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:
開發一個數據采集系統和控制平臺，用于Solix藻類生長系統（AGSTM）的工業部署，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，進行深入、詳細的分析。
背景：藻類生物燃料生產
如今，全球對于有限的、不可再生的石油能源的過度依賴使人類現在面臨諸多環境及能源的挑戰。同時，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30%的二氧化碳排放就來自于用于交通的石油燃料的燃燒。[1] 全世界正致力于開發一種經濟上切實可行、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），它們使用陽光能量將二氧化碳轉化為碳氫化合物，產生化學能量并進行存儲。在消耗二氧化碳的同時生產了燃料，這樣既解決了燃料供應問題，又解決了全球變暖問題。
生物燃料可以從任何生物碳來源中生產，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。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，也會消耗其他如灌溉用水及施肥用石油等資源。
使用藻類生物燃料產品的優勢
藻類的生長周期比傳統的糧食作物要快50至100倍，因而生產藻類生物燃料有可能成為一個可推廣的、最終能夠取代石油燃料的替代能源解決方案。此外，藻類是單細胞有機體，不需要淡水資源或生長土壤。藻類可以生長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的區域培育水藻，則更多的土地和水資源就可用來進行糧食生產。
1978年，美國能源部（DOE）啟動了水生物種計劃，研究藻類能源和生物柴油的生產。但是由于原油價格在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生物能夠達到預期的生產產量，但研究人員同樣得出結論：該解決方案只有在油價翻番的情況下才能體現出成本效益。
在2006年，隨著油價較10年前增長了近三倍且仍保持增長勢頭，以及對溫室氣體排放的日益關注，將藻類當作一種新能源來源進行重新審視的時刻終于來臨。Colorado州立大學的發動機與能量轉換實驗室（EECL）主要進行技術性與企業解決方案開發，以應對能源與環境的挑戰。EECL與認同DOE研究潛力的企業家共同合作，創立了Solix Biofuels，以提供可推廣、經濟的藻類生物燃料生產技術為宗旨。自創立三年以來，Solix Biofuels已經完善了多代藻類生長系統（AGS）技術，目前這些技術正用于科羅拉多州西南的 Coyote Gulch示范工廠。
Solix的前景
藻類可通過兩種方式進行培育——開放的水塘系統（無論是自然形成還是人工制造）或人工制造的封閉系統。藻類必須耐寒，并在其生長的環境條件不易控制的開放水塘系統中能抵御其他競爭者。在沒有控制的條件下，維持特定需要的藻類物種或以最優速度培育生物量或燃料產品非常困難。因此，我們專注于開發封閉培育系統。封閉培育系統除了可以進行指定目標物種的培育外，還可以以工業過程的方式直接為藻類提供高濃度的二氧化碳，并且整個過程可以控制，從而調節培育環境，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第一個原型封閉系統。在過去的三年中，我們不斷地改善我們的技術，擴大藻類的培育面積。2009年7月，我們在Coyote Gulch示范工廠開始試運行生物燃料生產用大型培育系統。[next]
Solix自動化系統的挑戰
我們的AGS自動化系統所面臨的挑戰在于數據采集及控制的開發，以用來管理、控制培育過程。我們需要一個單獨的技術平臺支持研發試驗及產業化運行，加速這項新技術從實驗室到示范工廠的轉化。出于研發考慮，平臺必須靈活方便，以方便工程師和科學家在實驗室的單獨測試系統進行試驗。可使用多種化學、物理傳感器及流量驅動器。出于工業環境中的工廠運行考慮，平臺必須穩定、可靠、簡單，同時必須可與工業規模的儀器儀表及控制進行連接。此外，所有數據都必須存儲在一個中央資料庫中，并以多種直觀、有用的格式加以顯示，提供給經理、操作員、研發人員等所有相關人員。
使用NI產品解決藻類生物燃料生產面臨的挑戰
我們使用LabVIEW開發了AGS的整個監測控制及數據采集（SCADA）系統，包括操作員的用戶界面，以及用于監測控制藻類培育過程的數據日志及Compact FieldPoint 代碼。
我們的試驗工廠擁有AGS氣流和液流輸送、藻類培育、采收、加工成品（如燃料原料）等一系列系統。開發控制解決方案時，我們有幾種可能的設計選擇，包括設計一個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公司的可編程自動控制器（PAC），因為我們需要將仿真器、控制器、SCADA及網絡報告集成至一個單獨的軟件解決方案。使用NI公司的產品后，我們既擁有了一個可自定義的測量和分析系統，又同時具備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，并執行專有的控制算法，為藻類生長提供必須的營養物質。此外， LabVIEW圖形界面還可顯示關鍵過程參數，設備操作人員可定期進行監控，了解工廠的運行狀況。數據將自動保存在LabVIEW DSC模塊數據庫中，方便進行后期檢索和處理。如果關鍵參數的數值超過安全范圍，就會通過本地報警系統、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的各種小型、大型過程試驗的數據，并對它們在不同氣候環境下的反應進行歸類總結。除了控制藻類生物燃料生產過程，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值的數據。然后我們使用DIAdem進行后期數據分析。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養成分，實現最優生產。
擴展數據采集及控制系統
在Coyote Gulch示范工廠，我們目前用于監測、控制AGS系統的是Compact FieldPoint。現在，工廠部署將要擴展到更大的區域，因此我們必須大幅降低每個控制點的成本，這就要求我們研究可替代的控制解決方案。我們計劃過渡到較低成本的設備，考慮使用NI RIO與NI無線傳感器網絡（WSN）平臺。在未來，我們可將這些產品與現有的NI軟硬件組件集成系統相結合，可能會更加滿足我們的需求。
藻類生物燃料有望從根本上解決能源問題，并在解決溫室氣體排放上發揮主導作用。NI提供的產品、工具及持續的技術支持，幫助我們能夠快速開發、部署藻類生長技術，進行燃料生產。隨著我們的系統部署不斷擴大規模，我們亦希望與NI的戰略合作伙伴關系能夠繼續為我們的擴大提供支持。