基于PLC的太陽(yáng)能面板自動(dòng)清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究*

王佳慶

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州 215021）

0 引言

太陽(yáng)能是一種可再生、清潔環(huán)保的可靠能源，隨著近幾年國(guó)家及各地政府大力支持光伏發(fā)電，全國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)量每年都在大幅度遞增[1]。太陽(yáng)能面板是光伏發(fā)電不可缺少的發(fā)電裝置，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽划a(chǎn)生任何副產(chǎn)物。如果表面積累了灰塵污物，太陽(yáng)能面板的發(fā)電效率將大大降低。為了保證光伏發(fā)電效率，盡可能多地吸收太陽(yáng)光，保證發(fā)電量，對(duì)太陽(yáng)能面板的清潔工作尤為重要[2]。

目前中國(guó)市場(chǎng)上，太陽(yáng)能面板的清洗設(shè)備技術(shù)尚未成熟，價(jià)格昂貴，清潔效率不高。針對(duì)此現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)出一種基于PLC 的成本低、清潔效果好、效率較高的太陽(yáng)能面板清掃設(shè)備—自動(dòng)清掃機(jī)器人，主要用于在地面事先鋪設(shè)的軌道上對(duì)太陽(yáng)能面板的多個(gè)陣列進(jìn)行自動(dòng)清潔作業(yè)。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1 所示，自動(dòng)清掃機(jī)器人的各機(jī)構(gòu)主要有前臂、后臂、立柱、液壓缸、清掃單元、機(jī)身主體、配重箱及車輪等。

圖1 清掃機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

清掃機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同高度和不同角度的太陽(yáng)能面板陣列的自動(dòng)清掃工作，工作原理如下：通過(guò)PLC 控制前臂液壓缸、后臂液壓缸和調(diào)平液壓缸的伸縮動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)清掃刷的上升、下降以及角度的調(diào)整。清掃單元主要由清掃刷、清掃刷電機(jī)、同步帶、刮板、噴嘴、超聲波距離傳感器以及清掃刷外罩等元件構(gòu)成。安裝在清掃刷外罩上的2個(gè)超聲波傳感器使清掃刷能夠到達(dá)離太陽(yáng)能面板合適的高度位置，并保持與太陽(yáng)能面板的角度一致[3]。清掃刷為根據(jù)太陽(yáng)能面板陣列尺寸定制的毛刷輥，均勻分布于清掃刷外罩內(nèi)部的多個(gè)噴嘴通過(guò)蠕動(dòng)泵將機(jī)身主體（圖2）內(nèi)水箱中的純凈水噴灑到清掃刷上[4]。清掃刷電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)清掃刷對(duì)太陽(yáng)能面板進(jìn)行滾刷清掃，而清掃刷后側(cè)的硅膠刮板則將面板上殘留的水漬臟污刮除。機(jī)身主體內(nèi)的直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)機(jī)身底盤(pán)下方的前側(cè)雙驅(qū)動(dòng)輪，底盤(pán)下方的滑輪引導(dǎo)機(jī)器人沿著軌道一邊行駛，一邊對(duì)太陽(yáng)能面板陣列進(jìn)行預(yù)定軌跡地噴水、滾刷和刮擦清潔。

圖2 機(jī)身主體布局

位于機(jī)身主體右側(cè)的配重箱內(nèi)可安裝不同重量的配重塊[5]，通過(guò)調(diào)節(jié)配重塊的重量來(lái)確保在清掃時(shí)自動(dòng)清掃機(jī)器人行駛平穩(wěn)，并防止清掃機(jī)器人向左側(cè)翻而損壞太陽(yáng)能面板。如圖3所示，傾覆力矩主要依靠后臂液壓缸、立柱、機(jī)身主體和配重箱的質(zhì)量來(lái)平衡，使清掃機(jī)器人在清掃作業(yè)時(shí)能夠穩(wěn)定和安全地工作[6]。

圖3 穩(wěn)定性分析示意圖

清掃機(jī)器人在清掃不同角度的太陽(yáng)能面板時(shí)，穩(wěn)定性用穩(wěn)定系數(shù)K 來(lái)表示，受到配重選取的直接影響，如式（1）所示：

式中：M1為穩(wěn)定力矩；M2為傾覆力矩。

作業(yè)時(shí)清掃機(jī)器人的穩(wěn)定系數(shù)K≥1，考慮到機(jī)器人的自身穩(wěn)定性和行駛穩(wěn)定性，選取K≥1.25，即

式中：g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8、g9分別為后臂、前臂液壓缸、前臂、調(diào)平液壓缸、清掃單元、后臂液壓缸、機(jī)身主 體 、 立 柱 、 配 重 箱 的 質(zhì) 量 ； d1、 d2、 d3、 d4、 d5、 d6、 d7、d8、d9分別為 g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8、g9重心至左驅(qū)動(dòng)輪的距離。

由式（2）可知，配重的質(zhì)量選取應(yīng)滿足：

式中：M2=g1d1+g2d2+g3d3+g4d4+g5d5。

2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

自動(dòng)清掃機(jī)器人的液壓系統(tǒng)如圖4所示[7]，液壓系統(tǒng)由油源、電磁閥、溢流閥、節(jié)流閥、液控單向閥、雙向液壓鎖、壓力繼電器、壓力表、液壓缸等元件組成。系統(tǒng)的油源為小型直流液壓泵。液壓執(zhí)行器都為雙作用單桿液壓缸。液壓缸16 為后臂液壓缸，用于控制后臂的上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清掃刷的大幅度上升或下降。壓力繼電器13檢測(cè)液壓缸16是否伸出到位，即后臂上擺到位情況。液壓缸15為前臂液壓缸，用于控制前臂的上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清掃刷的小幅度上升或下降。液壓缸14 為調(diào)平液壓缸，用于調(diào)節(jié)清掃刷與太陽(yáng)能面板的角度。液壓缸14、15、16的工作速度由節(jié)流閥10、11、12調(diào)節(jié)。液壓回路都采用三位四通雙電控電磁閥，3個(gè)電磁閥都由PLC進(jìn)行控制，各液壓缸都是通過(guò)電磁閥控制其換向，通過(guò)控制電磁鐵的通斷電來(lái)控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)控制。為了保持液壓缸在清掃作業(yè)時(shí)運(yùn)行位置保持不變，考慮到液壓缸負(fù)載較輕、清掃時(shí)間較長(zhǎng)且運(yùn)動(dòng)速度不高，分別采用了液控單向閥7、8和雙向液壓鎖9[8]。系統(tǒng)的最高壓力由溢流閥2限定。

圖4 清掃機(jī)器人液壓系統(tǒng)圖

3 電氣控制系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型與地址分配

由于PLC 可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單，考慮到自動(dòng)清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)總的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)要求：14 個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)、16個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)（如表1所示），選用了中央處理器為CPU226的西門子S7-200PLC作為清掃機(jī)器人的主控制器[9]。另外，安裝于清掃刷外罩上的2個(gè)超聲波距離傳感器提供了2 路2.4～10 V 的模擬電壓信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要2 路可調(diào)的0～5 V 模擬電壓信號(hào)，因此系統(tǒng)還配置了一塊模擬量輸入（四路）擴(kuò)展模塊EM231 和一塊模擬量輸出（兩路）擴(kuò)展模塊EM232[10]。

表1 PLC輸入、輸出地址表

3.2 PLC接線圖

自動(dòng)清掃機(jī)器人PLC及擴(kuò)展模塊的接線圖如圖5所示。工作時(shí)通過(guò)運(yùn)行模式選擇開(kāi)關(guān)SF選擇清掃機(jī)器人當(dāng)前的工作模式：自動(dòng)模式或手動(dòng)模式，即可按規(guī)定的程序運(yùn)行。啟動(dòng)按鈕SF1、停止按鈕SF2、暫停按鈕SF3 以及復(fù)位按鈕SF4 可以分別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行模式下的啟動(dòng)、停止、暫停以及復(fù)位等各種功能；在手動(dòng)模式下，前進(jìn)按鈕SF5、后退按鈕SF6、角度調(diào)大按鈕SF7 等相應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕控制清掃機(jī)器人的單個(gè)動(dòng)作。燈帶LA1 和LA2 通過(guò)顏色和閃爍頻率來(lái)顯示清掃機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。左、右驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)主要有前進(jìn)LF、后退LB、剎車LS 以及調(diào)速電壓信號(hào) LV 和RV。

圖5 PLC接線圖

3.3 程序設(shè)計(jì)

PLC 的控制程序采取順序控制的方式，即按照自動(dòng)清掃機(jī)器人的工作順序，在按鈕開(kāi)關(guān)、壓力繼電器輸入信號(hào)、超聲波距離傳感器信號(hào)、定時(shí)器等各輸入信號(hào)的作用下，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)有序地進(jìn)行操作。以自動(dòng)清掃機(jī)器人在自動(dòng)模式下清掃單個(gè)太陽(yáng)能面板為例，繪制相應(yīng)的PLC順序功能圖[11]，如圖6 所示。在自動(dòng)清掃機(jī)器人執(zhí)行清掃作業(yè)之前，各液壓執(zhí)行元件須完成復(fù)位操作。在壓力繼電器檢測(cè)到后臂上擺到位后，按下啟動(dòng)按鈕開(kāi)始液壓缸和清掃刷相對(duì)太陽(yáng)能面板的高度和角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。設(shè)定距離1 和設(shè)定距離2 由安裝于清掃刷外罩左側(cè)的超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)，后臂液壓缸控制后臂下擺，使清掃刷到達(dá)面板上方的設(shè)定距離1。前臂液壓缸控制前臂下擺，使清掃刷進(jìn)一步到達(dá)面板上方的設(shè)定距離2，即清掃位置。調(diào)平液壓缸伸出，通過(guò)安裝于清掃刷外罩中位的超聲波傳感器檢測(cè)離面板的距離，使清掃刷角度等于面板角度。在控制清掃刷到位以后，清掃機(jī)器人開(kāi)始一邊行駛一邊噴水和滾刷清掃。

圖6 清掃機(jī)器人單面板清掃過(guò)程功能圖

3.4 系統(tǒng)仿真

根據(jù)液壓系統(tǒng)圖（圖4）在液壓仿真軟件Fluidsim-H中選擇相應(yīng)的液壓元件，設(shè)置各個(gè)元件參數(shù)，比如液壓源的工作壓力和流量、液壓缸的行程和負(fù)載、節(jié)流閥開(kāi)度等，標(biāo)注各個(gè)電磁閥的電磁線圈標(biāo)簽，在液壓缸的行程范圍內(nèi)設(shè)置標(biāo)簽和位置，最終完成液壓回路的搭建[12-13]，如圖7所示。運(yùn)行西門子S7-PLCSIM 軟件，仿真運(yùn)行自動(dòng)清掃機(jī)器人單面板清掃程序，通過(guò)FESTO 公司Vswitch 軟件的數(shù)據(jù)交換來(lái)實(shí)現(xiàn)Fluidsim 與PLCSIM 的通信，從而完成仿真控制過(guò)程[14]。如圖8 所示，自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間間隔，仿真步長(zhǎng)為1 s，模擬自動(dòng)清掃機(jī)器人在執(zhí)行單面板清掃作業(yè)時(shí)各個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)和液壓執(zhí)行元件的狀態(tài)變化。從仿真結(jié)果可見(jiàn)，自動(dòng)清掃機(jī)器人的動(dòng)作控制符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 清掃機(jī)器人液壓回路仿真

圖8 清掃機(jī)器人單面板清掃仿真效果

4 結(jié)束語(yǔ)

相比傳統(tǒng)人工高壓水槍清洗、爬壁式機(jī)器人清潔、人工車載清洗機(jī)清洗等目前比較常見(jiàn)的太陽(yáng)能面板清潔方式[15]，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)清掃機(jī)器人的清潔作業(yè)在成本、效果和效率等方面有一定的優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)清掃機(jī)器人的使用可以有效提升對(duì)太陽(yáng)能面板陣列的清掃效率，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，較好地滿足了各地區(qū)對(duì)光伏發(fā)電的效率要求，實(shí)用價(jià)值突出。