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NI技術市場工程師   湯敏

    概述

    在資源緊張、溫室效應日趨嚴重的今天，能源與環境一直以來都是人們目光關注的焦點，也是全世界共同面臨的有史以來最嚴峻的科技與社會挑戰。各國政府，包括發達國家和發展中國家都紛紛出臺了相應法規和節能減排的約束性指標，各大主流媒體和廠商也大大提高了對“綠色”的強調力度——這些越來越多的關注帶來了新的課題和需求。為了滿足這些新出現的需求，工程師們需要‘量化問題’，并進而‘解決問題’，綠色工程正是通過創新的圖形化開發平臺，為工程師們提供了測量、自動化以及設計工具，從而構建節約能源、保護環境的綠色應用。

    綠色工程 —— 量化問題，解決問題

    1983年以來我國能源加工轉換效率一直徘徊在70％左右，導致能源消耗高、環境污染重。國家“十一五”規劃提出了節能降耗和污染減排目標，并作為約束性指標。綠色工程的目的就是降低產品的排污量，開發消耗更少能源的設備，創造可行的再生能源技術。

    本質上進行綠色工程與進行任何其他類型的工程創新并沒有任何不同。首先，需要測量所關心的參數，例如功率品質和功率消耗；車輛以及工廠的排污量，例如水銀和氮氧化物等；環境數據，包括二氧化碳、溫度以及水質。這不僅是一個數據獲取和過程分析的過程，也是促使人們改變行為方式的契機。

    “我們發現對于能源和溫室氣體, 一旦你開始測量具體的數據，人們就會減少使用,” “測量不僅僅是簡單的任務, 一旦公司有一個合適的基準，他們就會開始考慮改變(使用能源的方式)”

    Linda Fisher, the chief sustainability officer at DuPont

    Excerpt from “A Change in Climate”, published in the January 2008 issue of the Economist

    通過‘量化問題’的過程，工程師們可以從數萬個可靠測量系統獲取前所未有的大量可靠精確數據，從而在此基礎上對產品和過程進行改進，創建更高效的技術與流程，設計并開發下一代產品和技術以‘解決問題’，最終獲得環境以及經濟上的利益。

    來看一個更為具體的例子。世界最大的鋼鐵公司之一、美國最大的鋼鐵回收公司Nucor Steel在新近收購的小型鋼鐵廠增加了自動化系統，以便提高效率和安全性。工程師使用LabVIEW圖形化開發軟件和NI硬件開發了天平與稱重系統，測量鋼鐵的精確重量，以得出電力加熱爐鑄鐵所需能量的精確值。在開發此系統之前，鋼鐵在每個熔爐的重量是估計得到的，時常產生偏差導致過度加熱鋼鐵，不僅在過程中浪費了電力，還導致新鑄鋼鐵質量不合格，且不合格鋼鐵的重鑄還需要消耗大量能量、花費大量資金。這是一個典型的‘量化問題’‘解決問題’的綠色案例，借助此稱重系統，Nucor將需要重鑄鋼材總批次數從6000多(2006年)減少到僅10個批次(2007年)。不僅極大的降低了電力消耗從而節約生產成本，也為環境治理做出了不小的貢獻。
綠色工程技術

    幾十年以來，科學家和工程師一直為世界上一些共同的挑戰而不斷創新，尋求可能的解決方案。回顧近30年來的發展，如圖1所示，在很多深受關注的領域都取得了巨大的突破和進展，2004年開始越來越多的學者們把注意力放在了和環境相關的課題上，包括開發新的清潔能源利用方式、提高現有產品的能源效率、以及環境和氣候變化的研究。
 
    這些綠色工程相關的課題所需要的技術及其廣泛，從測試測量、工業自動化控制到嵌入式系統。比如前文提到的Nucor Steel綠色案例就涉及到如下一些重要技術：

    用于測量和解決問題的圖形化軟件

    高速及高分辨率測量技術

    領域專用的分析和處理函數庫

    用于高級控制的FPGA
 
   上述技術中的一部分是隨著半導體行業的發展而出現的——半導體的發展為模數轉換器（ADC）的功能帶來了重大改進，相應的也為高速及高分辨率測量技術帶來了新的發展。其他的一些技術已經存在了一段時間，但是通過對設計和工程工具進行改進，領域專家也能夠比較方便的直接使用這些技術，而無需依賴于相應的技術人員。這種方式將必須的技術直接交給了最接近問題本身的人們，因此相比過去，他們能夠更成功地開發各種解決方案。

    通過NI圖形化平臺構建綠色應用及客戶案例分析

    綠色工程的應用涵蓋幾乎各個行業，盡管對這些綠色工程的應用有許多分類方法，大部分應用可以歸入以下五個類別：

    1、可再生能源發電

    2、功率品質

    3、環境監測

    4、機器與過程優化

    5、綠色產品與技術的開發和測試

    下面的例子展示了綠色工程在可再生能源發電以及環境監測中的應用。
 
    可再生能源發電

    可再生能源發電涵蓋了很多方面技術，包括風能、太陽能（光伏發電與熱能發電）、生物燃料、水能、潮汐能、地熱甚至還包括高能物理。在環境適應目標和不斷加強的政府法規的驅使下，這些領域的研究和開發在全世界發展地很快。現在，超過50個不同政治、地理和經濟條件的國家都在可再生資源進行發電中設置了較高的目標（見表1）。

表1  政府為可再生能源所設置的目標

    風力發電以40%的比率，在全球可再生能源（不包括大型水電）的利用中高居榜首。此外，根據預期：風力發電機的裝機容量將繼續以每年25%至30%的速率遞增。2007年，風力發電總瓦數已逾90 GW。風電機組的各項開發和工程應用十分復雜，涉及結構分析、機器狀態監控、電能質量與性能監控、環境監控與現場測試、汽輪機控制、測功機和性能測試等各個領域。其中最大的挑戰之一是開發精確的控制系統降低強風對風電機產生的破壞。工程師必須利用復雜的算法控制來控制風電機, 當風速小于額定風速時,能調節系統的轉速來實現風能的最佳利用, 當風速在大于額定風速時, 能通過調節葉片的漿距角來使系統維持在恒定的轉速。NI LabVIEW實時軟件以及PXI硬件是對這些算法進行原型開發、測試其可靠性以及驗證其性能的關鍵組件。此外，為了滿足更大發電量的需求，需要安裝更大尺寸高達350英尺的葉片, 風電工程師必須根據結構和空氣動力學對葉片進行更為復雜的設計。

    太陽能制造商希望降低太陽能電池的材料成本并且提高其工作效率。他們需要更簡單、更快捷的方法對設備光伏輸出性能進行測試，對半導體封裝過程進行細致和精確的控制，以及對太陽能電池陣列并網進行精確的功率品質測量。

    風能和太陽能應用的要求雖然并不能代表所有應用的需求，但是它們能夠大致反應出所有開發可再生能源應用的工程師為了尋求測量和設計下一代技術更好方法的需求。

    環境監測

    聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2007年的評估報告聲明隨著全球氣溫與海洋溫度的上升趨勢，大面積冰雪的熔化擴散以及海洋水位的上升等證據的出現，全球變暖是十分明顯的。通常認為在氣候變暖中的一個主要因素是大氣中溫室氣體的增加。

    控制和降低溫室氣體排放的措施在不斷實施中。1997年，京都協定書指定了在2012年之前將溫室氣體（GHG）排放減少到低于1990年水準的藍圖。

    精確跟蹤并監督GHG的實際排放是京都協定書的核心，如果不可能直接測量實際GHG排放，使用基于活動的功率消耗來替代測量和計算也是很有效的方法。不管在哪種情況中，實測數據的可用性和可靠性都隨著越來越多制度的實施和經濟影響的產生而變得越來越重要。 
 
    理解氣候和碳

    隨著政府和工業界在努力減少GHG的排放，科學界也在不斷努力以求更完全地理解世界氣候、碳交換機理、生態互動以及全球變暖的影響，并對它們進行建模。像這些復雜、混沌的系統需要十分精細的模型和仿真、大量超級計算機資源以及盡可能精確的基準數據。

    舉例而言，嵌入式網絡傳感中心（CENS）的研究員正在使用NI CompactRIO硬件平臺研究多種生態系統中碳的動態交換過程。CO2的特性之一是它會增強溫室效應，因為它能夠吸收紅外（IR）區域的光線。這種特性可以利用在包含紅外光源、光學濾波器和紅外探測器的光譜傳感器上。將濾波器調節到被CO2所吸收的紅外線波長，紅外探測器輸出就與CO2濃度成比例。研究員能夠方便地將這個傳感器的模擬輸出連接到例如CompactRIO等數據采集系統的電壓輸入或4至20 mA電流輸入。此外，許多如CO2探測器等環境傳感器具有SDI-12串行數據接口，利用這個接口可以把傳感器通過一個簡易適配器連接到CompactRIO上。將CO2濃度的數據與氣體流速的測量結果結合在一起，研究員就可以計算在森林頂蓋之間與其上方實際CO2的流量。其他CompactRIO系統測量在土壤表面下多個位置的CO2濃度和濕度，以便找出CO2的源頭。CompactRIO系統的分組使用了無線網絡，從而可以同時采集并記錄來自多個采樣點的數據，對正在研究的區域進行特征提取，將數據通過蜂窩(cell)節點或無線鏈路周期性地傳送到中心在線數據庫。
 
    CompactRIO監測系統是作為原型系統所開發的，用于美國國家生態觀測站網絡（NEON），它是由美國國家自然基金會（NSF）所支持的洲際研究平臺。橫跨大洲的NEON工作站將會使用此系統測量在森林、土壤、大氣之間的CO2以及其他氣體的交換，以及植物、土壤、水體的物理、化學和微生物特性。數據將傳送到中央處理中心，并且與世界其他地區的科學家進行共享。目前，CompactRIO監測系統正在哥斯達黎加的La Selva生物站持續工作， CompactRIO系統還被發布在加州的James San Jacinto和Stunt Ranch Santa Monica山脈保護站中。

    總結

    隨著社會的環境和能源挑戰變化越來越嚴峻，我們比過去更加需要具備專業技能的創新工程師和科學家對世界進行變革和改進。綠色工程利用測量和控制技術對產品、技術和過程進行設計、開發和改進，通過‘量化問題’‘解決問題’構建綠色應用，最終獲得環境以及經濟上的利益。