利用LabVIEW和NI Single-Board RIO開發(fā)太陽能供電的牛奶冷藏系統(tǒng)

挑戰(zhàn):
為印度無法確保電力穩(wěn)定供應(yīng)的農(nóng)村地區(qū)開發(fā)牛奶冷藏系統(tǒng)。

解決方案:
通過對熱能的轉(zhuǎn)換和存儲，并在冷凍牛奶時釋放能量的方法，結(jié)合利用太陽能和可用的電網(wǎng)電力驅(qū)動一套冷藏系統(tǒng)。

為了解決印度缺少運(yùn)輸新鮮食品的冷鏈設(shè)施問題，Promethean Power Systems公司最近開發(fā)了一套冷藏系統(tǒng)，成功解決了印度奶業(yè)的面臨的一系列特殊挑戰(zhàn)。印度的牛奶供應(yīng)來源分散于廣大農(nóng)村中的無數(shù)個小農(nóng)場。現(xiàn)在的牛奶收集過程十分低效，主要依賴于每日兩次的熱牛奶收集工作，其結(jié)果是過高運(yùn)輸成本和頻繁的牛奶變質(zhì)—炎熱季節(jié)會高達(dá)30%。如果牛奶企業(yè)能夠在鄉(xiāng)村收集中心對原奶進(jìn)行速冷處理，那么運(yùn)輸成本能夠減少一半，并能避免牛奶變質(zhì)問題，還可以給奶農(nóng)帶來更多的收入。市場上已經(jīng)有專用的牛奶冷藏設(shè)備銷售了，然而農(nóng)村地區(qū)電力供應(yīng)不穩(wěn)定，如果采用該方案就需要利用柴油發(fā)電機(jī)為這些設(shè)備供電，毫無疑問這增加了投資和運(yùn)行成本，不是一種好的解決方案。

基于這些調(diào)查，我們開始設(shè)計(jì)一套更適合偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村地區(qū)的牛奶冷藏系統(tǒng)。因?yàn)槲覀冋莆樟祟I(lǐng)先的太陽能設(shè)備的專業(yè)知識與技術(shù)，并且對于例如像印度這些陽光充足的地區(qū)，太陽能普遍被認(rèn)為是一種可行而且經(jīng)濟(jì)的能源，所以我們基于太陽能進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，由于牛奶冷卻系統(tǒng)格外重要，必須全年全天候運(yùn)行，因此我們將太陽能和可用的電網(wǎng)電力結(jié)合起來成為一個更完美的系統(tǒng)，即使在長時間烏云蔽日的天氣或者電網(wǎng)中斷的情況下也能正常運(yùn)行（圖1）。

圖1.太陽能光伏陣列為藍(lán)色屋頂建筑內(nèi)的冷藏系統(tǒng)供電

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵部分就是管理兩套電源（太陽能和電網(wǎng)）與負(fù)載配電的控制系統(tǒng)。負(fù)載通常為一個冷水箱，它利用一個制冷壓縮機(jī)將電力能源轉(zhuǎn)化為制冷功并將熱能儲存起來。然后這部分冷水在早晨和晚間收集牛奶時用于冷卻牛奶。另外，還有一套小的電池負(fù)載系統(tǒng)用于確保控制系統(tǒng)和制冷泵在沒有太陽能和電網(wǎng)電力時正常運(yùn)行。

我們意識到需要設(shè)計(jì)一套嵌入式控制系統(tǒng)以運(yùn)行各種復(fù)雜算法，同時為奶農(nóng)提供一個簡單的操作界面。因此，我們決定采用NI Single-Board RIO平臺和LabVIEW實(shí)時模塊作為我們的開發(fā)系統(tǒng)。

在簡單操作界面（圖2）的后面是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，它結(jié)合LabVIEW軟件和NI硬件來控制牛奶冷藏系統(tǒng)的運(yùn)行，并為后續(xù)工程分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)收集寶貴的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的輸入包括溫度、電流和流量傳感器，輸出為數(shù)字控制信號，大部分輸出是通過對可重配置I/O(RIO)平臺內(nèi)置FPGA硬件編程生成的。

圖2.為奶農(nóng)設(shè)計(jì)的簡易操作界面

控制軟件包括多個不同的且獨(dú)立的并行運(yùn)行的比例-積分-微分（PID）控制循環(huán)以控制系統(tǒng)溫度保持在系統(tǒng)的關(guān)鍵溫度點(diǎn)。另外，嵌入式軟件為后續(xù)分析收集和存儲了數(shù)據(jù)。這套系統(tǒng)的一個特點(diǎn)是配合簡單的文本通信協(xié)議及專用的Twitter賬號（圖3），使用手機(jī)通信--通常偏遠(yuǎn)地區(qū)只有這種通訊方式--發(fā)布運(yùn)行的概要數(shù)據(jù)。

圖3.LabVIEW系統(tǒng)定時向twitter網(wǎng)頁發(fā)布運(yùn)行數(shù)據(jù)

系統(tǒng)一個重要的方面是動態(tài)負(fù)載平衡算法。該算法調(diào)節(jié)系統(tǒng)以太陽能獨(dú)立供電、電網(wǎng)獨(dú)立供電或者太陽能與電網(wǎng)聯(lián)合供電的方式運(yùn)行（如圖4）。動態(tài)負(fù)載平衡通過利用FPGA平臺自行編程、使用PWM信號控制流向制冷壓縮機(jī)的電力得以實(shí)現(xiàn)。

圖4.利用LabVIEW實(shí)時模塊和FPGA編程實(shí)現(xiàn)動態(tài)負(fù)載平衡

系統(tǒng)由于加入的電池，因而變得更加復(fù)雜。電池在系統(tǒng)中扮演了負(fù)載和電源的雙重角色。針對這一特性設(shè)計(jì)了一套控制算法，用于判定何時電池需要充電、何時電池作為系統(tǒng)的電源。電池控制經(jīng)過仔細(xì)的設(shè)計(jì)能夠確保電池組始終高效地充電。

結(jié)論
使用LabVIEW實(shí)時模塊和NI Single-Board RIO平臺，我們設(shè)計(jì)并搭建現(xiàn)場試驗(yàn)原型系統(tǒng)，這套系統(tǒng)運(yùn)行著復(fù)雜的控制算法并采集寶貴的工程數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)具有操作方便、易于糾錯的特點(diǎn)。系統(tǒng)現(xiàn)在運(yùn)行于印度南部偏遠(yuǎn)地區(qū)，每天進(jìn)行牛奶冷卻工作。隨著我們向批量生產(chǎn)和商業(yè)化方向不斷推進(jìn)，從這個原型上收集的數(shù)據(jù)將用于后續(xù)的系統(tǒng)改進(jìn)和簡化設(shè)計(jì)中。