作者：Chris Fronda, Certified LabVIEW Architect - VI Design Group, Inc.

“針對這個項目，我們采用LabVIEW來設(shè)定WSN節(jié)點、WSN網(wǎng)關(guān)、CompactRIO設(shè)備、服務(wù)器、網(wǎng)頁、kiosk與離線分析軟件。 單種編程語言可用于項目的每一部分，這是史無前例的創(chuàng)舉。”

- Chris Fronda, Certified LabVIEW Architect, VI Design Group, Inc.

挑戰(zhàn)：

針對圣安東尼奧德州大學(xué) (UTSA) 校園附近多個地點，設(shè)計出高精度仿真的太陽能電場監(jiān)測系統(tǒng)，進而以百分之百的穩(wěn)定性高速測量轉(zhuǎn)換器 (AC)、結(jié)合器 (DC)、輻照、熱電偶與天氣數(shù)據(jù)。

解決方案：

采用NI CompactRIO、NI無線網(wǎng)關(guān)、NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 節(jié)點，打造出業(yè)界領(lǐng)先的高精度分布式監(jiān)測系統(tǒng)，提供中央服務(wù)器數(shù)據(jù)采集與處理功能，以及網(wǎng)頁與Kiosk顯示器以便其他用戶進行操作。

VI Design Group是經(jīng)驗證的NI聯(lián)盟伙伴，也是專業(yè)的NI技術(shù)系統(tǒng)集成商。 VI Design Group團隊成員都已獲得LabVIEW程序架構(gòu)師認(rèn)證，致力于提供最出色的系統(tǒng)開發(fā)品質(zhì)。 VI Design Group開發(fā)即用型產(chǎn)品的經(jīng)驗非常豐富，其中包含遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄器、控制系統(tǒng)和自動化測試系統(tǒng)。 它主要提供醫(yī)療、可再生能源、石油與天然氣，以及其他工業(yè)級產(chǎn)品。

鑒于系統(tǒng)本身的分布式特性與所需的高精度仿真，我們必須通過NI技術(shù)來開發(fā)自定制的太陽能電場監(jiān)測系統(tǒng)。 目前現(xiàn)成的解決方案都不能滿足我們的項目需求。 此外，UTSA還希望未來能夠?qū)⒖刂七壿嬚显谙嗤南到y(tǒng)內(nèi)，以便控制電池存儲并追蹤太陽運行情況。 NI平臺的與眾不同之處，就在于能夠?qū)⒖刂圃现镣粋€監(jiān)測系統(tǒng)，這一點是其他供應(yīng)商無法企及的。

圖1. 3個配備相關(guān)設(shè)備 (包含1個313kW系統(tǒng))的場地。

此項目參與了NI綠色能源工程獎金計劃。 憑借創(chuàng)新的設(shè)計與出色的教學(xué)成果，該項目獲得殊榮。 其資金來源于美國復(fù)蘇與再投資法案所屬的能源部門。

UTSA的研究助理Gerardo Trevino在領(lǐng)獎時發(fā)表了以下陳述：

VI Design Group能夠獲選成為該項目的系統(tǒng)集成商，是因為自身在監(jiān)測系統(tǒng)方面的專業(yè)能力。 該公司使用CompactRIO執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)測的經(jīng)驗非常豐富。 此外還能穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)傳輸至中央服務(wù)器，進一步存儲信號并進行后續(xù)處理。 VI Design Group針對UTSA多個實體地點，以多重相位的方式開發(fā)出該系統(tǒng)并進行部署。

系統(tǒng)設(shè)計概述

該系統(tǒng)由3個主要部分組成　(如圖2與圖3所示)。 紅色是系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的部分，許多地點都采用相同的架構(gòu)。 其中的構(gòu)成要素包含CompactRIO設(shè)備，其采集數(shù)據(jù)的方式分為兩種：通過WSN網(wǎng)關(guān)無線采集，或通過直接連接的傳感器進行實際采集。 CompactRIO設(shè)備采集數(shù)據(jù)后便會將數(shù)據(jù)傳輸至中央服務(wù)器，以便執(zhí)行存儲、后續(xù)處理、網(wǎng)絡(luò)代管等操作。 運作中的服務(wù)器(以藍(lán)色標(biāo)識)則會從CompactRIO系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)損壞或失去通信功能的話，會發(fā)出警示音。 此外數(shù)據(jù)會存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并且發(fā)布到網(wǎng)上以便其他用戶監(jiān)測。

最后，綠色的部分則是所有可用來系統(tǒng)交互的用戶界面。 任何人皆可隨時瀏覽網(wǎng)頁。 Kiosk顯示器位于UTSA現(xiàn)場供學(xué)生操作，主機電腦還可提供原始數(shù)據(jù)的存取權(quán)限給教授，以便數(shù)據(jù)的下載或運用。

圖2. 系統(tǒng)三大部分的重點

圖3. 三大部分系統(tǒng)組件的詳細(xì)說明圖

有了NI硬件與NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件，此系統(tǒng)的設(shè)計流程不僅快速，也相當(dāng)簡便。 NI協(xié)助開發(fā)了所有底層設(shè)計，并加以抽象化成為高層API。 下列事項已由NI完成，VI Design Group不必再費心開發(fā)：

1. ZigBee無線協(xié)議設(shè)計
2. 嵌入式OS設(shè)計/微控制器操作
3. 印刷電路板配置與24位的delta-sigma模數(shù)整合
4. 熱能傳導(dǎo)分析與被動式冷卻系統(tǒng)設(shè)計
5. TCP/IP或UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計
6. 安全套接字層(SSL)加密與安全功能
7. 相對于C/C++更精密的記憶體管理功能
8. VHSIC硬件描述語言FPGA編程設(shè)計
9. Microsoft Silverlight網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計
10. 搭配網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)定

基本上，所有的底層工作都已完成，只剩下高層工作。 如要設(shè)計并實現(xiàn)該系統(tǒng)，用戶必須了解NI設(shè)備的高層設(shè)定與特殊的LabVIEW編程設(shè)計語言。  針對這個項目，我們采用LabVIEW來設(shè)定WSN節(jié)點、 WSN網(wǎng)關(guān)、 CompactRIO設(shè)備、服務(wù)器、網(wǎng)頁、kiosk與離線分析軟件。 單種編程語言可用于項目的每一部分，這是史無前例的創(chuàng)舉。 通過NI豐富的培訓(xùn)課程，任何人都可以成為NI技術(shù)專家，設(shè)計出具有一定復(fù)雜度的監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)部署與后續(xù)步驟

下列為系統(tǒng)部署圖片：

圖4. 轉(zhuǎn)換器安裝與AC監(jiān)測設(shè)備安裝

圖5. 每個地點所部署的CompactRIO數(shù)據(jù)記錄器

圖6. NI WSN節(jié)點采集輻照與熱電偶數(shù)據(jù)

有些分析任務(wù)使用的是DIAdem軟件，可用于后續(xù)處理數(shù)據(jù)分析。 DIAdem可協(xié)助UTSA的教授針對采集過程中的信號來處理相關(guān)問題， 進一步分析并呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。 這些分析已用于執(zhí)行太陽能預(yù)測比較。 下圖為實際的太陽能光電(PV)輸出與預(yù)測的PV輸出之間的比較。

圖7. 采集到的原始數(shù)據(jù)由DIAdem繪制而成，比較實際功率/預(yù)測功率

圖8. 流暢的數(shù)據(jù)采集顯示出實際功率非常接近預(yù)測功率

該系統(tǒng)為UTSA提供了穩(wěn)定的高精度分布式太陽能電場監(jiān)測系統(tǒng)，并可達(dá)成每一項目標(biāo)。 現(xiàn)在UTSA正在進一步探索CompactRIO的開放式平臺與控制邏輯功能，開發(fā)更多潛在的系統(tǒng)功能以超越任何一種COTS系統(tǒng)，而且此系統(tǒng)還可協(xié)助UTSA執(zhí)行有利于太陽能產(chǎn)業(yè)的先進研究。