MY-PV12太陽能基站光照跟隨PLC控製（zhì）實訓模型

        一種新型的可編程邏輯控製器plc(programmable logic controller)的太陽光自動跟蹤（zōng）係（xì）統，不僅能自動根據太陽光方向來調整太陽能（néng）電池板的朝向，結構簡單（dān）、而且在跟蹤過程（chéng）中能自動記憶和更正（zhèng）不同時（shí）間的坐標位置，不必人工幹預，特別適合天氣變（biàn）化比較複雜和無人值守的情況，有效（xiào）地提高了太陽能的利用（yòng）率，有較好的推廣應用價值和市場應用（yòng）前景。
一、自動跟蹤係統的組成及工作原理
        太陽能光照自動跟蹤控製係統由plc主控單元、光照度傳感器、方位傳感器和信號處理單元、光伏模塊（kuài）、電磁機械運動控製（zhì）模塊和（hé）電源模塊組成。係統的組成框圖如圖1所示。
 

圖1  係統組成（chéng）框圖

         太陽能（néng）光伏發（fā）電設備自動跟蹤係統的光敏探測頭(傳感器)是用來檢測太陽光強的。當有偏差發生（shēng）時（shí），偏差（chà）信號經過（guò）跟蹤plc主控單元(控製（zhì）器)，采用模擬（nǐ）差壓比較原理，進行運算、比較、發出指（zhǐ）令，使電動執行器動作，驅動（dòng）機（jī）械部分轉動推動整個裝（zhuāng）置旋轉，調整偏差，保證太陽能（néng）電池方（fāng）陣正（zhèng）對太陽光，達到自動跟蹤太陽的目的（de）。太陽能電池方陣在陽光的（de）照射下光伏發電，通過控製（zhì）器向蓄電池充電。係統配有自動保護線路，當風力達（dá）到8級時自動啟動，切斷跟蹤太陽（yáng）係統，使電池方陣快速收（shōu）平，在風力降下來時（shí）延時10分鍾（zhōng），解除防風係統，恢複跟蹤過程（chéng）。固定光強、跟蹤光（guāng）強、電瓶溫度和自然風速等由微機進行數據采集，並對蓄電池充電和放電（diàn）進（jìn）行分級（jí）控製。
        係統有自動和手動兩種控製（zhì）方式，sb1和sb2為（wéi）控製按鈕，用於手（shǒu）動操作，plc輸出的q0或q1分別連接（jiē）到兩個繼電器線圈，以控製太陽板的正反兩個運動方向。在自動運行模式下，plc首先比較來自信號處理單元的兩個模擬輸入的值（zhí），然後決定輸出q0或者q1。
1.1 可編（biān）程邏輯控製器plc單元        
        跟蹤控製器（qì）采用可（kě）編程邏輯控（kòng）製器plc，它是太（tài）陽能電池板跟蹤係統的控製核心，是係統（tǒng）研究工作（zuò）的重點。係統采用（yòng）歐姆龍(omron)公司近年推出的α係列plc，該機型（xíng）為介於大型機與小型機之間的中小型機，最大控製i/o點數為1184點。在應（yīng）用中，中央（yāng）處理器（qì）單元(cpu)采用c200hx-cpu43-e，它自（zì）帶一個編程口和一個rs232c口，該cpu具（jù）有（yǒu）豐富的（de）指令功能，編（biān）程（chéng）方便；開關量輸入模塊選用c200h-id212；開關量輸出模塊選用c200h-oc225；與上位機的通訊，通過（guò）在cpu中（zhōng）插入通訊板c200hw-com06-e(該板具（jù）有一個rs232c和一個rs-422/485)實現遠程通訊，由於采用了rs-422接口（kǒu），采取平（píng）衡式發送（sòng），因此數據傳輸率高，而且串擾小，傳輸距離可達500m。特別對串並聯的（de）並網光伏太陽（yáng）能電池陣列的跟蹤係（xì）統控製，能發揮plc現（xiàn）場總線控製的優（yōu）勢，進行集中控製。經過研究和（hé）優化設計，應用集成（chéng）標準線路，采用模擬差壓比（bǐ）較原理，控製器（qì）具有跟蹤精（jīng）度高、範圍寬、自動（dòng）返回功能。限位裝置具有東、西、上、下四個（gè）方位的極限（xiàn）限位功能。采用（yòng）雙重限位控製結構，即控製信號限位和（hé）驅動電機限位，保（bǎo）證了設備可靠地工（gōng）作。圖（tú）2所示為plc輸入/輸出硬件配置圖（tú）。

圖2  plc輸入輸出硬件配置圖

1.2 傳感器檢測和信號處理單元
        太陽的方位隨著觀測位置和觀測時間的不同而不同，因（yīn）此，欲跟蹤太陽就必須先（xiān）對太（tài）陽進行檢測定位。檢測太陽光光（guāng）強的方法有定時（shí）法（fǎ）、坐標法、太陽能電池板光強比較法和光敏電阻光強比較（jiào）法。對這4種（zhǒng）控製方法進行了對比篩選後認為：定時法電路雖然簡單，但由於季（jì）節（jiē）的影響，係統的控製精度較差；坐標法控製精度（dù）較高（gāo），但控製電路複雜；光強比較法使係（xì）統的太陽能利用率不能達到最佳；光敏電阻比較法電路實現（xiàn）最簡單，對太（tài）陽能的利用率最大。
        基（jī）於此，選擇控製精度高和電路易於實現的光敏電（diàn）阻光強比較法作為本研究係統的檢測方案。光敏探測頭(傳感器)是太陽能（néng）電池板跟蹤係（xì）統的（de）光信號接收器，它是利用光敏（mǐn）電阻在光照時阻值（zhí）發生變化的原理（lǐ），將兩（liǎng）個完全相同的（de）光敏（mǐn）電阻分別（bié）放置於一塊電池板東西方向邊沿（yán）處的（de）下方(光與電池板垂直時，一半可接收光，一半（bàn）在下邊)。如果太陽光垂直照射太陽能電（diàn）池板時，兩個光敏電阻（zǔ）接收到的光照強度相（xiàng）同，所以它們的阻值完全相（xiàng）等，此時（shí）電動機不轉動。當太陽（yáng）光方（fāng）向與電池板垂直方（fāng）向有夾角時，接（jiē）收光強多的光敏電阻阻值減小，驅動電動機轉動（dòng），直至兩個光敏電（diàn）阻上的光照強度相同。控製靈（líng）敏度的高低直接影響跟蹤精度，光敏電阻光強比較法的優點在於（yú）控製精確，電路設計比較容易實現。經（jīng）過實驗研究，選用質量輕、美觀、耐腐蝕的鋁合金材料，光電接收管經過嚴格的計算、定位，以保證其檢測靈敏度。
        圖（tú）3所示是太陽光（guāng）電定位裝置中光電檢測電路的俯視圖，共由9個光（guāng）電三極管組成。正（zhèng）中央1個，旁邊8個圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方（fāng）開（kāi）口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大於檢測板的外圓。圓柱體的（de）上（shàng）方中央開一個與檢測用的光電二極管直（zhí）徑相同的洞，以（yǐ）便光（guāng）線通過。將整個光電（diàn）檢測裝置安裝在太陽能光電池板上，光電二極（jí）管的（de）檢測麵與電池板平行。在圓柱體的（de）外麵不受圓柱體遮擋的（de）地方(確保會受到光線的照射)也安裝一個光電（diàn）二極管，其朝向與圓柱體內的光電二極管（guǎn）朝向相同，用於檢測環（huán）境亮度，並與圓柱體內的每個光電二級管及運放(可（kě）用lm324集成電路中的一個)構成一個比較電路。這樣當圓（yuán）柱體內的光電二極管沒有受光線照射時，運（yùn）放將輸出低電平，此電平可接到的輸（shū）人端進（jìn）行檢測，圓柱體內的每個光電二級管（guǎn）各用一個plc的（de）輸入端，共9個（gè）。這樣就可以檢測太陽光線的朝向，來決定（dìng）哪個電機轉動，向哪（nǎ）個方向轉動。另外，為了增大光電二極管的檢測範圍，視實際情況需要，也可再增加一圈（quān）緊密排（pái）列的光電二極管，外圈（quān）的光（guāng）電二極管與內圈的相應位置的光電二極管並聯。

圖3  光電檢測排（pái）列

         圖4所示為信號處理（lǐ）單元電路，當太陽（yáng）輻（fú）射強度增加時，光電電阻阻值減小，1k可變電阻的壓降（jiàng）增（zēng）加，從（cóng）而產生與太陽光輻射強度有（yǒu）直接關係的電壓信號。兩個（gè）傳感器的輸出信號（hào）與plc模擬輸入端口連接，並對這兩（liǎng）個模擬信號進行（háng）比較運算（suàn），從而輸出正確的信號，以驅動太陽能電池板跟蹤係統的電磁（cí）機構。

圖4  信號處理單元

 1.3 光照度傳感器
        檢測（cè）太陽能光譜範圍，是一種專門測量光（guāng）度、亮度的儀器儀表。就是測量光照強（qiáng）度（照度）是物體（tǐ）被照明的程度，也即物體（tǐ）表麵所得到的光通量與被照麵（miàn）積之比（bǐ）。照度計通常是由硒（xī）光電池或（huò）矽光（guāng）電池和微安表組成。

圖5 照度計傳感器圖
 

顯示	3-1/2位（wèi）液晶顯示及模擬（nǐ）條形碼指示
測量檔位	20.00 Lux, 200.0 Lux, 2000 Lux, 20.00 Klux  20.00 fc, 200.0 fc, 2000 fc, 20.00 Kfc  (1 fc = 10.76 Lux)
過載顯示	顯示“OL”
分辨率	0.01 Lux (0.01fc)
準確度	±3%rdg ± 0.5% f.s (大於10KLux檔準確度為（wéi） ±4%rdg ±10dgts, 以色溫2856K標準平麵燈校正
光譜準確性	f  1 < 6%
溫（wēn）度特性	±0.1% 1℃
取樣率	數字顯示每秒2.5次,模（mó）擬顯示每秒13.3次（cì）
感光體	矽製光二（èr）極管及瀘光鏡片
記錄組數	最多255組
操作溫濕度	0℃ ~ 40℃,80%R.H.以（yǐ）下
儲存溫濕度	-10℃ ~ 50℃,70%R.H.以下
電 源	6顆1.5V AAA電池（chí）
電池壽命（mìng）	連續使用（yòng）約400小（xiǎo）時（shí） (碳鋅電池（chí）)
光檢測（cè）器引線長度（dù）	150cm
光檢測器（qì）尺寸	150公（gōng）分及92(長) × 60(寬（kuān）) × 29mm(高（gāo）)
電表（biǎo）尺寸	150(長) × 72(寬（kuān）) × 35 mm (高)

1.4 光伏模塊（kuài）

        光伏模塊采用三菱光伏智能功率模塊pv-ipm(pm50b4la060)，其技術參數主要有峰值功率pmax＝85w，最佳（jiā）工作電壓17.5v，這些參數是在標（biāo）準的試驗條件下測試的(太陽光強度1000w/m3，太陽（yáng）板（bǎn）溫度25℃，空（kōng）氣（qì）質量1.5)。
1.5 係統電源模（mó）塊
        電源電路采用開（kāi）關電源設（shè）計，具有高效率、低損（sǔn）耗的特點。采用開關控製芯片l4960，能提（tí）供5.1～40v的輸出電壓和2.5A的輸（shū）出電（diàn）流。電源電（diàn）路如圖5所示（shì），通過調整兩個（gè）電（diàn）阻r3和r4，以產生（shēng）12-24v直流電壓（yā），24v(dc)用於plc電源，44v(dc)直接取自整流橋側供給直流（liú）電機。如果用於光伏（fú）逆變係統的跟蹤係統，220v(ac)可以直接取自光伏逆變電源。

圖5  開關電源設（shè）計

二、光伏係統軟件設計
        並網光伏發電係統控製軟件采用模塊化設計，包括plc控製和監控程序、pc監控（kòng）和數據處理程序（xù）兩個主要（yào）部分。
2.1 plc控製和（hé）監控程序（xù）
 　　plc控製語句是整個太陽能電池板跟蹤係統的重要組成部分，軟件編程采用歐（ōu）姆龍公司的cx-programmer 7.1，cx-p梯形圖編程支（zhī）持（chí）軟件（jiàn）為使用者提供了從操作界麵到程序注釋的全中文操作環境，支持windows的拖拉及粘貼操作，以（yǐ）及完備的檢索功能和常用標準位簡易輸入功（gōng）能，為使用者創造了一個（gè）高效（xiào）的編程操作環境。通過計算機的rs-232c口（kǒu）與plc的rs-232c口（kǒu）連接，對plc進行數據實時監控、修改（gǎi）和在線編（biān）輯等，方便地把程序傳遞（dì）到plc中或從plc中讀出數據。plc主要完成如（rú）下工作（zuò）：
 　　(1)  控製跟蹤係統的運動，控製邏輯如（rú）圖6所（suǒ）示。

 圖6  控製過程的邏輯順序

 　　(2) 此（cǐ）子程序是將plc輸入與輸出狀態複製到內存的特定位置（zhì），稱（chēng）為標記區（qū）域，pc監控程序能隨時直接從內存區域讀取輸入和輸出狀態。
 　　(3) 采樣數據存儲。這是一個在線采集存儲過程（chéng），通過ram數據存儲內部的特殊（shū）矩陣，每一（yī）小時讀取光敏電阻的值（zhí）。數據采集白天進行（háng），晚上停止，直到第二天日出。采集的時間(小時和分鍾)存儲在不同的矩陣，然後在pc機的屏幕上顯示出來。當ram內存滿時，將不再存儲數據，直到複位操作將存（cún）儲數據清除。這部分程序（xù）采用（yòng）順序（xù）功能圖（tú）表(sequential functioning chart，sfc)進行編程，算法如圖7所示（shì）。

圖7  存儲過程順序功能圖（tú）

2.2 pc監控和數據處理程序
 　　采用麵（miàn）向對象的高級編程語言visual basic 6.0實現以下功能：
 　　(1) 自動檢測pc機rs232串口和plc端口的連接狀態。
 　　(2) 係統監（jiān）控。決定光伏模塊的實際位置（zhì）和運動方向（xiàng），顯示光敏電阻的讀數，以及內存溢出標記。
 　　(3) 模塊的強製性前向和反向運（yùn）動。通過程序界（jiè）麵，發（fā）出指令控製plc操作。如（rú）果出現係統位置異常，可強迫太陽板按照操作要（yào）求恢複初始位置。
 　　(4) 顯示係統設置。顯示存儲在plc內存中的太陽跟蹤係統的設置，如前向（xiàng）和反向運動極限，光線暗度極限，前向和反（fǎn）向停止極限，以及對這些參數設置可直接進行修改。
 4  結束語（yǔ）  
 　　本研究基於歐姆龍（lóng）plc，采用光敏電阻比較法，構建了自動跟蹤係（xì）統模型，使太（tài）陽能電池板自動保持與太陽光垂直。太陽（yáng）能電池（chí）板自動跟蹤太陽光並網發電係統的研究，有效地提（tí）高了太陽能的利（lì）用率和光伏發（fā）電係統的效率，增加了全年的發電功率輸出，從整體上降低了光伏並網發電的成本，符合構建環保型和節（jiē）能型社會發展的要求，具（jù）有很高的（de）經濟效益，並能（néng）產生良（liáng）好的社會影響，具有理論研究意義和應用推廣前景。基於plc的太陽能電池（chí）板跟蹤係統能用於獨立的太陽能光伏發電（diàn），也能應用於串/並聯的並網光伏發電係統的（de）現場總線控（kòng）製，具有良好的應用前景。

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1、設備驗收：各（gè）采購單位（wèi）收貨時請檢查太陽能基站光照跟（gēn）隨PLC控製實訓模型的貨品外觀，核實太陽能基站光照跟隨PLC控製（zhì）實訓模型的數量及配（pèi）件，拒收處於受損狀態的（de）太陽能（néng）基站光照跟隨PLC控製實訓模型；
2、設備質保：红桃视频app將為各采購單（dān）位提供太陽能基站光照跟隨（suí）PLC控製實訓模型產品（pǐn）說明書內的質保條件和質保期，在（zài）質保範圍內提供對的免費維修，超出條件承諾時提供對太陽能基站光照跟隨PLC控製實訓模型的有償維修；
3、設備退換貨（huò）：各采購單位單方麵原因導致的（de）太（tài）陽能基（jī）站光照跟隨PLC控製實訓模型選（xuǎn）型（xíng）錯誤或太陽能基站（zhàn）光照跟隨PLC控製實訓模型購買數量錯誤，造成太陽能基站光照跟隨PLC控製實訓模型的退換貨要求，將不（bú）被接受；
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