Sistema di controllo di un banco prova per stack di celle a combustibile ad ossidi solidi

Author(s):
A. Baratella - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA

Industry:
University/Education

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, Real-Time Module, Serial

The Challenge:
Costruzione di un sistema di controllo ad alte prestazioni per banchi prova da laboratorio per stack di celle a combustibile ad alta temperatura, che sia flessibile, per adattarsi alle diverse tipologie di prove, e stabile, indipendente da interrupt esterni al sistema.

The Solution:
Integrare schede di acquisizione e di interfaccia National Instruments all’interno di un PC industriale espandibile per creare un ambiente di test per celle a combustibile operante in modo deterministico utilizzando NI LabVIEW Real-Time.

Breve riassunto
I banchi prova da laboratorio per test su stack di celle a combustibile, dispositivi elettrochimici che trasformano l’energia chimica direttamente in energia elettrica, necessitano di un sistema di controllo deterministico in grado di monitorare in tempo reale tutti i parametri operativi ed intervenire prontamente in risposta alle variazioni delle condizioni di prova. Abbiamo sviluppato un’applicazione flessibile, per adattarsi alle diverse prove, e deterministica in grado di garantire stabilità, uniformità e riproducibilità delle prove che effettuiamo in laboratorio.

Articolo
La gestione energetica è sempre più caratterizzata da un costante aumento della domanda di energia elettrica e dalla crescente preoccupazione riguardo ai problemi ambientali. In questo scenario la tecnologia delle celle a combustibile è considerata un importante fattore strategico nel prossimo futuro della produzione di energia elettrica.
Le celle a combustibile sono pile a funzionamento continuo che generano elettricità mediante un processo elettrochimico, per cui l’energia immagazzinata in un combustibile viene convertita direttamente in energia elettrica, senza trasformazioni intermedie che ne riducono l’efficienza.
I requisiti fondamentali del sistema di controllo di un banco prova per stack di celle a combustibile sono:
- monitorare continuamente i parametri di funzionamento per costruirne una mappa puntuale durante tutte le tipologie di test;
- in risposta a variazioni delle condizioni di prova, intervenire prontamente per garantire la variabilità dei parametri operativi all’interno degli intervalli definti dal costruttore;
- consentire l’esecuzione di prove non presidiate, mediante l’implementazione di opportune procedure ed interventi automatizzati per evitare situazioni di pericolo;
- pubblicare lo stato di funzionamento dello stack sulla intranet dipartimentale per monitorarne lo stato da tutte le postazioni del dipartimento.
Per caratterizzare appieno uno stack è necessario controllare la temperatura dello stack e delle singole celle utilizzando più termocoppie per ogni cella, le temperature e le portate dei gas di alimentazione, la tensione di cella e la corrente circolante nel circuito.
Il banco prova e relativo sistema di controllo devono essere flessibili per adattarsi a diverse tipologie di stack e di prove da effettuare:
- range di operatività dello stack;
- prove di durata;
- prove con inquinanti;
- prove dinamiche per studiare i transitori.
Serve un ambiente di test dinamico in grado di permettere l’uniformità delle prove e dei risultati ottenuti. Questo richiede un’architettura hardware e software modulare ed adattabile a condizioni di flussi, pressioni e carico elettrico che possono possono variare all’interno di range anche molto ampi.
Nei banchi prova per singole celle a combustibile attualmente operanti in laboratorio, il sistema di controllo è sviluppato in Visual Basic utilizzando i tool forniti da NI Measurement Studio. Una sola applicazione ed un solo PC con un sistema operativo general purpose hanno il compito di gestire le procedure di controllo, l’interfaccia utente e salvare i dati per elaborazioni post-processing; questo tipo di architettura non garantisce il determinismo necessario ad un applicazione di test da laboratorio di ricerca.
L’architettura del nuovo sistema è di tipo distribuito per fornire le maggiori garanzie di sicurezza ed affidabilità: un PC industriale dedicato equipaggiato con sistema operativo Phar Lap ETS su cui gira NI LabVIEW Real-Time, per ottenere risposte deterministiche e limitare ogni possibile instabilità, ed un PC desktop di front end con sistema operativo Windows XP.
Il PC equipaggiato con NI LabVIEW Real-Time e le schede National Instruments (DAQ Multifunzione NI PCI-6036E, Scheda seriale ad alte prestazioni NI PCI-8431/4) contiene il codice con la logica di controllo e dialoga con tutta la strumentazione: acquisisce i valori dei segnali in ingresso, li elabora, gestisce le procedure e mette in azione gli allarmi. Contemporaneamente si occupa di inviare i dati al PC di front end, sul quale è visualizzato il pannello di controllo dell’applicazione, attraverso cui si segue il funzionamento dello stack, si variano i parametri operativi, si salvano i dati e l’intera applicazione è pubblicata sulla rete interna del dipartimento, così da essere visibile da tutte le postazioni desiderate utilizzando il web server nativamente presente in NI LabVIEW.
Il sistema risiede su una rete dedicata, lo scambio dei dati avviene utilizzando il protocollo TCP/IP; il PC di front end è dotato di una doppia scheda di rete per rendere accessibile l’applicazione dalla rete dipartimentale.
La sinergia tra hardware e software Real-Time National Instruments ha permesso di sviluppare un’applicazione che garantisce il determinismo.
Il programma principale è costituito da tre timed loop: il primo esegue il codice deterministico: riceve i valori dalla scheda di acquisizione ed esegue le procedure critiche; il secondo si occupa di dialogare con la strumentazione attraverso protocolli non deterministici, interfacce seriali ed ethernet; il terzo comunica con il PC di front end, inviando e ricevendo i dati attraverso il protocollo TCP/IP. Il loop di comunicazione scambia i dati con i loop di acquisizione e controllo utilizzando il meccanismo delle code Real Time.
Sono state implementate macro per tutte le procedure di test, con la possibilità di inserirne altre nel caso in cui si rendano necessarie altre tipologie di prove.
Nel caso in cui si verifichi un evento anomalo durante un test (come, ad esempio, il voltaggio di una singola cella scenda al di sotto della tensione di soglia prevista dal costruttore) il sistema esegue tutta una serie di procedure per riportare le condizioni di funzionamento all’interno degli intervalli previsti, questa catena di interventi automatici può arrivare anche allo shut down dello stack in casi estremi.
L’insieme di procedure di test ed interventi automatizzati consentono di effettuare test senza presidio.
NI LabVIEW e l’hardware National Instruments hanno permesso di sviluppare un tool software deterministico per il sistema di controllo per banco prova di stack di celle a combustibile ad alta temperatura. L’immediata integrazione di hardware e software National Instruments unita alla grande flessibilità di NI LabVIEW ci hanno permesso di sviluppare l’intero sistema con grande facilità senza incorrere nei problemi associati all’integrazione di prodotti costruiti da diversi produttori.
L’attività di test in laboratorio può ora contare su uno strumento software in grado di garantire determinismo, stabilità, uniformità, riproducibilità e conformità agli standard delle prove che effettuiamo.

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