The Solution:
　　開發(fā)使用帶有繩索的靈活機翼的12 kW便攜式空中風力發(fā)電系統(tǒng),，用于替代傳統(tǒng)風力渦輪中使用的葉片和塔結(jié)構(gòu),。因為系統(tǒng)不使用塔結(jié)構(gòu)，它不需要笨重的加固混凝土結(jié)構(gòu),，因此可以將它固定在拖車上,，并且在沒有電網(wǎng)的偏遠地區(qū)提供便攜式可再生能源。
　
Author(s):
　　Matt Bennett - Windlift

圖1：在首次飛行測試中的Windlif AWE系統(tǒng)

　　Windlift建立于2006年用于為沖突后重建,、賑災和第三世界發(fā)展開發(fā)便攜式空中風力能源（AWE）技術(shù),。這個技術(shù)能夠替代柴油發(fā)電機作為前方作戰(zhàn)單元的主要電能來源，因此可能為軍事行動帶來潛在的好處,。
　　
　　我們公司有四個員工并且得到130萬美元個人投資和政府撥款資助,。公司已經(jīng)完成了兩個12 kW（額定）原型系統(tǒng)并正在進行測試，并且完成了23 kW悍馬牽引系統(tǒng)的概念設(shè)計,。Windlift目前正得到美國國防部合同的資助,，為阿富汗沖突后重建開發(fā)AWE技術(shù)。與其他例如太陽能等可再生能源解決方案相比,，Windlift的AWE技術(shù)提供了更高的能源密度,。
　
系統(tǒng)運作
　　AWE技術(shù)使用靈活的機翼捕獲風中的能量。機翼通過繩索連接到基站上,，繩索繞在一個滾筒上,。固定在拖車上的系統(tǒng)作為長沖程往復式發(fā)動機工作。在循環(huán)的發(fā)電階段中,，機翼主動轉(zhuǎn)向側(cè)風方向沿著基站的順風方向以側(cè)風方式飛行,，從而將繩索中的張力最大化。隨著機翼離開地面站,，繩索帶動滾筒旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動發(fā)動機/發(fā)電機,。發(fā)電機的電能傳送到同樣連接到拖車上的電池庫中。當達到繩索的最大長度后,，機翼失去能量（轉(zhuǎn)向風的切向的方向以便將繩索張力降至最?。┎⒈皇栈亍Ｃ總€循環(huán)中的凈能量增長是在向外沖程中產(chǎn)生的能量減去在回復沖程中消耗的能量,。
　
　　我們通過使用交流電機/發(fā)電機控制系統(tǒng),，兩個伺服電機驅(qū)動機翼轉(zhuǎn)向，兩個步進電機操作平衡,，從而能夠整齊地將繩索繞在滾筒上,。所有這些設(shè)備通過控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線接口與NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)進行交互,。此外，我們使用兩個模擬操縱器和多個數(shù)字I/O與系統(tǒng)進行交互,。目前,，AWE系統(tǒng)是人工操作的，但是在未來的設(shè)計中將會自動化,。
　
　　除了用戶控制和執(zhí)行器,，CompactRIO還與傳感器進行交互，用于監(jiān)視機翼關(guān)于基站的水平和垂直角度,、繩索張力,、滾筒上剩余的繩索量、輸入電池庫的能量流和充電狀態(tài),。所有來自這些傳感器的數(shù)據(jù)被用于控制循環(huán)操作,，并讓它產(chǎn)生的電能和發(fā)電穩(wěn)定性達到最高。
　
使用CompactRIO從原型系統(tǒng)到實際生產(chǎn)
　　我們在這個項目中選擇CompactRIO平臺出于幾個原因,。首先,，幾乎無需學習，CompactRIO和NI LabVIEW開發(fā)環(huán)境之間的無縫接口提供了交鑰匙的軟硬件解決方案,。其次,，CompactRIO模塊的廣泛可用性意味著所有不同的傳感器和協(xié)議可以集成在單一模塊化系統(tǒng)中（負載電池、溫度傳感器,、現(xiàn)場總線,、模擬、數(shù)字等等）,。第三,，整合的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及實時處理器體系結(jié)構(gòu)的強大功能和靈活性提供了在單個組件中無法實現(xiàn)的功能。第四,，同時也是最重要的是NI展示了使用相同硬件和軟件從原型開發(fā)到實際生產(chǎn)的清晰的CompactRIO開發(fā)途徑,。我們還考慮了在這次開發(fā)中使用dSPACE硬件，但是預期的硬件成本大大超過CompactRIO系統(tǒng),，同時從原型到實際產(chǎn)品的過渡也不是那么清晰,。
　
　　CompactRIO系統(tǒng)的FPGA背板在我們的開發(fā)中特別有用。FPGA以完全并行的方式高速（40 MHz時鐘周期）運行任務(wù)的能力讓我們能夠?qū)r間關(guān)鍵的任務(wù)從實時處理器上轉(zhuǎn)移下來,。特別適合FPGA的一個任務(wù)實例是監(jiān)視作為測量滾筒旋轉(zhuǎn)的增量編碼器的鄰近傳感器（在象限中配置）,。運行在FPGA上的一個代碼段以高達每秒800脈沖的速度對每個傳感器進行計數(shù)，并且將滾筒的增量位置向?qū)崟r控制器進行通信,。
　
　　在這次開發(fā)中,，我們使用獲得NI綠色工程獎的NI開發(fā)者套件，其中包括NI DIAdem數(shù)據(jù)管理和分析軟件、LabVIEW實時,、LabVIEW FPGA,、LabVIEW NI SoftMotion、LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊以及LabVIEW PID與模糊邏輯工具包等等,。這個項目中除了LabVIEW開發(fā)環(huán)境之外,，最為有用的工具是DIAdem數(shù)據(jù)分析軟件。我們使用CompactRIO的共享變量引擎特性,，通過TCP/IP連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程筆記本電腦上進行數(shù)據(jù)記錄。
　
　　在測試程序中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)對于設(shè)計和開發(fā)流程而言是至關(guān)重要的,。每個數(shù)據(jù)文件記錄10分鐘操作時間,，尺寸大約為4 MB，并且包含大約70個獨立通道,。DIAdem對于處理和分析大量數(shù)據(jù)而言是十分有用的,。另一個被證明十分有用的是使用工作中系統(tǒng)的視頻對數(shù)據(jù)進行同步的功能。
　
　　我們目前在測試便攜式AWE系統(tǒng)原型的最后階段,。CompactRIO嵌入式系統(tǒng)在整個開發(fā)流程中是十分有用的,，我們期望它會繼續(xù)成為系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分。這個方法中的一個重要方面是從目前手動操作的系統(tǒng)向自動化系統(tǒng)的過渡將會十分簡單,，只需要進行軟件升級,。這種可能性是因為手動操作的系統(tǒng)是通過電線控制的，CompactRIO具有足夠的功能和性能在自動化系統(tǒng)中取代用戶進行操作,。