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）

太陽能是一種資源豐富，可以再生的清潔無污染能源，合理、充分利用太陽能是人類與自然和諧發(fā)展的重要舉措。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問題，如果能始終保持太陽板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽光照的電磁機(jī)械系統(tǒng)，是非常有價(jià)值的研究課題。太陽能追蹤系統(tǒng)能增加太陽集能器或光伏模塊接收的太陽能，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)和巨大的開發(fā)利用潛力。目前，太陽能光伏發(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，光伏專業(yè)、光熱專業(yè)或其他相關(guān)專業(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能的跟蹤、模擬控制等內(nèi)容。

1 全太陽能跟蹤控制系統(tǒng)組成及硬件選型

1.1 全太陽能跟蹤控制系統(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塊太陽能電池板組件，3盞200 W投身燈（模擬太陽光）、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)以西門子S7-200可編程控制器為控制核心，當(dāng)有太陽光時(shí)，太陽能電池板上的跟蹤定位傳感器采集模擬太陽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)，使太陽能電池板始終正對(duì)著模擬太陽光源，以提高太陽能電池的發(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是太陽能追蹤系統(tǒng)的核心部件，該控制系統(tǒng)的PLC選用西門子公司的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)立太陽能設(shè)備的跟蹤系統(tǒng)控制，比如滿足邊疆偏遠(yuǎn)地區(qū)牧民夜晚用電的需求，而且特別對(duì)串并聯(lián)的大型光伏太陽能陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮PLC現(xiàn)場總線控制的優(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用戶程序在線編程。

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)主要以西門子STEP 7-Micro/WIN為開發(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，參見圖3所示。其中，自動(dòng)逐日主要通過上位機(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 太陽能跟蹤控制系統(tǒng)追日界面Fig.4 Solar tracking control system day interface

圖5 太陽能跟蹤控制系統(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)的交互作用將通過控制臺(tái)使用CRT、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，鼠標(biāo)或跟蹤球等來實(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，因此測試不必在裝置上加電流或電壓測試，遙測遙信在監(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]。但測試前需做以下3點(diǎn)準(zhǔn)備：

1）確保數(shù)據(jù)庫關(guān)于電容和電抗器、分接頭的遙控參數(shù)配置沒有錯(cuò)。檢查方法：在畫面上的進(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，有事故信號(hào)請(qǐng)先確認(rèn)，確保 VQC沒有閉鎖。

3 結(jié)束語

經(jīng)過多次跟蹤控制模擬，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)的前端太陽光的采集，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量來源，同時(shí)充分說明了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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