"利用LabVIEW和NI Single-Board RIO開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能供電的牛奶冷藏系統"

　　"我們意識到我們需要設計一套嵌入式控制系統以運行各種復雜算法，同時(shí)為奶農提供一個(gè)簡(jiǎn)單的操作界面。因此，我們決定采用NI Single-Board RIO平臺和LabVIEW實(shí)時(shí)模塊作為我們的開(kāi)發(fā)系統。"              – Sorin Grama, Promethean Power Systems, USA

　　The Challenge:

　　為印度無(wú)法確保電力穩定供應的農村地區開(kāi)發(fā)牛奶冷藏系統。

　　The Solution:

　　通過(guò)對熱能的轉換和存儲，并在冷凍牛奶時(shí)釋放能量的方法，結合利用太陽(yáng)能和可用的電網(wǎng)電力驅動(dòng)一套冷藏系統。

　　Author(s):

　　Sorin Grama - Promethean Power Systems, USA

　　為了解決印度缺少運輸新鮮食品的冷鏈設施問(wèn)題，Promethean Power Systems公司最近開(kāi)發(fā)了一套冷藏系統，成功解決了印度奶業(yè)的面臨的一系列特殊挑戰。印度的牛奶供應來(lái)源分散于廣大農村中的無(wú)數個(gè)小農場(chǎng)?，F在的牛奶收集過(guò)程十分低效，主要依賴(lài)于每日兩次的熱牛奶收集工作，其結果是過(guò)高運輸成本和頻繁的牛奶變質(zhì)—炎熱季節會(huì )高達30%。如果牛奶企業(yè)能夠在鄉村收集中心對原奶進(jìn)行速冷處理，那么運輸成本能夠減少一半，并能避免牛奶變質(zhì)問(wèn)題，還可以給奶農帶來(lái)更多的收入。市場(chǎng)上已經(jīng)有專(zhuān)用的牛奶冷藏設備銷(xiāo)售了，然而農村地區電力供應不穩定，如果采用該方案就需要利用柴油發(fā)電機為這些設備供電，毫無(wú)疑問(wèn)這增加了投資和運行成本，不是一種好的解決方案。

　　基于這些調查，我們開(kāi)始設計一套更適合偏遠鄉村地區的牛奶冷藏系統。因為我們掌握了領(lǐng)先的太陽(yáng)能設備的專(zhuān)業(yè)知識與技術(shù)，并且對于例如像印度這些陽(yáng)光充足的地區，太陽(yáng)能普遍被認為是一種可行而且經(jīng)濟的能源，所以我們基于太陽(yáng)能進(jìn)行了系統設計。然而，由于牛奶冷卻系統格外重要，必須全年全天候運行，因此我們將太陽(yáng)能和可用的電網(wǎng)電力結合起來(lái)成為一個(gè)更完美的系統，即使在長(cháng)時(shí)間烏云蔽日的天氣或者電網(wǎng)中斷的情況下也能正常運行(圖1)。

                            圖1.太陽(yáng)能光伏陣列為藍色屋頂建筑內的冷藏系統供電

       系統設計的一個(gè)關(guān)鍵部分就是管理兩套電源(太陽(yáng)能和電網(wǎng))與負載配電的控制系統。負載通常為一個(gè)冷水箱，它利用一個(gè)制冷壓縮機將電力能源轉化為制冷功并將熱能儲存起來(lái)。然后這部分冷水在早晨和晚間收集牛奶時(shí)用于冷卻牛奶。另外，還有一套小的電池負載系統用于確?？刂葡到y和制冷泵在沒(méi)有太陽(yáng)能和電網(wǎng)電力時(shí)正常運行。

　　我們意識到需要設計一套嵌入式控制系統以運行各種復雜算法，同時(shí)為奶農提供一個(gè)簡(jiǎn)單的操作界面。因此，我們決定采用NI Single-Board RIO平臺和LabVIEW實(shí)時(shí)模塊作為我們的開(kāi)發(fā)系統。

　　在簡(jiǎn)單操作界面(圖2)的后面是一套復雜的系統，它結合LabVIEW軟件和NI硬件來(lái)控制牛奶冷藏系統的運行，并為后續工程分析和改進(jìn)設計收集寶貴的數據。系統的輸入包括溫度、電流和流量傳感器，輸出為數字控制信號，大部分輸出是通過(guò)對可重配置I/O(RIO)平臺內置FPGA硬件編程生成的。

圖2.為奶農設計的簡(jiǎn)易操作界面

　　控制軟件包括多個(gè)不同的且獨立的并行運行的比例-積分-微分(PID)控制循環(huán)以控制系統溫度保持在系統的關(guān)鍵溫度點(diǎn)。另外，嵌入式軟件為后續分析收集和存儲了數據。這套系統的一個(gè)特點(diǎn)是配合簡(jiǎn)單的文本通信協(xié)議及專(zhuān)用的Twitter賬號(圖3)，使用手機通信--通常偏遠地區只有這種通訊方式--發(fā)布運行的概要數據。

　　                                           圖3.LabVIEW系統定時(shí)向twitter網(wǎng)頁(yè)發(fā)布運行數據

        系統一個(gè)重要的方面是動(dòng)態(tài)負載平衡算法。該算法調節系統以太陽(yáng)能獨立供電、電網(wǎng)獨立供電或者太陽(yáng)能與電網(wǎng)聯(lián)合供電的方式運行(如圖4)。動(dòng)態(tài)負載平衡通過(guò)利用FPGA平臺自行編程、使用PWM信號控制流向制冷壓縮機的電力得以實(shí)現。

　                                       　圖4.利用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和FPGA編程實(shí)現動(dòng)態(tài)負載平衡

        系統由于加入的電池，因而變得更加復雜。電池在系統中扮演了負載和電源的雙重角色。針對這一特性設計了一套控制算法，用于判定何時(shí)電池需要充電、何時(shí)電池作為系統的電源。電池控制經(jīng)過(guò)仔細的設計能夠確保電池組始終高效地充電。

　　結論

　　使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和NI Single-Board RIO平臺，我們設計并搭建現場(chǎng)試驗原型系統，這套系統運行著(zhù)復雜的控制算法并采集寶貴的工程數據，同時(shí)系統具有操作方便、易于糾錯的特點(diǎn)。系統現在運行于印度南部偏遠地區，每天進(jìn)行牛奶冷卻工作。隨著(zhù)我們向批量生產(chǎn)和商業(yè)化方向不斷推進(jìn)，從這個(gè)原型上收集的數據將用于后續的系統改進(jìn)和簡(jiǎn)化設計中。