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

　　"我們意識到我們需要設計一套嵌入式控制系統(tǒng)以運行各種復雜算法，同時為奶農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實時模塊作為我們的開發(fā)系統(tǒng)。"              – Sorin Grama, Promethean Power Systems, USA

　　The Challenge:

　　為印度無法確保電力穩(wěn)定供應的農村地區(qū)開發(fā)牛奶冷藏系統(tǒng)。

　　The Solution:

　　通過對熱能的轉換和存儲，并在冷凍牛奶時釋放能量的方法，結合利用太陽能和可用的電網電力驅動一套冷藏系統(tǒng)。

　　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)。印度的牛奶供應來源分散于廣大農村中的無數個小農場?，F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，其結果是過高運輸成本和頻繁的牛奶變質—炎熱季節(jié)會高達30%。如果牛奶企業(yè)能夠在鄉(xiāng)村收集中心對原奶進行速冷處理，那么運輸成本能夠減少一半，并能避免牛奶變質問題，還可以給奶農帶來更多的收入。市場上已經有專用的牛奶冷藏設備銷售了，然而農村地區(qū)電力供應不穩(wěn)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，毫無疑問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，我們開始設計一套更適合偏遠鄉(xiāng)村地區(qū)的牛奶冷藏系統(tǒng)。因為我們掌握了領先的太陽能設備的專業(yè)知識與技術，并且對于例如像印度這些陽光充足的地區(qū)，太陽能普遍被認為是一種可行而且經濟的能源，所以我們基于太陽能進行了系統(tǒng)設計。然而，由于牛奶冷卻系統(tǒng)格外重要，必須全年全天候運行，因此我們將太陽能和可用的電網電力結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中斷的情況下也能正常運行(圖1)。

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

       系統(tǒng)設計的一個關鍵部分就是管理兩套電源(太陽能和電網)與負載配電的控制系統(tǒng)。負載通常為一個冷水箱，它利用一個制冷壓縮機將電力能源轉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載系統(tǒng)用于確?？刂葡到y(tǒng)和制冷泵在沒有太陽能和電網電力時正常運行。

　　我們意識到需要設計一套嵌入式控制系統(tǒng)以運行各種復雜算法，同時為奶農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)的后面是一套復雜的系統(tǒng)，它結合LabVIEW軟件和NI硬件來控制牛奶冷藏系統(tǒng)的運行，并為后續(xù)工程分析和改進設計收集寶貴的數據。系統(tǒng)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.為奶農設計的簡易操作界面

　　控制軟件包括多個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(tǒng)溫度保持在系統(tǒng)的關鍵溫度點。另外，嵌入式軟件為后續(xù)分析收集和存儲了數據。這套系統(tǒng)的一個特點是配合簡單的文本通信協(xié)議及專用的Twitter賬號(圖3)，使用手機通信--通常偏遠地區(qū)只有這種通訊方式--發(fā)布運行的概要數據。

　　                                           圖3.LabVIEW系統(tǒng)定時向twitter網頁發(fā)布運行數據

        系統(tǒng)一個重要的方面是動態(tài)負載平衡算法。該算法調節(jié)系統(tǒng)以太陽能獨立供電、電網獨立供電或者太陽能與電網聯(lián)合供電的方式運行(如圖4)。動態(tài)負載平衡通過利用FPGA平臺自行編程、使用PWM信號控制流向制冷壓縮機的電力得以實現。

　                                       　圖4.利用LabVIEW實時模塊和FPGA編程實現動態(tài)負載平衡

        系統(tǒng)由于加入的電池，因而變得更加復雜。電池在系統(tǒng)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，用于判定何時電池需要充電、何時電池作為系統(tǒng)的電源。電池控制經過仔細的設計能夠確保電池組始終高效地充電。

　　結論

　　使用LabVIEW實時模塊和NI Single-Board RIO平臺，我們設計并搭建現場試驗原型系統(tǒng)，這套系統(tǒng)運行著復雜的控制算法并采集寶貴的工程數據，同時系統(tǒng)具有操作方便、易于糾錯的特點。系統(tǒng)現在運行于印度南部偏遠地區(qū)，每天進行牛奶冷卻工作。隨著我們向批量生產和商業(yè)化方向不斷推進，從這個原型上收集的數據將用于后續(xù)的系統(tǒng)改進和簡化設計中。