基于LabVIEW的固体氧化物燃料电池监控系统开发

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Solid Oxide Fuel Cell M onitoring System Based Oil LabⅥ EWLU Jing ，PENG Hui ，YANG Jie ，WANG Jun(1.Faculty of Mechanical& Electronic Information.China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan Hubei 430074，China；2.Education Technology Center ofBeijing International Studies University，Beijing 100024，China)Abstract：The main performance parameters of solid oxide fuel cel，such as temperature，flow and pressure，etc，were moni-tored and controlled by LabVIEW software and hardware from National Instruments.The hardware choice，the software design and theoutputs controled by PID algorithm in monitoring system were described. Data acquisition and pre-processing were completed withhardware，and data analysis and control output were completed with LabVIEW in the system.The results show that the monitoring sys-tem has a strong function of human-computer interaction and a good monitoring characteristic， also reduces cost on system develop-ment。

Keywords：LabVIEW ；Solid oxide fuel cel；PID control；Monitoring system燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的装置。它具有效率高、无污染、质量轻等优点，可作为便携式电子产品的小型电池，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统，极具有发展潜力 。目前深受世界各国的重视，被列为未来世界十大科技之首。

燃料电池的性能受多种因素影响，需要监控的对象较多，包括温度、流量、压力和气体组分等。传统的方法是采用设备组态的方式来建立监控系统。蒙奎的SOFC(Solid Oxide Fuel Cels，固体氧化物燃料电池)系统由工程师站、通讯网络和设备组态三部分组成 ，涉及的主要设备有电子负载、流量积算仪，流量计以及温控仪，它们分别对加热炉的温度、燃料与空气的流量等进行测控。由于采用的是半 自动式控制 ，控制量和监测量有限，同时监测也不方便，需要熟练的技术人员。此外，燃料电池反应过程对人员操作造成的误差十分敏感，难以确保所获数据的数量和质量。因此 ，自主开发新型的燃料电池监控系统对于燃料电池商业化的发展具有重要的意义，可以为燃料电池提供可靠的运行环境，使其更高效率地工作。

作者分析了测试需求，根据影响性能的主要因素制定了测试 的总体方案。燃料 电池的监控 系统以LabVIEW为软件开发工具和设计平台，利用软件模拟仪器部分硬件功能 ，并结合通用的数据采集设备实现真正仪器的功能 。用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，从而完成对被测对象的数据采集、分析、显示和存储等工作。

收稿日期：2013-04-06基金项目：湖北省 自然科学基金资助项 目 (2011CDB336)；中国博士后基金资助项 目 (2011M500854)；中国地质大学 (武汉)实验技术研究资助项 目 (SJ-201014)作者简介：卢静 (1987-)，女，硕士研究生，研究方向为机电-体化。E-mail：xuebixuedi###163.com。通信作者 ：杨杰，E-mail：flyyangj###163.com。

· 122· 机床与液压 第 41卷1 系统设计燃料电池系统的最终目标是在合适的时间为合适的对象提供合适的动力。为达到这个目标，-个燃料电池系统通常分为4个子系统：燃料电池堆，热管理子系统，燃料传输处理子系统，电子电力子系统。燃料经过-定的处理 (过滤、重整预热等)后经过反应堆进行反应，反应生成的电供外部使用，反应生成的热既可循环利用也可供外部使用。燃料电池的控制系统通常由3个独立的部分组成：-个是系统监测部分，用计量器、感应器等监测 SOFC的运行条件；-个是系统驱动部分，用阀门、泵、开关等来调节并控制系统内部的变化；还有-个是中心控制单元，它能调节监测感应器与控制驱动器间的相互关系 。

1.1 监控 系统的总体方案系统采用 NI公司的 LabVIEW 软件和相应的硬件搭建监控平台。方案如图 1所示。

电脑(LabVIE- 图 1 监控系统方案图系统首先通过前端的传感器获取信号，再经过-系列信号调理后将信号转变为可被数据采集卡接收的标准信号，在数据采集卡内将模拟信号转化为数字信号送入计算机内。在PC机内，利用已经安装的Lab。

VIEW软件对采集的数据进行后续处理，包括数据显示 、数据分析、数据存储和逻辑控制等。

1.2 监控 系统的硬件设计系统所要获取的有温度、压力、流量等信号，它们所对应的传感器和信号调节方式如表1所示。

表 1 系统采用的传感器及其对应的信号调节方式信号 传感器 信号调节温度 热电偶 放大，线性化及冷端温度补偿压力 应变片 电压激励 ，桥设置及线性化流量 SFIO转子式流量计 放大，温度和压力补偿监控系统采用 的数据采集卡是 NI公司的PCI6112。PCI6112有 12位模拟输入，A/D采样速率最高至100 kHz，16路单端或差分输入双极性输入信号；芯片带采样/保持。2个 12位单片集成电路多通道模拟输出，16路数字输入/输出通道。3个独立的可编程 16位递减计数器，3种 A/D触发模式：软件触发，可编程定时触发和外部缓冲触发。DC.DC积分转换器提供稳定的模拟电源，转化时间为8 s。它的各种参数均能满足系统需要。

由于系统要获取的信号参数较多，所需要的信号调节方式又各不相同，而采用-般的电路处理较为繁琐且性能不能保证满足实际要求 ，因此系统中采用专用的信号调理设备SCXI卡。它是信号调理可扩展系统，可以获取温度、压力、流量等信号的组合并将这些信号进行前期处理后输入数据采集卡中。系统中热电偶的温度信号输入选择拈组 SCXI.1 125和 SCXI-1328以实现 300 Vrms的隔离、1～2 000的增益、4Hz或 10 kHz的可编程模拟滤波器、冷端补偿等功能。压力和流量输入使用 SCXI.1 125隔离拈对信号进行隔离、放大和滤波。

藤藻输入 l l 输出空气温度传感器 l l l I 烟 气出口温度传感器可控硅图 2 监控系统硬件框架图监控系统的温度控制主要由光电耦合器和双向晶闸管完成。系统发出脉冲调制 (PWM)信号，经过驱动器控制光电耦合器中发光二极管的状态，从而控制双向晶闸管的通断，进而控制加热棒的加热时间。

使用光电耦合器可以有效地降低外界对系统的影响，增强系统的稳定性 。为了使双向晶闸管正常工作 ，在双 向晶闸管 的两个 主极之 间加上 了 RC电路 。

压力控制的目的是实现气体压力的实时连续控制并且产生高精度、快速响应的气体压力信号。由于气体压力具有非线性和不确定性的特点，在压力控制器中，采用了减压阀、电磁比例阀和压力伺服阀组成的气体回路。电磁比例阀是-种通过电信号控制气体压力的装置，它只能适用于低压的诚，因此需要先将气体减压到它所能承受的范围内。工作时，电磁比例阀根据PC机发出的控制信号将通过减压阀的低压气体送到压力伺服阀中，压力伺服阀为气体先导式伺服阀，根据低压气体来控制阀芯的开合，进而控制输出气体的压力高低 。

系统通过-个电磁阀来控制流量的输入，当流量的反馈值偏大时根据输出信号的大小设置电磁阀的开· 162· 机床与液压 第 41卷Nc控制器 -- 机床智能监测拈决策规划拈实时控制拈知识库数据库图10 智能化数控加工系统结构模式(6)造型宜人化。

4.2 软件 方 面图形的生成技术和建模技术，是改进和提高国产CAD/CAM软件的当务之急。

4.3 自动仿真技术综合全面考虑干涉 、避让检查等约束条件及尝试考虑切削参数、切削力及其他物理因素的影响，从而实现几何仿真和力学仿真的结合。

5 结束语论述了多轴多刀数控加工技术的定义及原理，并对其硬件数控机床的研究现状进行了总结，指出：(1)并联机床、复合加工机床、数控加工刀具与夹具及数控机床与工业机器人的结合是其主要发展方向；(2)对软件进行了综述：手工编程也有适用诚，自动编程是主流，仿真技术是其薄弱点。

(3)对多轴多刀数控加工技术在硬件、软件发展趋势方面进行了预测。