Krmiljenje največje hibridne lokomotive z gorivnimi celicami na svetu

 

Med pripravo na vgradnjo pogonskega sklopa z gorivnimi celicami in shranjevalnika vodika smo odstranili posodo za dizelsko gorivo ter generator. Fotografija: Railpower Hybrid Technologies

Avtorji: Tim Erickson – Vehicle Projects LLC

Panoga: Transport, energetika

Izdelki: CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module, Real-Time Module

Izziv: Upravljanje delovanja hibridne lokomotive z gorivnimi celicami z močjo 250 kW

Rešitev:
Uporaba krmilnika NI CompactRIO za nadzor in upravljanje varnosti ter delovanja lokomotive na gorivne celice in uporaba vodila CAN za prenos podatkov o stanju motorja do upravljavca preko zaslona na dotik, ki je programiran s programsko opremo NI LabVIEW.

Za LabVIEW in CompactRIO smo se odločili zato, ker so nam enote NI C Series z vgrajeno pripravo signalov pomagale izvesti hiter nadzor različnih V/I-točk, pri tem pa smo jih lahko povezali s široko paleto posebnih tipal, na primer merilnikov pretoka in tlačnih tipal.

Pogonski stroj tradicionalne ranžirne lokomotive je dizelski motor z močjo od 1 do 2 MW, ki poganja generator, ta pa napaja pogonske motorje in pomožne sisteme lokomotive. Takšne tradicionalne ranžirne lokomotive zahtevajo dizelski motor z visoko močjo, ki ima običajno veliko porabo goriva in omejene možnosti za zmanjšanje emisij. Sodobnejše različice ranžirnih lokomotiv so prešle na hibridno električno zasnovo, ki zmanjša skupne emisije in porabo goriva, saj je mogoče motor zmanjšati s tem, da veliko moč, ki je potrebna v prehodnih obdobjih, zagotavlja akumulator.

Vendar pa velik del onesnaženja s trdnimi delci v mestih še vedno prihaja iz dizelskih lokomotiv na železniških postajah. Za pomoč pri zmanjšanju tega onesnaževanja je severnoameriško javno-zasebno partnerstvo izdelalo prototip hibridne ranžirne lokomotive z gorivnimi celicami za uporabo v mestih, ki dizelski motor nadomešča z gorivnimi celicami neto moči 250 kW, s tem pa tudi največjo hibridno lokomotivo z gorivnimi celicami na svetu.

Podjetje Vehicle Projects LLC iz mesta Denver v zvezni državi Kolorado, ZDA, je razvilo krmilni sistem za gorivne celice z vgnezdenim krmilnikom CompactRIO in programsko opremo za grafično načrtovanje sistemov LabVIEW. Naši cilji so zmanjšanje onesnaženosti zraka zaradi železnice v mestih, kar vključuje ranžiranje na postajah, povezanih s pristanišči, in priprava mobilnega zasilnega vira energije za kritično infrastrukturo v primerih izpada električnih omrežij v vojaških oporiščih in med civilnimi reševalnimi akcijami ob katastrofah.

Gorivne celice in hibridni pogonski sklopi
Gorivne celice so elektrokemične naprave, ki kemično energijo goriva spremenijo neposredno v električno energijo. Celice proizvajajo električno energijo in vodo iz vodikovega goriva ter kisika, kar je obraten postopek kot pri elektrolizi vode. Gorivne celice delujejo podobno kot baterije, od njih pa se razlikujejo po tem, da sta elektrokemično aktivni snovi, vodik in kisik, shranjeni ali razpoložljivi zunaj in se neprekinjeno dovajata v napravo, namesto, da sta shranjeni v elektrodah. Gorivne celice se ne polnijo električno, ampak jih je treba redno polniti z gorivom, podobno kot motor. Kot pri baterijah so posamezne celice združene v nize, ki zagotavljajo zahtevano napetost ali moč.
 

Hibridni pogonski sklop z gorivnimi celicami uporablja glavni vir energije z gorivnimi celicami in pomožno napravo za shranjevanje energije, ki vozilu pomaga premostiti konice porabe moči med delovanjem, hkrati pa shrani kinetično ali potencialno energijo, ki se sprosti med zaviranjem. Za nemoteno delovanje mora biti trajna neto moč glavnega vira energije enaka ali večja od povprečne porabe moči med delovnim ciklom. Predhodne raziskave so pokazale, da lahko hibridne ranžirne lokomotive zmanjšajo kapitalske in tekoče stroške obratovanja.

Razvoj krmilnega sistema s krmilnikom CompactRIO
Med razvojem velikega vozila z gorivnimi celicami smo naleteli na več razvojnih in integracijskih izzivov, pri katerih smo morali usklajevati zahteve glede teže, ohišij ter varnosti. Ostri pogoji obratovanja, zlasti pa udarne obremenitve, ki se pojavljajo med priključitvijo vagonov, zahtevajo izredno robustne sestavne dele. Poleg tega je moral sistem za krmiljenje gorivnih celic sistema komunicirati z obstoječim komercialnim krmilnikom vozila, da je interpretiral zahteve upravljavca in nastavil parametre sklopa z gorivnimi celicami tako, da so bile izpolnjene potrebe po moči. Vgnezdeni krmilnik CompactRIO je s pravo kombinacijo V/I-naprav predstavljal idealno rešitev za postavljene zahteve. Ta programabilni avtomatizacijski krmilnik (PAC) upravlja in izvaja vse funkcije pogonskega sklopa, pri tem pa neprekinjeno nadzira zmogljivost in varnost sistemov za shranjevanje vodika ter močnostnih sistemov gorivnih celic.

Programska arhitektura temelji na okolju LabVIEW
Delovanje upravlja vgnezdeni krmilnik CompactRIO, na katerem se izvajata enoti LabVIEW Real-Time in LabVIEW FPGA, ki krmilita delovanje pogonskega sklopa z gorivnimi celicami. Uporabnik upravlja krmilni sistem preko zaslona na dotik, ki je nameščen v kabini lokomotive. Krmilna aplikacija je sestavljena iz modularnih enot VI za krmilne algoritme, ki medsebojno komunicirajo, in iz V/I-sistema z napravo FPGA, ki uporablja arhitekturo na podlagi oznak, s katero je mogoče vsako V/I-točko klicati po imenu, ki ji ga določimo v aplikaciji LabVIEW. Vsaka oznaka ima svoje lastnosti, ki vključujejo omejitve za opozorila, skaliranje (pretvorbe iz napetosti v merske enote) in dogodke, ki jih uporabnik na primer želi shraniti na disk. Pri izvedbi svojega sistema s krmilnikom PAC smo se držali enakega načina razmišljanja kot pri programabilnih logičnih krmilnikih (PLC).

Razvoj popolne krmilne platforme z okoljem LabVIEW in krmilnikom CompactRIO
Za LabVIEW in CompactRIO smo se odločili zato, ker so nam enote NI C Series z vgrajeno pripravo signalov pomagale izvesti hiter nadzor različnih V/I-točk, pri tem pa smo jih lahko povezali s široko paleto posebnih tipal, na primer merilnikov pretoka in tlačnih tipal.

Poleg tega smo izvedli kompleksne krmilne algoritme, ki presegajo običajno PID-krmiljenje, z zelo velikimi frekvencami izvajanja zank. Nekateri krmilni algoritmi so vključevali matematične modele, ki smo jih izvedli v okolju LabVIEW, česar ne bi mogli storiti v manj prilagodljivih okoljih, kot so krmilniki PLC. Poleg tega smo dosegli potrebno hitro izvajanje krmilnih zank, saj smo imeli možnost, da nekaj krmilnih algoritmov prenesemo v napravo FPGA.

National Instruments,
Instrumentacija, avtomatizacija in upravljanje procesov d.o.o.
Kosovelova ulica 15, 3000 Celje, Slovenija
Tel: + 386 3 425 4200, Fax: +386 3 425 4212
E-mail: ni.slovenia@ni.com
www.ni.com/slovenia

HR, MC, BA, RS, ME: + 386 3425 4200
SLO: 080 080 844