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

挑戰:
為印度無法確保電力穩定供應的農村地區開發牛奶冷藏系統。

解決方案:
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。

為了解決印度缺少運輸新鮮食品的冷鏈設施問題，Promethean Power Systems公司最近開發了一套冷藏系統，成功解決了印度奶業的面臨的一系列特殊挑戰。印度的牛奶供應來源分散于廣大農村中的無數個小農場。現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—炎熱季節會高達30%。如果牛奶企業能夠在鄉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，然而農村地區電力供應不穩定，如果采用該方案就需要利用柴油發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村地區的牛奶冷藏系統。因為我們掌握了領先的太陽能設備的專業知識與技術，并且對于例如像印度這些陽光充足的地區，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，因此我們將太陽能和可用的電網電力結合起來成為一個更完美的系統，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供電

系統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。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用于確保控制系統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系統。

在簡單操作界面（圖2）的后面是一套復雜的系統，它結合LabVIEW軟件和NI硬件來控制牛奶冷藏系統的運行，并為后續工程分析和改進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）控制循環以控制系統溫度保持在系統的關鍵溫度點。另外，嵌入式軟件為后續分析收集和存儲了數據。這套系統的一個特點是配合簡單的文本通信協議及專用的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--發布運行的概要數據。

圖3.LabVIEW系統定時向twitter網頁發布運行數據

系統一個重要的方面是動態負載平衡算法。該算法調節系統以太陽能獨立供電、電網獨立供電或者太陽能與電網聯合供電的方式運行（如圖4）。動態負載平衡通過利用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，用于判定何時電池需要充電、何時電池作為系統的電源。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，這套系統運行著復雜的控制算法并采集寶貴的工程數據，同時系統具有操作方便、易于糾錯的特點。系統現在運行于印度南部偏遠地區，每天進行牛奶冷卻工作。隨著我們向批量生產和商業化方向不斷推進，從這個原型上收集的數據將用于后續的系統改進和簡化設計中。