Zdecentralizowane moduły wejść/wyjść do mobilnego stanowiska badawczego ogniw paliwowych

„Sama bateria nie wystarczy” – mówi Siegfried Limmer, odnosząc się do rewolucji energetycznej. „W przyszłości będziemy potrzebować zarówno technologii wodorowych, jak i akumulatorowych”. Już teraz na co dzień przekonuje się, że w wyniku tych zmian rośnie również popyt na ogniwa paliwowe. Jako dyrektor zarządzający firmy FutureE z siedzibą w Nürtingen, zajmującej się usługami rozwojowymi, Limmer wraz z pracownikami i partnerami pracuje nad systemami ogniw paliwowych. Klienci firmy pochodzą z branży transportu bliskiego, przemysłu motoryzacyjnego i pojazdów użytkowych, ale także z sektora energetycznego i budowlanego.

Możliwości optymalizacji: układ ogniw paliwowych

„Zainteresowanie ogniwami paliwowymi będzie rosło i zakładam, że my będziemy rozwijać się wraz z nim” – mówi z przekonaniem dyrektor zarządzający. Są ku temu wszelkie powody, ponieważ wykorzystanie wodoru w ogniwach paliwowych wciąż oferuje potencjał optymalizacji. W tym procesie elektrochemicznym wodór utlenia się na anodzie, podczas gdy na katodzie, przy dopływie tlenu, powstaje woda. Uwolnione w ten sposób elektrony mogą zasilać odbiorniki elektryczne. Jednak podobnie jak w przypadku silnika spalinowego, który od momentu wynalezienia był nieustannie ulepszany, technologia ogniw paliwowych nadal ma duży potencjał optymalizacji. Oprócz temperatury, ciśnienia i innych warunków panujących w reakcji, można również zoptymalizować materiały biorące udział w reakcjach, takie jak elektrolit lub katalizator.

Stanowisko testowe

Aby móc testować własne systemy ogniw paliwowych, firma FutureE opracowała stanowisko badawcze, które można wykorzystać również w warunkach laboratoryjnych. Testowanie w tym przypadku oznacza coś więcej niż tylko kontrolę jakości na końcowym etapie produkcji. Testowanie stanowi główną część prac rozwojowych, ponieważ sprawność ogniwa paliwowego zależy od wielu parametrów, które są odtwarzane w niezliczonych iteracjach w celu określenia idealnych parametrów pracy dla różnych scenariuszy obciążenia systemu ogniw paliwowych. Gwarantuje to, że system zawsze działa z idealnymi parametrami pracy w różnych warunkach otoczenia – zarówno przy zerowej temperaturze i pięciu procentach wilgotności, jak i w tropikalnych 40 stopniach i 80 procentach wilgotności względnej.

LabVIEW: quasi-standard dla stanowisk testowych

Oprogramowanie LabVIEW firmy National Instruments stanowi praktycznie standard w zakresie kompleksowych procedur testowych w badaniach naukowych. Jednak LabVIEW jest również wykorzystywane do obsługi stanowisk testowych w procesie rozwoju produktów, a coraz częściej również równolegle z produkcją. „Szczególnie przy obliczeniach z wykorzystaniem funkcji tablicowych nakład pracy związany z programowaniem sterownika PLC jest znacznie większy. Nawet w zakresie projektowania graficznego interfejsu użytkownika LabVIEW oferuje znacznie więcej możliwości niż sterownik PLC” – wyjaśnia Albert Wais. Zna on Siegfrieda Limmera od lat, m.in. z czasów wspólnej pracy u producenta ogniw paliwowych. Wais specjalizuje się w programowaniu w LabVIEW i wspiera FutureE w bieżących projektach. Dla Waisa LabVIEW było zasadniczo oprogramowaniem służącym do obsługi stanowiska testowego. Program ten można wykorzystać do automatyzacji całych serii testów i przeprowadzania ich w sposób niezależny.

Podłączenie sygnałów w szafie sterowniczej: niezmienione zgodnie z dotychczasową praktyką

W badaniach stanowiska testowe są zazwyczaj wyposażone w szafę sterowniczą, w której umieszczone są urządzenia pomiarowe i regulacyjne, a także elementy sterowania, sprzęt informatyczny i urządzenia komunikacyjne. Szafa sterownicza znajduje się zazwyczaj poza pomieszczeniem testowym, ponieważ w jego wnętrzu symulowane są trudne warunki klimatyczne. Kable do czujników i elementów wykonawczych na stanowisku badawczym oraz na badanym obiekcie muszą być zatem poprowadzone indywidualnie z pomieszczenia testowego do szafy sterowniczej.

Podczas testów często pojawiają się kwestie, których nie dało się przewidzieć na etapie planowania. „Wymaga to dodatkowych sygnałów. Zawsze planuje się kanały rezerwowe, ale ostatecznie to za mało” – mówi Wais, opisując ten dylemat na podstawie własnego doświadczenia. „Wtedy trzeba poprowadzić szereg kabli z szafy sterowniczej do obszaru testowego i laboratoryjnego, co wymaga dużego nakładu pracy mechanicznej i może wiązać się z nowymi procedurami zatwierdzania”.

Zdecentralizowane połączenie sygnałowe

W międzyczasie zdecentralizowane połączenia sygnałowe stały się w przemyśle powszechną alternatywą dla połączeń punkt-punkt. Moduły we/wy o stopniu ochrony IP67 montuje się bezpośrednio na maszynie; odbierają one sygnały i przekazują je do panelu sterowania za pomocą pojedynczego kabla Ethernet. Do tej pory rozwiązania we/wy IP67 były rzadko stosowane do komunikacji ze stanowiskami testowymi, częściowo dlatego, że moduły we/wy zaprojektowane dla Industrial Ethernet mają trudności z komunikacją z LabVIEW. Albert Wais wyjaśnia tę sytuację, mówiąc: „Istnieje sterownik NI dla Ethernet/IP, ale jest on tak prymitywny, że właściwie nie da się na nim pracować”. Zrozumiałe jest, że firma National Instruments nie traktuje Ethernet/IP jako priorytetu dla LabVIEW, zwłaszcza że oprogramowanie to jest używane do testów podczas produkcji dopiero od kilku lat.

Wyjątkowe: moduły we/wy o stopniu ochrony IP67 z sterownikiem LabVIEW

To właśnie Albert Wais pomógł wypełnić tę lukę. W ramach projektu realizowanego wspólnie z producentem maszyn specjalistycznych Kirschenhofer oraz firmą Britax Römer pracownicy Wais i Kirschenhofer opracowali sterownik LabVIEW dla zdecentralizowanych modułów we/wy TBEN-S firmy TURCK. „Wymagało to ogromnego wysiłku, ponieważ na samym początku tego projektu wybraliśmy najbardziej złożony moduł z rodziny TBEN-S z modułem RFID”. Jednak praca opłaciła się: użytkownicy mogą teraz znaleźć sterowniki LabVIEW dla większości modułów we/wy firmy TURCK o stopniu ochrony IP67 w bazie danych sterowników NI.

W związku z tym firma Wais zaleciła również zastosowanie modułów TBEN-S firmy TURCK do podłączenia sygnałów w środowisku LabVIEW w ramach stanowiska testowego FutureE. „Moduły TBEN-S sprawdzają się idealnie zwłaszcza podczas testów klimatycznych. Instalujemy je bezpośrednio w komorze klimatycznej i wystarczy poprowadzić tylko jeden przewód. W komorze klimatycznej możemy następnie elastycznie dodawać kolejne moduły – bez konieczności wyciągania nowych przewodów. Ta elastyczność jest dla nas ogromną zaletą” – potwierdza Siegfried Limmer.

Klient końcowy zyskuje dzięki elastyczności

Oprócz sygnałów z czujników do stanowiska badawczego należy podłączyć również elementy wykonawcze, na przykład do sterowania wodą chłodzącą i wentylatorem chłodzącym. Elastyczność zapewniają również same moduły. Oznacza to, że kanały DXP modułu TBEN-S mogą być wykorzystywane jako wejścia lub wyjścia bez konieczności konfiguracji. Zastosowanie modułowego systemu we/wy na stanowisku badawczym przyniesie również korzyści klientom FutureE. „W końcu nasi klienci zazwyczaj angażują się w rozwój po tym, jak przekażemy im system. Wtedy też zyskują na możliwości późniejszej zmiany funkcji lub rozbudowy systemu”. System jest przekazywany w taki sposób, aby klient mógł później uruchamiać własne scenariusze testowe za pośrednictwem interfejsu LabVIEW. Użytkownik może następnie zdefiniować te procedury.

Podsumowanie

Dyrektor zarządzający Limmer jest równie zadowolony z projektu stanowiska testowego, jak i z modułów we/wy. „Wymagania zmieniają się w zależności od klienta. Czasami opracowujemy systemy do wózków widłowych, czasami do instalacji grzewczych lub przenośnych generatorów. Wymagania są zawsze inne, ale dzięki modułom we/wy możemy je wszystkie zrealizować. Bardzo cenimy te moduły właśnie za to. Ułatwiają nam pracę”.

Klient | www.future-e.com