Aktuální vydání

celé číslo

07

2019

Řízení dopravy a budov

celé číslo

NI LabVIEW a CompactRIO řídí největší hybridní lokomotivu na palivové články

K řízení chodu hybridní lokomotivy poháněné palivovým článkem o výkonu 250 kW byla použita řídicí jednotka CompactRIO společnosti National Instruments. Ta monitoruje a řídí provoz lokomotivy na vodíkový pohon a stará se o její bezpečnost. Údaje o stavu motoru předává po sběrnici CAN operátorovi prostřednictvím dotykového panelu, na­programovaného softwarem NI LabVIEW.
 

Palivové články pro snížení emisí

 
Hlavním pohonem dieslové posunovací lo­komotivy je vznětový motor o výkonu řádově stovek kilowattů, který pohání alternátor napá­jející trakční motory a pomocné systémy loko­motivy. Tyto tradiční posunovací lokomotivy (obr. 1) vyžadují velmi výkonný vznětový mo­tor, který má obvykle velkou spotřebu a pouze omezenou kontrolu emisí. Vývoj posunovacích lokomotiv vedl k hybridně-elektrickému sys­tému, který přispěl k poklesu celkových emisí a spotřeby pohonných hmot. Rozměry vzněto­vého motoru byly zmenšeny a lokomotiva byla doplněna o baterii, která uchovává energii pro případ velkých výkyvů výkonu.
 
Nicméně kouřové zplodiny vznětových motorů posunovacích lokomotiv zůstaly vý­znamným zdrojem znečištění v příměstských oblastech. Tento stav se rozhodla změnit or­ganizace North American Public-Private Partnership a pustila se do vývoje prototypu hybridní posunovací lokomotivy určené pro příměstské železniční tratě. Ve zmíněném prototypu je vznětový motor nahrazen pali­vovými články o výkonu 250 kW. Výsledkem vývoje je největší hybridní lokomotiva s pa­livovým článkem na světě.
 
Společnost Vehicle Projects LLC z Den­veru v Coloradu vyrobila řídicí systém pro palivový článek založený na vestavné řídi­cí jednotce CompactRIO a grafickém pro­gramovacím prostředí LabVIEW. Toto řeše­ní by mělo jednak snížit znečištění vzduchu v okolí městských železničních tratí a ná­mořních přístavů, jednak zajistit mobilní zá­ložní zdroj energie pro napájení životně dů­ležité infrastruktury během výpadků napáje­cí sítě při mimořádných situacích, např. při vojenských operacích nebo při odstraňování následků katastrof.
 

Pohonné jednotky s palivovými články a hybridní jednotky

 
Palivové články jsou elektrochemické zdro­je napájení, které převádějí chemickou energii paliva přímo na elektrickou. Články produkují elektrickou energii a vodu z vodíkového paliva a kyslíku, což je obrácený proces elektrolýzy vody. Palivové články pracují na podobném principu jako baterie, ale oproti nim nejsou elektrochemicky aktivní látky, vodík a kyslík, uloženy přímo v elektrodách, ale jsou sklado­vány vně a průběžně dodávány do zařízení. Pravidelně se doplňují jako palivo v motoru, takže palivové články není potřeba zdlouhavě dobíjet. Podobně jako baterie jsou jednotlivé články seskupeny do sestav poskytujících po­žadované napětí nebo energii.
 
Hybridní pohonné ústrojí s palivovým článkem používá primární motor poháněný článkem, který je doplněn ještě pomocným zařízením pro ukládání energie. Toto pomoc­né zařízení plní dvě funkce:
  • pomáhá vozidlu překonat výkonové špič­ky v pracovním cyklu,
  • rekuperuje elektrickou energii při brzdění.
Pro stabilní provoz musí být čistý výkon primárního motoru větší nebo roven střední­mu výkonu pracovního cyklu. Předběžný vý­zkum ukázal, že provozování hybridní posu­novací lokomotivy snižuje jednorázové inves­tiční i průběžné provozní náklady.
 

Návrh řídicího systému pomocí CompactRIO

Při vývoji tak velkého vozidla s vodí­kovým palivovým článkem bylo třeba řešit problémy související s hmotností, ale také s vhodným zapouzdřením řídicí jednotky a další otázky týkající se bezpečnosti. Nároč­né provozní podmínky, zejména rázové zatí­žení, které vzniká při spřahování s vagony, vyžadovaly systémy s velmi odolnými kom­ponentami. Řídicí systém palivových článků navíc musel komunikovat se současným ko­merčním řídicím systémem, aby bylo mož­né interpretovat požadavky operátora a upra­vovat parametry výkonu palivového článku s ohledem na požadovaný výkon. Vestavná řídicí jednotka CompactRIO s vhodnou kom­binací vstupů a výstupů těmto požadavkům dokonale vyhovuje. Toto programovatelné za­řízení kategorie PAC (Programmable Automation Controller) řídí a vykonává všechny operace potřebné pro dosažení potřebného výkonu a průběžně monitoruje provoz a bez­pečnost vodíkové nádrže a výkonových sys­témů palivového článku.
 

Softwarová architektura na bázi LabVIEW

Vestavná řídicí jednotka CompactRIO, na níž běží moduly LabVIEW Real-Time a Lab­VIEW FPGA, řídí provoz napájecího palivo­vého článku. Uživatel sleduje řídicí systém na dotykovém panelu instalovaném v kabině lo­komotivy. Řídicí aplikační program tvoří mo­dulární řídicí algoritmy virtuálních zařízení, které vzájemně komunikují, a systém I/O na bázi hradlového pole FPGA, který využívá architekturu interních proměnných, takže je možné se na každý vstup a výstup odkazovat názvem přiřazeným v aplikačním programu LabVIEW. Každé proměnné jsou přiřazeny vlastnosti, mezi které patří meze pro vyhlá­šení alarmu, převodní poměr (pro konver­zi z napětí na konkrétní jednotky) a události popisující např. požadavek uživatele pořídit záznam dat na disk. Tím byl systém na bázi PAC přizpůsoben potřebě, aby měl schopnost programovatelného automatu PLC.
 

Vývoj řídicí platformy pomocí LabVIEW a CompactRIO

Byly použity systémy LabVIEW a Com­pactRIO, protože moduly NI řady C s integro­vanou úpravou signálu umožnily zavést rych­lý postup monitorování různých I/O a záro­veň připojit rozličné speciální senzory, jako jsou průtokoměry a snímače tlaku.
Toto řešení navíc dovolilo provádět při velmi krátké době cyklu složité řídicí algo­ritmy nad rámec jednoduché regulace PID. Některé z použitých řídicích algoritmů zahr­novaly matematické modely, které byly im­plementovány v LabVIEW a které by nebylo možné vyvinout v méně flexibilních prostře­dích, jako je platforma PLC. Díky umístění některých řídicích algoritmů na hradlová pole FPGA bylo navíc dosaženo požadované krát­ké doby cyklu.
Tim Erickson, Vehicle Projects LLC,
 
Obr. 1. Pro instalaci pohonné jednotky s palivovým článkem a nádrže na vodík byla z posunovací lokomotivy vyjmuta nádrž na naftu a generátor (zdroj: Railpower Hybrid Technologies)