447 個(gè)步進(jìn)電機(jī)端子模塊助力控制全球最大的人造太陽

由德國航空太空中心（DLR）打造的 Synlight 高通量太陽模擬器于 2017 年 3 月 23 日開始了正式實(shí)驗(yàn)。這臺(tái)大功率發(fā)光體（迄今為止世界上唯一的一款）由 149 個(gè)小的發(fā)光體構(gòu)成，每個(gè)的功率都相當(dāng)于一臺(tái)大型電影放映機(jī)。將這些發(fā)光體聚集在一起，產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度是地球表面正常太陽能輻射功率的 10,000 倍。連接 447 個(gè)倍福步進(jìn)電機(jī)端子模塊的三臺(tái)嵌入式控制器可以高精度校準(zhǔn)各個(gè)發(fā)光體。

Synlight 共由 149 盞 7kW 短弧氙燈組成，每個(gè)燈泡單獨(dú)拿出來都強(qiáng)大到足以在電影放映機(jī)中使用

Synlight 裝置的重點(diǎn)是開發(fā)太陽能燃料（即使用太陽產(chǎn)生的燃料）的生產(chǎn)工藝。此外，研究人員和太陽能發(fā)電廠或航空工業(yè)中的行業(yè)合作伙伴將為測試其所有尺寸的組件找到理想條件。其目標(biāo)是高效生產(chǎn)出氫這種二氧化碳中性能源。太陽能模擬器將金屬片加熱到 800℃，利用高溫將水分解成氫氣和氧氣。當(dāng)加入蒸汽時(shí)，金屬片與水中的氧氣反應(yīng)，釋放出氫氣。然后再進(jìn)一步加熱至 1400℃，使氧化物與金屬分離。

大輻射功率和高精度聚焦能力

Synlight 采用新穎的模塊化設(shè)計(jì)，通體由 149 盞可單獨(dú)調(diào)節(jié)的短弧氙燈組成，其頻譜與太陽的非常相似。因此可以用于三個(gè)可單獨(dú)使用的輻射室中，其中兩個(gè)輻射室的太陽能輻射功率為 240 千瓦，而第三個(gè)更是高達(dá) 300 KW，最大可達(dá)到超過 11MW/m2 的光通密度。據(jù) DLR 太陽能研究院的控制專家 Dr. Dmitrij Laaber 稱，人造太陽的輻射功率輸出比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的輻射功率輸出要高 10 倍。

與自然光不同，Synlight 可以產(chǎn)生高達(dá) 3500 °C 的溫度，能夠融化金屬

在這三個(gè)測試室中，有兩個(gè)已經(jīng)專門設(shè)計(jì)用于太陽光化學(xué)反應(yīng)的開發(fā)測試，并可以直接進(jìn)入氣體洗滌器和中和器，允許對(duì)生產(chǎn)太陽能燃料的工藝過程進(jìn)行資格認(rèn)證。測試室門的寬度和高度都是 4 米，房間高度為 5 米，能夠照射大型零件，即便是航天用零部件。Synlight 的一個(gè)基本特點(diǎn)是它具有多點(diǎn)聚集功能。這樣可以精確聚集光束（甚至在子系統(tǒng)中）并根據(jù)需要使用，既可以用于大型應(yīng)用，也可以用于很多小型測試應(yīng)用。

系統(tǒng)集成的緊湊型驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

用作反射鏡的內(nèi)部鏡面燈罩直徑為 1 米，呈蜂巢狀安裝在 14 米高和 16 米寬的區(qū)域上。倍?；?PC 的控制技術(shù)確保精確對(duì)準(zhǔn)和定位各個(gè)反射鏡，以實(shí)現(xiàn)所需的輻射聚焦。每盞燈都可以單獨(dú)控制，因此，可以在目標(biāo)點(diǎn)上創(chuàng)建多樣化的布局和溫度，即使在同時(shí)進(jìn)行三個(gè)測試時(shí)也是如此。為實(shí)現(xiàn)此目的使用的多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)由總共 447 個(gè)直接集成在 I/O 模塊系統(tǒng)中的 KL2541 和 KL2531 步進(jìn)電機(jī)端子模塊控制。這些模塊又通過 50 臺(tái) Ethernet TCP/IP 總線耦合器 BK9000 與三臺(tái) CX5130 嵌入式控制器控制。

共有 447 個(gè) KL2541/KL2531 步進(jìn)電機(jī) I/O 端子模塊分布在 10 個(gè)接線盒中的五個(gè)層級(jí)中

帶增量編碼器的 KL2541 步進(jìn)電機(jī)端子模塊專為中等規(guī)模的控制任務(wù)設(shè)計(jì)，輸出 50 V DC，電流 5 A。這些寬度為 24 毫米的總線端子模塊結(jié)構(gòu)非常緊湊，集成了適用于各種電壓和電流的 PWM 輸出，以及兩個(gè)用于限位開關(guān)的輸入。KL2531 總線端子模塊的寬度僅為 12 毫米，輸出 24 V DC，電流 1.5 A，適合與各種小型步進(jìn)電機(jī)配套使用。Dmitrij Laaber 認(rèn)為，由于使用了大量驅(qū)動(dòng)控制器，實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)也顯而易見：“如果我們當(dāng)時(shí)使用的是傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制器，所需 447 個(gè)單臺(tái)設(shè)備將需要大量的空間。不僅如此，我們還不得不使用自己的網(wǎng)絡(luò)電纜連接每臺(tái)設(shè)備，這將會(huì)使事情變得錯(cuò)綜復(fù)雜，容易出錯(cuò)。相反，目前使用的解決方案，即以總線端子模塊的形式直接連接的系統(tǒng)集成式步進(jìn)電機(jī)控制器，更加方便和緊湊，特別是如果你考慮到總線端子模塊分布在 10 個(gè)接線盒中的五個(gè)層級(jí)時(shí)。其它優(yōu)點(diǎn)包括通過 Ethernet TCP/IP 總線耦合器 BK9000 能夠非常方便和簡單地實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和控制系統(tǒng)集成。TwinCAT 軟件的使用也讓我們受益良多，因?yàn)橄?TwinCAT 這么純粹的自動(dòng)化環(huán)境的編程要比步進(jìn)電機(jī)制造商通常提供的基于高級(jí)語言的解決方案簡單得多。”

DLR 太陽能研究院負(fù)責(zé) Synlight 控制系統(tǒng)的 Dr. Dmitrij Laaber（右）與倍福萊茵河/魯爾工業(yè)區(qū)辦事處經(jīng)理 Ralf Stachelhaus 在介紹太陽模擬器的尺寸