基于太陽能技術的LED廣告牌系統設計

呂超穎 拓帥

摘 要：文章提出了一種改進的、易于使用的可持續廣告牌自動化管理系統的解決方案。這個應用程序的主要目的是生產一個自我維持的系統，將確保廣告牌全天的旋轉。使用智能太陽能跟蹤系統和先進的自動化設備。模型作為一個專業的解決方案，可滿足用戶要求和實現最初設定的目標。

關鍵詞：太陽能技術;LED廣告牌;系統設計

0 ? 引言

廣告牌的整體目的是加強信息傳播，使其更快和更具成本效益，同時保持其功能（將潛在買家轉化為長期客戶），現代世界的每一步都充斥著廣告。廣告牌行業最重要的方面是LED技術的進化。LED已經開始小規模使用（裝飾品、玩具等），被認為是照明的未來。利用發光二極管（Light Emitting Diode，LED）技術和跟蹤光伏系統，本文設計了一個可持續的綠色能源系統。

1 ? 基于太陽能技術的LED廣告牌系統架構

1.1 ?戶外LED顯示屏

在選擇照明產品時，往往會考慮到財務因素，即購買價格和運營成本，但也有許多其他方面的因素，它們的重要性因應用程序而異。LED 有幾個獨特的屬性，了解如何有利地使用它們至關重要。本文選擇的LED屏在正常天氣條件下，估計能見距離超過400 m。它將編程使用PLC顯示用戶定義的信息、時鐘和環境溫度。

1.2 ?光伏系統設計

光伏系統（PV 系統）利用太陽能電池板將陽光轉化為電能。該系統由18塊光伏板、旋轉結構、電氣互連、電池系統、太陽能跟蹤器和能源管理軟件組成，嵌入PLC。這種小型光伏系統可以為電動機和自動化設備提供電力。所產生的電能可以儲存在鎳氫電池中直接使用，或者輸入由中央發電廠（并網/網格化發電廠）供電的大型電網[1]。

本文應用選擇的光伏板類型是由 BP 太陽能公司設計的單晶硅片切割電池（BP440J 型），該公司在光伏太陽能領域已經開拓了近40年。經驗表明，優化模塊壽命和電能生產的最佳方式是注意產品設計和制造的每一個細節、過程控制和測試方法 。該模型為系統的設計和尺寸確定提供了詳細的技術數據表，有助于提高系統的整體仿真效果。

1.3 ?感應電動機設計

在整個系統中，逆變器影響電機的性能，并可能引入干擾到主電源線。PWM 電壓源型靜止變頻器是目前應用最廣泛的低壓工業電動機供電設備，涉及速度的變化。它們作為能源（交流電源線）和感應電動機之間的接口。選PWM 逆變器供電來保證每分鐘10轉的轉速。目的是使用兩個交流感應電動機（一個拉，一個推）的速度在最大負載1 500轉。這就需要對整個電力系統、系統的自動化以及各部分之間的相互作用（電力線-頻率變換器-感應電動機-負載）有很好的理解。這樣，電池為交流感應電動機提供能量，交流感應電動機利用回轉齒輪傳動和回轉環轉動內置LED顯示屏的平臺和光伏系統[2]。

2 ? 系統自動化設計

2.1 可編程序控制器系統設計

本文解決方案的 PLC（可編程序控制器）來自于改進和易于使用的模型生產的Unitronics公司，視覺350。這實際上是一個OPLCTM（操作員面板PLC），因為它是一個所有控制解決方案，集成的PLC和 HMI（人機界面）在一個單一的、緊湊的設備中。該系統將從兩個光強傳感器、一個風力傳感器和一個溫度傳感器獲取數據。這些，加上2編碼器輸入接收，總計多達6個模擬輸入（由PLC要求）。因此，有必要在最初選擇的PLC中添加一些擴展模塊。V350-35-R34只有20個數字輸入和2個數字輸出，因此將添加一個 Snap-In模塊：V200-18-E4XB。該模塊有18個 npn/pnp 隔離數字輸入（包括2個軸編碼器輸入），4個模擬輸入12～14位0～10 V，4～20 mA 和/或4個TC/PT100測溫輸入，17個 npn/pnp 隔離數字輸出（包括2個高速）和4個12位0～10 V，4～20 mA 隔離模擬輸出。

2.2 傳感器的設計

目前的配置適合系統的需要，目前的傳感器，事實上，所有的設備都有4～20 mA的輸出。在此之后，如果需要進一步的I/O，將增加一個I/O擴展模塊適配器EX-RC1，并逐一增加一個補充的I/O模塊，完全可滿足系統的需求。在安裝擴展模塊后，最多可以安裝8個 I/O模塊。這些模塊很容易安裝在 DYN 軌道上，使得系統可擴展，在任何給定的時間都很容易擴展，從而大大降低了成本。通信協議采用CAN總線。CAN總線是一種基于消息的協議，專門為汽車應用設計，但現在也用于其他領域，如航空航天、工業自動化和醫療設備。

應用軟件 VisioLogic是免費的，可以在任何時候從官方網站下載。它使用梯形圖，最常用的PLC的編程語言。當PLC主要用于取代繼電器、計時器和計數器時，梯形圖編程的簡單性和實用性是難以撼動的。由于所有傳感器的輸出都是4～20rnA，必須找到一種方法使數據采集盡可能有效和準確。所以第一步是一個過濾器，位于FB（函數塊）菜單上，可以從4到16個值計算平均值。通過配置函數來影響平均值，從而放棄用戶定義的最大和最小輸入值的數量，或者根據輸入值的順序（FIFO）加權平均值。

系統算法控制，當每個新值被輸入時，最老的值被移出。因為丟棄值為2，所以丟棄2個最小值和2個最大值，其余的值相加，然后求平均值（30+40+50+60=180/4）。結果是45，輸出到 ML 0。Filter Configuration 保存決定如何平均輸入值的參數，因此必須在 Filter： Calculate 函數被調用之前激活它。每當 Calculate 函數的激活條件打開時，函數的 Input 參數被復制到鏈接 Filter Configuration 的向量中，計算平均值，并將結果置于鏈接的輸出操作數中。每次激活函數時，輸出值都被覆蓋，因此沒有分配PLC內存。這些值存儲在函數（基于堆棧的解決方案）中。

對于過濾器配置器的初始化，該程序使用一個系統位（SB 2），該位在PLC打開時從0“邏輯”轉換為1。鑒于有多個傳感器，將使用相同的程序，以獲取數據，從它們每次的PLC是通電。對于過濾器計算器的初始化程序是使用一個系統位（SB 13），從0“邏輯”到1每當信號有一個上升沿（從低到高的過渡），它也稱為正邊。當一個電路是上升沿觸發，它成為積極的時鐘信號從低到高，忽略了高到低的轉變。如果流程需要更快地獲取數據，以提供更快的響應，則應使用 SB15。

在本文的系統中，所選擇的傳感器都有相同的24 V直流電源和4-20rnA ，兩個交流感應電動機（一個用于拉動結構，一個用于推動）配備了編碼器，確保電動機的同步。如果一個移動太快，編碼器將發送給PLC的信號大于信號從較慢的電機接收。在程序中，第一個操作是比較兩者，然后從較大的信號中減去較小的信號。如果兩者之間的差異是顯著的（這個參考將設置在幾個實驗測試后），它將乘以一個因子k（也設置在幾個測試后），結果將被添加到電機移動較慢。如果兩者之間的差異太大，或者經過一段時間后兩臺電機不能同步，兩臺電機都將關閉，并顯示系統故障消息。此外，如果風太大，發動機也會關閉。風力應該始終處于系統運行的安全范圍之內。如果一切都在正常參數范圍內運行，那么這個結構就會自動旋轉，就像向日葵一樣。

太陽跟蹤器使用以下原理：兩個光強度傳感器，分別安裝在結構的兩個臂上。該算法類似于編碼器的情況下使用的一個：比較兩個信號，減去較大的一個小。唯一的區別是，在這種情況下，如果差別很大，馬達就會開始移動結構，直到差值為零[3]。

3 ? 結語

本文提出了一種建筑物頂部旋轉式LED顯示屏的控制方法。使用傳感器、控制器預測系統的進化作為一個功能的控制輸入，并作出相應的決策，從而確保光伏陣列將旋轉跟隨太陽，使用最大功率點跟蹤算法，儲存在鎳氫電池的能量在一個受控的速率和保證顯示指出用戶定義的信息、時鐘和環境溫度。所有這些設備都只使用綠色太陽能。這是同類系統中的第一個，它保證產生影響，改變所知的戶外廣告，特別是因為它提供了一個非常好的全球能源效率。

[參考文獻]

[1]黃道燚，陳敏敏.基于GPRS與物聯網的廣告屏系統設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2019（2）：48-49.

[2]許世林，房騰博，殷曉潔.基于太陽能技術的LED廣告牌系統設計[J].科技視界，2017（1）：240.

[3]王東，姚敏茹，王丹，等.并網式LED環保廣告牌供電系統設計[J].電子世界，2013（17）：155-156.

（編輯 傅金睿）