系統。藻類(lèi)必須耐寒，并在其生長(cháng)的環(huán)境條件不易控制的開(kāi)放水塘系統中能抵御其他競爭者。在沒(méi)有控制的條件下，維持特定需要的藻類(lèi)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(zhuān)注于開(kāi)發(fā)封閉培育系統。封閉培育系統除了可以進(jìn)行指定目標物種的培育外，還可以以工業(yè)過(guò)程的方式直接為藻類(lèi)提供高濃度的二氧化碳，并且整個(gè)過(guò)程可以控制，從而調節培育環(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。在過(guò)去的三年中，我們不斷地改善我們的技術(shù)，擴大藻類(lèi)的培育面積。2009年7月，我們在Coyote Gulch示范工廠(chǎng)開(kāi)始試運行生物燃料生產(chǎn)用大型培育系統。

　　Solix自動(dòng)化系統的挑戰

　　我們的AGS自動(dòng)化系統所面臨的挑戰在于數據采集及控制的開(kāi)發(fā)，以用來(lái)管理、控制培育過(guò)程。我們需要一個(gè)單獨的技術(shù)平臺支持研發(fā)試驗及產(chǎn)業(yè)化運行，加速這項新技術(shù)從實(shí)驗室到示范工廠(chǎng)的轉化。出于研發(fā)考慮，平臺必須靈活方便，以方便工程師和科學(xué)家在實(shí)驗室的單獨測試系統進(jìn)行試驗?？墒褂枚喾N化學(xué)、物理傳感器及流量驅動(dòng)器。出于工業(yè)環(huán)境中的工廠(chǎng)運行考慮，平臺必須穩定、可靠、簡(jiǎn)單，同時(shí)必須可與工業(yè)規模的儀器儀表及控制進(jìn)行連接。此外，所有數據都必須存儲在一個(gè)中央資料庫中，并以多種直觀(guān)、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(lèi)生物燃料生產(chǎn)面臨的挑戰

　　我們使用LabVIEW開(kāi)發(fā)了AGS的整個(gè)監測控制及數據采集（SCADA）系統，包括操作員的用戶(hù)界面，以及用于監測控制藻類(lèi)培育過(guò)程的數據日志及Compact FieldPoint 代碼。

　　我們的試驗工廠(chǎng)擁有AGS氣流和液流輸送、藻類(lèi)培育、采收、加工成品（如燃料原料）等一系列系統。開(kāi)發(fā)控制解決方案時(shí)，我們有幾種可能的設計選擇，包括設計一個(gè)大型分布式控制系統（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），因為我們需要將仿真器、控制器、SCADA及網(wǎng)絡(luò )報告集成至一個(gè)單獨的軟件解決方案。使用NI公司的產(chǎn)品后，我們既擁有了一個(gè)可自定義的測量和分析系統，又同時(shí)具備DCS的功能，為我們提供了極大的便利。

　　Compact FieldPoint系統從傳感器收集所有需要的輸入數據，并執行專(zhuān)有的控制算法，為藻類(lèi)生長(cháng)提供必須的營(yíng)養物質(zhì)。此外， LabVIEW圖形界面還可顯示關(guān)鍵過(guò)程參數，設備操作人員可定期進(jìn)行監控，了解工廠(chǎng)的運行狀況。數據將自動(dòng)保存在LabVIEW DSC模塊數據庫中，方便進(jìn)行后期檢索和處理。如果關(guān)鍵參數的數值超過(guò)安全范圍，就會(huì )通過(guò)本地報警系統、操作員界面和手機短信或傳呼機的方式通知操作員。

　　使用LabVIEW，我們可以收集針對不同藻類(lèi)的各種小型、大型過(guò)程試驗的數據，并對它們在不同氣候環(huán)境下的反應進(jìn)行歸類(lèi)總結。除了控制藻類(lèi)生物燃料生產(chǎn)過(guò)程，LabVIEW和NI硬件還可記錄每次試驗的一系列測量值，為我們的研究人員和控制工程師提供有價(jià)值的數據。然后我們使用DIAdem進(jìn)行后期數據分析。在研究中使用此反饋數據，可幫助我們確定在特定條件下AGS需要的二氧化碳的等級和其他營(yíng)養成分，實(shí)現最優(yōu)生產(chǎn)。

　　擴展數據采集及控制系統

　　在Coyote Gulch示范工廠(chǎng)，我們目前用于監測、控制AGS系統的是Compact FieldPoint?，F在，工廠(chǎng)部署將要擴展到更大的區域，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。我們計劃過(guò)渡到較低成本的設備，考慮使用NI RIO與NI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）平臺。在未來(lái)，我們可將這些產(chǎn)品與現有的NI軟硬件組件集成系統相結合，可能會(huì )更加滿(mǎn)足我們的需求。

　　藻類(lèi)生物燃料有望從根本上解決能源問(wèn)題，并在解決溫室氣體排放上發(fā)揮主導作用。NI提供的產(chǎn)品、工具及持續的技術(shù)支持，幫助我們能夠快速開(kāi)發(fā)、部署藻類(lèi)生長(cháng)技術(shù)，進(jìn)行燃料生產(chǎn)。隨著(zhù)我們的系統部署不斷擴大規模，我們亦希望與NI的戰略合作伙伴關(guān)系能夠繼續為我們的擴大提供支持。