"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(wǎng)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(shù)個小農場?，F(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(jīng)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(jīng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng))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(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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。

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

        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(wǎng)獨立供電或者太陽能與電網(wǎng)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(xiàn)。

　                                       　圖4.利用LabVIEW實時模塊和FPGA編程實現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)具有操作方便、易于糾錯的特點。系統(tǒng)現(xiàn)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(chǎn)和商業(yè)化方向不斷推進，從這個原型上收集的數(shù)據(jù)將用于后續(xù)的系統(tǒng)改進和簡化設計中。