利用LabVIEW開發太陽能供電的牛奶冷藏系統

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zui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?，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*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*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）。

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?？刂葡到y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。

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。

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。

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。

利用LabVIEW開發太陽能供電的牛奶冷藏系統