太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓(xùn)模型
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-PV26 太陽(yáng)能基站光照跟隨plc控制實(shí)驗(yàn)模型
-PV26太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突A(chǔ)簡(jiǎn)介
太陽(yáng)能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢(shì)已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最具發(fā)展前景的新能源之一。光伏(pv)發(fā)電技術(shù)在國(guó)外已得到深入研究和推廣，我國(guó)在技術(shù)上也已基礎(chǔ)成熟，并已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。但太陽(yáng)能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷改變的問題，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和運(yùn)用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽(yáng)能電池板陣列基礎(chǔ)上全部是固定的，不能充分運(yùn)用太陽(yáng)能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽(yáng)能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽(yáng)能，則能充分運(yùn)用豐富的太陽(yáng)能資源。據(jù)實(shí)驗(yàn)，在太陽(yáng)能發(fā)電中，相同條件下，應(yīng)用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提升35%左右。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光照的控制系統(tǒng)，是非常有價(jià)值的研究課題。
一種新型的可編程邏輯控制器plc(programmable logic controller)的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，不僅能自動(dòng)按照太陽(yáng)光方向來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的朝向，構(gòu)造簡(jiǎn)便、而而且在跟蹤過程中能自動(dòng)記憶和更正不一樣時(shí)間的坐標(biāo)位置，不必人工干預(yù)，特別適合天氣改變對(duì)比復(fù)雜和無(wú)人值守的現(xiàn)象，有效地提升了太陽(yáng)能的運(yùn)用率，有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。
一、-PV26太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥詣?dòng)跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成及作業(yè)原理
太陽(yáng)能光照自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)由plc主控單元、光照度傳感器、方位傳感器和信號(hào)處置整理單元、光伏模型塊、電磁機(jī)械動(dòng)作控制模型塊和電源模型塊構(gòu)成。系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖
太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的光敏探測(cè)頭(傳感器)是用來(lái)檢驗(yàn)測(cè)試太陽(yáng)光強(qiáng)的。當(dāng)有偏差發(fā)生時(shí)，偏差信號(hào)經(jīng)過跟蹤plc主控單元(控制器)，應(yīng)用模仿差壓對(duì)比原理，實(shí)行運(yùn)算、對(duì)比、發(fā)出指令，使電動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)整個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)偏差，保證太陽(yáng)能電池方陣正對(duì)太陽(yáng)光，達(dá)到自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的目的。太陽(yáng)能電池方陣在陽(yáng)光的照射下光伏發(fā)電，經(jīng)過控制器向蓄電池充電。系統(tǒng)配備有自動(dòng)保護(hù)線路，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8級(jí)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，切斷跟蹤太陽(yáng)系統(tǒng)，使電池方陣快速收平，在風(fēng)力降下來(lái)時(shí)延時(shí)10分鐘，解除防風(fēng)系統(tǒng)，恢復(fù)跟蹤過程。固定光強(qiáng)、跟蹤光強(qiáng)、電瓶溫度（℃）和自然風(fēng)速等由微機(jī)實(shí)行數(shù)值收集，并對(duì)蓄電池充電和放電實(shí)行分級(jí)控制。
系統(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方法，sb1和sb2為控制按鈕，用來(lái)手動(dòng)實(shí)操，plc輸出的q0或q1分別連接到兩個(gè)繼電器線圈，以控制太陽(yáng)板的正反兩個(gè)動(dòng)作方向。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，plc首先對(duì)比來(lái)自信號(hào)處置整理單元的兩個(gè)模仿寫入的值，然后決定輸出q0或者q1。
1.1可編程邏輯控制器plc單元
跟蹤控制器應(yīng)用可編程邏輯控制器plc，它是太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)的控制核心，是系統(tǒng)研究作業(yè)的重點(diǎn)。系統(tǒng)應(yīng)用歐姆龍(omron)公司近年推出的α系列plc，該機(jī)型為介于大型機(jī)與小型機(jī)之間的中小型機(jī)，***大控制i/o點(diǎn)數(shù)為1184點(diǎn)。在應(yīng)用中，中央處置整理器單元(cpu)應(yīng)用c200hx-cpu43-e，它自帶一個(gè)編程口和一個(gè)rs232c口，該cpu設(shè)定有豐富的指令功能，編程便利；開關(guān)量寫入模型塊選用c200h-id212；開關(guān)量輸出模型塊選用c200h-oc225；與上位機(jī)的通訊，經(jīng)過在cpu中插入通訊板c200hw-com06-e(該板設(shè)定有一個(gè)rs232c和一個(gè)rs-422/485)完成遠(yuǎn)程通訊，由于應(yīng)用了rs-422連接口，采取平衡式發(fā)送，因此數(shù)值傳輸率高，而而且串?dāng)_小，傳輸距離可達(dá)500m。特別對(duì)串并聯(lián)的并網(wǎng)光伏太陽(yáng)能電池陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮plc現(xiàn)場(chǎng)總線控制的優(yōu)勢(shì)，實(shí)行集中控制。經(jīng)過研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用包括標(biāo)準(zhǔn)線路，應(yīng)用模仿差壓對(duì)比原理，控制器設(shè)定有跟蹤精確度高、界限寬、自動(dòng)返回功能。限位裝置設(shè)定有東、西、上、下四個(gè)方位的極限限位功能。應(yīng)用雙重限位控制構(gòu)造，即控制信號(hào)限位和驅(qū)動(dòng)電機(jī)限位，保證了設(shè)備可靠地作業(yè)。圖2所示為plc寫入/輸出硬件配備圖。
圖2 plc寫入輸出硬件配備圖
1.2傳感器檢驗(yàn)測(cè)試和信號(hào)處置整理單元
太陽(yáng)的方位隨著查看位置和查看時(shí)間的不一樣而不一樣，因此，欲跟蹤太陽(yáng)就必須先對(duì)太陽(yáng)實(shí)行檢驗(yàn)測(cè)試定位。檢驗(yàn)測(cè)試太陽(yáng)光光強(qiáng)的方法有定時(shí)法、坐標(biāo)法、太陽(yáng)能電池板光強(qiáng)對(duì)比法和光敏電阻光強(qiáng)對(duì)比法。對(duì)這4種控制方法實(shí)行了對(duì)比篩選后認(rèn)為：定時(shí)法電子回路雖然簡(jiǎn)便，但由于季節(jié)的影響，系統(tǒng)的控制精確度較差；坐標(biāo)法控制精確度較高，但控制電子回路復(fù)雜；光強(qiáng)對(duì)比法使系統(tǒng)的太陽(yáng)能運(yùn)用率不能達(dá)到***佳；光敏電阻對(duì)比法電子回路完成***簡(jiǎn)便，對(duì)太陽(yáng)能的運(yùn)用率***大。
基于此，選用控制精確度高和電子回路易于完成的光敏電阻光強(qiáng)對(duì)比法作為本研究系統(tǒng)的檢驗(yàn)測(cè)試方案。光敏探測(cè)頭(傳感器)是太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)的光信號(hào)接收器，它是運(yùn)用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生改變的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方(光與電池板垂直時(shí)，一半可接收光，一半在下邊)。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相同，所以它們的阻值完全相等，此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同?？刂聘兄鹊母叩椭苯佑绊懜櫨_度，光敏電阻光強(qiáng)對(duì)比法的優(yōu)點(diǎn)在于控制精確，電子回路設(shè)計(jì)對(duì)比容易完成。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，選用重量輕、美觀、耐腐蝕的鋁制材料，光電接收管經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算、定位，以保證其檢驗(yàn)測(cè)試感知度。
圖3所示是太陽(yáng)光電定位裝置中光電檢驗(yàn)測(cè)試電子回路的俯視圖，共由9個(gè)光電三極管構(gòu)成。正中央1個(gè)，旁邊8個(gè)圍成一圈。將此檢驗(yàn)測(cè)試板用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大于檢驗(yàn)測(cè)試板的外圓。圓柱體的上方中央開一個(gè)與檢驗(yàn)測(cè)試用的光電二極管直徑相同的洞，以便光線經(jīng)過。將整個(gè)光電檢驗(yàn)測(cè)試裝置裝配在太陽(yáng)能光電池板上，光電二極管的檢驗(yàn)測(cè)試面與電池板平行。在圓柱體的外面不受圓柱體遮擋的地方(保證會(huì)受到光線的照射)也裝配一個(gè)光電二極管，其朝向與圓柱體內(nèi)的光電二極管朝向相同，用來(lái)檢驗(yàn)測(cè)試環(huán)境亮度，并與圓柱體內(nèi)的每個(gè)光電二級(jí)管及運(yùn)放(可用lm324包括電子回路中的一個(gè))包括一個(gè)對(duì)比電子回路。這樣當(dāng)圓柱體內(nèi)的光電二極管沒有受光線照射時(shí)，運(yùn)放將輸出低電平，此電平可接到的輸人端實(shí)行檢驗(yàn)測(cè)試，圓柱體內(nèi)的每個(gè)光電二級(jí)管各用一個(gè)plc的寫入端，共9個(gè)。這樣就可以檢驗(yàn)測(cè)試太陽(yáng)光線的朝向，來(lái)決定哪個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，向哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，為了增大光電二極管的檢驗(yàn)測(cè)試界限，視實(shí)際現(xiàn)象需要，也可再多加一圈緊密排列的光電二極管，外圈的光電二極管與內(nèi)圈的相應(yīng)位置的光電二極管并聯(lián)。
圖3 光電檢驗(yàn)測(cè)試排列
圖4所示為信號(hào)處置整理單元電子回路，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度多加時(shí)，光電電阻阻值減小，1k可變電阻的壓降多加，從而產(chǎn)生與太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度有直接關(guān)系的電壓（V）信號(hào)。兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)與plc模仿寫入端口連接，并對(duì)這兩個(gè)模仿信號(hào)實(shí)行對(duì)比運(yùn)算，從而輸出正確的信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)的電磁機(jī)構(gòu)。
圖4 信號(hào)處置整理單元
1.3光照度傳感器
檢驗(yàn)測(cè)試太陽(yáng)能光譜界限，是一種專門測(cè)量光度、亮度的儀表器具儀表。就是測(cè)量光照強(qiáng)度（照度）是物體被照明的程度，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比。照度計(jì)通常是由硒光電池或硅光電池和微安表構(gòu)成。
圖5 照度計(jì)傳感器圖
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顯露 |
3-1/2位液晶顯露及模仿條形碼指示 |
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測(cè)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) |
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過載顯露 |
顯露"OL" |
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分辨率 |
0.01 Lux (0.01fc) |
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準(zhǔn)確度 |
±3%rdg ± 0.5% f.s (大于10KLux檔準(zhǔn)確度為 ±4%rdg ±10dgts, 以色溫2856K標(biāo)準(zhǔn)平面燈校正 |
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光譜準(zhǔn)確性 |
f 1 < 6% |
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溫度（℃）特性 |
±0.1% 1℃ |
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取樣率 |
數(shù)字顯露每秒2.5次,模仿顯露每秒13.3次 |
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感光體 |
硅制光二極管及瀘光鏡片 |
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記錄組數(shù) |
***多255組 |
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實(shí)操溫濕度 |
0℃ ~ 40℃,80%R.H.以下 |
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儲(chǔ)物溫濕度 |
-10℃ ~ 50℃,70%R.H.以下 |
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電 源 |
6顆1.5V AAA電池 |
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電池壽命 |
連續(xù)使用約400小時(shí) (碳鋅電池) |
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光檢驗(yàn)測(cè)試器引線長(zhǎng)度 |
150cm |
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光檢驗(yàn)測(cè)試器尺寸 |
150公分及92(長(zhǎng)) × 60(寬) × 29mm(高) |
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電表尺寸 |
150(長(zhǎng)) × 72(寬) × 35 mm (高) |
1.4光伏模型塊
光伏模型塊應(yīng)用三菱光伏智能功率（W）模型塊pv-ipm(pm50b4la060)，其技術(shù)功能數(shù)值主要有峰值功率（W）pmax＝85w，***佳作業(yè)電壓（V）17.5v，這些功能數(shù)值是在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件下測(cè)量試驗(yàn)的(太陽(yáng)光強(qiáng)度1000w/m3，太陽(yáng)板溫度（℃）25℃，空氣重量1.5)。
1.5系統(tǒng)電源模型塊
電源電子回路應(yīng)用開關(guān)電源設(shè)計(jì)，設(shè)定有高效率、低損耗的特別點(diǎn)。應(yīng)用開關(guān)控制芯片l4960，能提供5.1～40v的輸出電壓（V）和2.5A的輸出電流（A）。電源電子回路如圖5所示，經(jīng)過調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻r3和r4，以產(chǎn)生12-24v直線DC電壓（V），24v(dc)用來(lái)plc電源，44v(dc)直接取自整流橋側(cè)供給直線DC電機(jī)。如果用來(lái)光伏逆變系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)，220v(ac)可以直接取自光伏逆變電源。
圖5 開關(guān)電源設(shè)計(jì)
二、MY-JZG太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸夥到y(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制系統(tǒng)應(yīng)用模型塊化設(shè)計(jì)，含有概括plc控制和監(jiān)控程序、pc監(jiān)控和數(shù)值處置整理程序兩個(gè)主要部分。
2.1 plc控制和監(jiān)控程序
plc控制語(yǔ)句是整個(gè)太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，系統(tǒng)編程應(yīng)用歐姆龍公司的cx-programmer 7.1，cx-p梯形圖編程支持系統(tǒng)為使用者提供了從實(shí)操界面到程序注釋的全中文實(shí)操環(huán)境，支持windows的拖拉及粘貼實(shí)操，以及完備的檢索功能和常用標(biāo)準(zhǔn)位簡(jiǎn)易寫入功能，為使用者創(chuàng)造了一個(gè)高效的編程實(shí)操環(huán)境。經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)值的rs-232c口與plc的rs-232c口連接，對(duì)plc實(shí)行數(shù)值就地實(shí)時(shí)監(jiān)控、修改和在線編輯等，便利地把程序傳遞到plc中或從plc中讀出數(shù)值。plc主要完成如下作業(yè)：
(1) 控制跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)作，控制邏輯如圖6所示。
圖6 控制過程的邏輯順序
(2) 此子程序是將plc寫入與輸出狀態(tài)復(fù)制到內(nèi)部存儲(chǔ)的特定位置，稱為標(biāo)記區(qū)域，pc監(jiān)控程序能隨時(shí)直接從內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)域讀取寫入和輸出狀態(tài)。
(3) 采樣數(shù)值存儲(chǔ)。這是一個(gè)在線收集存儲(chǔ)過程，經(jīng)過ram數(shù)值存儲(chǔ)內(nèi)部的特殊矩陣，每一小時(shí)讀取光敏電阻的值。數(shù)值收集白天實(shí)行，晚上停止，直到第二天日出。收集的時(shí)間(小時(shí)和分鐘)存儲(chǔ)在不一樣的矩陣，然后在pc機(jī)的屏幕上顯露出來(lái)。當(dāng)ram內(nèi)部存儲(chǔ)滿時(shí)，將不再存儲(chǔ)數(shù)值，直到復(fù)位實(shí)操將存儲(chǔ)數(shù)值清除。這部分程序應(yīng)用順序功能圖表(sequential functioning chart，sfc)實(shí)行編程，算法如圖7所示。
圖7 存儲(chǔ)過程順序功能圖
2.2 pc監(jiān)控和數(shù)值處置整理程序
應(yīng)用面向?qū)ο蟮母呒?jí)編程語(yǔ)言visual basic 6.0完成以下功能：
(1) 自動(dòng)檢驗(yàn)測(cè)試pc機(jī)rs232串行口和plc端口的連接狀態(tài)。
(2) 系統(tǒng)監(jiān)控。決定光伏模型塊的實(shí)際位置和動(dòng)作方向，顯露光敏電阻的讀數(shù)，以及內(nèi)部存儲(chǔ)溢出標(biāo)記。
(3) 模型塊的強(qiáng)制性前向和反向動(dòng)作。經(jīng)過程序界面，發(fā)出指令控制plc實(shí)操。如果出現(xiàn)系統(tǒng)位置異常，可強(qiáng)迫太陽(yáng)板按照實(shí)操要求恢復(fù)初始位置。
(4) 顯露系統(tǒng)設(shè)定。顯露存儲(chǔ)在plc內(nèi)部存儲(chǔ)中的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)定，如前向和反向動(dòng)作極限，光線暗度極限，前向和反向停止極限，以及對(duì)這些功能數(shù)值設(shè)定可直接實(shí)行修改。
4 結(jié)束語(yǔ)
本研究基于歐姆龍plc，應(yīng)用光敏電阻對(duì)比法，組建了自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)模型，使太陽(yáng)能電池板自動(dòng)保持與太陽(yáng)光垂直。太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究，有效地提升了太陽(yáng)能的運(yùn)用率和光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，多加了全年的發(fā)電功率（W）輸出，從整體上降低了光伏并網(wǎng)發(fā)電的成本，符合組建環(huán)保型和節(jié)能型社會(huì)發(fā)展的要求，設(shè)定有很高的經(jīng)濟(jì)效益，并能產(chǎn)生良好的社會(huì)影響，設(shè)定有課程理論研究意義和應(yīng)用推廣前景。基于plc的太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)能用來(lái)單獨(dú)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電，也能應(yīng)用來(lái)串/并聯(lián)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制，設(shè)定有良好的應(yīng)用前景。
常見問題：
1、如果我要購(gòu)買太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓(xùn)模型，是否有安裝、培訓(xùn)服務(wù)呢？
答：我們的設(shè)備如果沒有特別注明“不含安裝”“裸機(jī)價(jià)”“出廠”等字樣的，都是提供安裝、培訓(xùn)服務(wù)的。
2、你們的太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓(xùn)模型是否能開增值稅專用發(fā)票？
答：可以的，我們是正規(guī)企業(yè)，并且已經(jīng)升級(jí)到一般納稅人，可以開具增值稅專用發(fā)票，如果您需要開太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓(xùn)模型的發(fā)票，您需要提供開票資料。
3、你們的太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓(xùn)模型都是自己生產(chǎn)的嗎？都有什么產(chǎn)品資質(zhì)？
答：我們公司是專業(yè)生產(chǎn)教學(xué)設(shè)備的企業(yè)，完全自主生產(chǎn)，并通過了最新版ISO9001認(rèn)證，擁有多項(xiàng)專利與著作權(quán)。
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