S7-200PLC在太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王航宇

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，陜西 西安 710089）

太陽(yáng)能是一種資源豐富，可以再生的清潔無(wú)污染能源，合理、充分利用太陽(yáng)能是人類(lèi)與自然和諧發(fā)展的重要舉措。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)間不斷變化的問(wèn)題，如果能始終保持太陽(yáng)板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽(yáng)能，則能充分利用豐富的太陽(yáng)能資源。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光照的電磁機(jī)械系統(tǒng)，是非常有價(jià)值的研究課題。太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)能增加太陽(yáng)集能器或光伏模塊接收的太陽(yáng)能，能提高日用功率和年輸出功率，比固定式系統(tǒng)成本高，且更復(fù)雜。然而，太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)能增加年輸出功率而有效地降低成本[1-3]。

光伏發(fā)電控制系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的一種裝置，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的開(kāi)發(fā)利用潛力。目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電正逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)，比如航天、通訊、交通以及居民生活等領(lǐng)域。為此，光伏專(zhuān)業(yè)、光熱專(zhuān)業(yè)或其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)相繼出現(xiàn)，光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)是光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的重要組成部分，論文著重闡述了太陽(yáng)能的跟蹤、模擬控制等內(nèi)容。

1 全太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)組成及硬件選型

1.1 全太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)的硬件組成

根據(jù)控制要求，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括PLC一套，4塊太陽(yáng)能電池板組件，3盞200 W投身燈（模擬太陽(yáng)光）、4個(gè)跟蹤傳感器、1套運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（X和Y方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、直流電動(dòng)機(jī)和支架）。如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)以西門(mén)子S7-200可編程控制器為控制核心，當(dāng)有太陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能電池板上的跟蹤定位傳感器采集模擬太陽(yáng)光照度信息及位置信息，然后將所采集的信息送達(dá)控制器，從而控制X和Y方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使太陽(yáng)能電池板始終正對(duì)著模擬太陽(yáng)光源，以提高太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率。另外，系統(tǒng)中設(shè)置了IPC上位機(jī)，配置了友好界面，該界面運(yùn)用POWER計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)，以便及時(shí)掌握系統(tǒng)及相關(guān)角度等信息。

圖1 太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of solar tracking control system

1.2 控制系統(tǒng)主要設(shè)備選型

PLC是太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)的核心部件，該控制系統(tǒng)的PLC選用西門(mén)子公司的S7-200系列，S7-200具有緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令集，用戶(hù)程序包括位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其它智能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使S7-200能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制的目的。另外，選用S7-200主要考慮其不但能用于獨(dú)立太陽(yáng)能設(shè)備的跟蹤系統(tǒng)控制，比如滿(mǎn)足邊疆偏遠(yuǎn)地區(qū)牧民夜晚用電的需求，而且特別對(duì)串并聯(lián)的大型光伏太陽(yáng)能陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮PLC現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行集中控制[4-6]。

S7-200 CPU226的特點(diǎn)有:1）數(shù)字輸入/輸出口24/16；

2）可擴(kuò)展7個(gè)模塊，248路數(shù)字I/O，35路模擬I/O；

3）有PID控制器；

4）2個(gè) RS-485通信/編程模塊；

5）16K用戶(hù)程序在線(xiàn)編程。

具體配置如下表。 CPU：CPU226 （24點(diǎn) DI，16點(diǎn) DO），AI：EM231（4 路）；EM235 模塊（4 路）；系統(tǒng)涉及的主要設(shè)備如表1所示。

表1 太陽(yáng)能跟蹤模擬控制系統(tǒng)設(shè)備配置表Tab.1 Solar tracking device configuration table of the analog control system

2 控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

為了體現(xiàn)程序的可讀性，實(shí)用性，該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要以西門(mén)子STEP 7-Micro/WIN為開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)中的I/O按照一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)I/O分配表參見(jiàn)表2，程序設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Program design diagram

具體逐日程序流程圖，參見(jiàn)圖3所示。其中，自動(dòng)逐日主要通過(guò)上位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，為此，程序中設(shè)計(jì)了通信模塊。

圖3 逐日程序流程圖Fig.3 Daily program flow chart

圖4 太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)追日界面Fig.4 Solar tracking control system day interface

圖5 太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集顯示界面Fig.5 Solar tracking control system data acquisition and display interface

為了便于遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了基于POWER9000的監(jiān)控界面，如圖4、圖5所示，該界面是運(yùn)行人員監(jiān)視和控制運(yùn)行的主要手段，運(yùn)行人員與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的交互作用將通過(guò)控制臺(tái)使用CRT、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)，鼠標(biāo)或跟蹤球等來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要完成監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)，運(yùn)行參數(shù)及實(shí)時(shí)時(shí)鐘刷新，報(bào)警與操作信息報(bào)告顯示，通過(guò)菜單操作實(shí)現(xiàn)各種遙控遙調(diào)功能[7-8]。

表2 系統(tǒng)I/O分配表Tab.2 System I/O allocation table

同時(shí)，系統(tǒng)充分利用監(jiān)控軟件提供VQC程序模塊完成系統(tǒng)電壓無(wú)功自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置，單純的限值修改、系統(tǒng)維護(hù)員的權(quán)限的設(shè)置、電壓和無(wú)功值異常范圍的封鎖、閉鎖分接頭、容抗器設(shè)備條件的設(shè)置，從而完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)信息閉鎖。由于VQC程序所有的信息全部從監(jiān)控系統(tǒng)取，因此測(cè)試不必在裝置上加電流或電壓測(cè)試，遙測(cè)遙信在監(jiān)控系統(tǒng)上人工置數(shù)即可，保護(hù)信息可以用系統(tǒng)提供的調(diào)試工具模擬[9-10]。但測(cè)試前需做以下3點(diǎn)準(zhǔn)備：

1）確保數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)于電容和電抗器、分接頭的遙控參數(shù)配置沒(méi)有錯(cuò)。檢查方法：在畫(huà)面上的進(jìn)行這些設(shè)備的人工控制操作，狀態(tài)反應(yīng)應(yīng)該正確。

2）缺省情況下，每個(gè)容抗器、分接頭都不參與VQC調(diào)節(jié)，需要在畫(huà)面上對(duì)每個(gè)VQC調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)置 “VQC自動(dòng)控制”操作。

3）人工置遙信、遙測(cè)，有事故信號(hào)請(qǐng)先確認(rèn)，確保 VQC沒(méi)有閉鎖。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次跟蹤控制模擬，運(yùn)行表明，系統(tǒng)能夠很好的完成光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的前端太陽(yáng)光的采集，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量來(lái)源，同時(shí)充分說(shuō)明了S7－200系列模塊功能的強(qiáng)大，和配置的靈活性好，在小型工業(yè)控制方面有著廣闊的應(yīng)用天地。

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