利用LabVIEW和NI Single-Board RIO开发太阳能供电的牛奶冷藏系统

挑战:
为印度无法确保电力稳定供应的农村地区开发牛奶冷藏系统。

解决方案:
通过对热能的转换和存储，并在冷冻牛奶时释放能量的方法，结合利用太阳能和可用的电网电力驱动一套冷藏系统。

为了解决印度缺少运输新鲜食品的冷链设施问题，Promethean Power Systems公司最近开发了一套冷藏系统，成功解决了印度奶业的面临的一系列特殊挑战。印度的牛奶供应来源分散于广大农村中的无数个小农场。现在的牛奶收集过程十分低效，主要依赖于每日两次的热牛奶收集工作，其结果是过高运输成本和频繁的牛奶变质—炎热季节会高达30%。如果牛奶企业能够在乡村收集中心对原奶进行速冷处理，那么运输成本能够减少一半，并能避免牛奶变质问题，还可以给奶农带来更多的收入。市场上已经有专用的牛奶冷藏设备销售了，然而农村地区电力供应不稳定，如果采用该方案就需要利用柴油发电机为这些设备供电，毫无疑问这增加了投资和运行成本，不是一种好的解决方案。

基于这些调查，我们开始设计一套更适合偏远乡村地区的牛奶冷藏系统。因为我们掌握了领先的太阳能设备的专业知识与技术，并且对于例如像印度这些阳光充足的地区，太阳能普遍被认为是一种可行而且经济的能源，所以我们基于太阳能进行了系统设计。然而，由于牛奶冷却系统格外重要，必须全年全天候运行，因此我们将太阳能和可用的电网电力结合起来成为一个更完美的系统，即使在长时间乌云蔽日的天气或者电网中断的情况下也能正常运行（图1）。

图1.太阳能光伏阵列为蓝色屋顶建筑内的冷藏系统供电

系统设计的一个关键部分就是管理两套电源（太阳能和电网）与负载配电的控制系统。负载通常为一个冷水箱，它利用一个制冷压缩机将电力能源转化为制冷功并将热能储存起来。然后这部分冷水在早晨和晚间收集牛奶时用于冷却牛奶。另外，还有一套小的电池负载系统用于确保控制系统和制冷泵在没有太阳能和电网电力时正常运行。

我们意识到需要设计一套嵌入式控制系统以运行各种复杂算法，同时为奶农提供一个简单的操作界面。因此，我们决定采用NI Single-Board RIO平台和LabVIEW实时模块作为我们的开发系统。

在简单操作界面（图2）的后面是一套复杂的系统，它结合LabVIEW软件和NI硬件来控制牛奶冷藏系统的运行，并为后续工程分析和改进设计收集宝贵的数据。系统的输入包括温度、电流和流量传感器，输出为数字控制信号，大部分输出是通过对可重配置I/O(RIO)平台内置FPGA硬件编程生成的。

图2.为奶农设计的简易操作界面

控制软件包括多个不同的且独立的并行运行的比例-积分-微分（PID）控制循环以控制系统温度保持在系统的关键温度点。另外，嵌入式软件为后续分析收集和存储了数据。这套系统的一个特点是配合简单的文本通信协议及专用的Twitter账号（图3），使用手机通信--通常偏远地区只有这种通讯方式--发布运行的概要数据。

图3.LabVIEW系统定时向twitter网页发布运行数据

系统一个重要的方面是动态负载平衡算法。该算法调节系统以太阳能独立供电、电网独立供电或者太阳能与电网联合供电的方式运行（如图4）。动态负载平衡通过利用FPGA平台自行编程、使用PWM信号控制流向制冷压缩机的电力得以实现。

图4.利用LabVIEW实时模块和FPGA编程实现动态负载平衡

系统由于加入的电池，因而变得更加复杂。电池在系统中扮演了负载和电源的双重角色。针对这一特性设计了一套控制算法，用于判定何时电池需要充电、何时电池作为系统的电源。电池控制经过仔细的设计能够确保电池组始终高效地充电。

结论
使用LabVIEW实时模块和NI Single-Board RIO平台，我们设计并搭建现场试验原型系统，这套系统运行着复杂的控制算法并采集宝贵的工程数据，同时系统具有操作方便、易于纠错的特点。系统现在运行于印度南部偏远地区，每天进行牛奶冷却工作。随着我们向批量生产和商业化方向不断推进，从这个原型上收集的数据将用于后续的系统改进和简化设计中。