聶秀珍，林 斌

(1.山西輕工職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，山西 太原 030073；2.華晉焦煤有限責任公司沙曲礦，山西 呂梁 033300)

目前，光伏專業(yè)或者相關(guān)專業(yè)成為熱門專業(yè)，主要是由于在交通、通信以及航空航天等各行各業(yè)中都在應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，甚至在日常生活中也到處可見光伏電池板的應(yīng)用，比如：移動式太陽能交通燈，太陽能路燈等。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用大自然的太陽能轉(zhuǎn)換成為電能的系統(tǒng)，在能量轉(zhuǎn)換的過程中不污染環(huán)境，可靠性比較高，而且還能獨立進行發(fā)電等這一系列獨特的優(yōu)點，導致很多企業(yè)行業(yè)都來開發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)的潛力，因而具有很好的發(fā)展前景。[1-2]本文以“KNT-WP01型光伏發(fā)電系統(tǒng)”為載體，通過研究光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件在燈光照射下模擬太陽光照進行手動控制和自動跟蹤[3]。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備是以KNT-WP01實訓型設(shè)備為主，該系統(tǒng)主要包含四部分，分別是進行光伏供電的裝置、進行光伏供電的系統(tǒng)、用于逆變的負載系統(tǒng)以及對設(shè)備進行監(jiān)控的系統(tǒng)，具體外形圖(見圖1)。

圖1 主要系統(tǒng)的外形圖

1.1 光伏供電的裝置

光伏供電的裝置是用來模擬太陽光照的設(shè)備，主要依靠的是支架上的兩個投射燈燈1和燈2，通過擺桿運動模擬太陽運動，太陽運動方向根據(jù)圖示要求明確。光伏電池組件有4塊，分別定義為1#、2#、3#、4#，主要模擬電站，電池組件在運動方向上分別有每個方向的限位開關(guān)，具體安裝圖(見圖2)。

圖2 光伏供電的裝置圖

1.2 用于光伏供電的系統(tǒng)

光伏發(fā)電裝置上光伏組件[4]的向東、向西、向南、向北運動、燈1、燈2的東西、西東運動都需要通過光伏供電的系統(tǒng)中的接線端子與西門子S7-200 PLC進行連接，在光伏供電系統(tǒng)中電壓主要用于供應(yīng)繼電器、各個按鈕的用電。供電系統(tǒng)中的DSP主要用于對于對數(shù)字信號變換、濾波等運算。供電系統(tǒng)的各個模擬塊安裝位置(見圖3)。

1.3 上位機監(jiān)控的系統(tǒng)

在光伏發(fā)電控制的過程中需要上位機進行監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)主要利用計算機監(jiān)控，采用力控組態(tài)軟件進行參數(shù)的設(shè)定，監(jiān)控界面的繪制。

圖3 光伏發(fā)電供電系統(tǒng)的安裝圖

2 PLC的調(diào)試要求

2.1 西門子S7-200PLC的I/O分配

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制要求，可以分配如下I/O分配表，根據(jù)該分配表，進行PLC與光伏組件的接線。[5]具體分配表(見表1)。

其中，繼電器KA1用于控制光伏發(fā)電系統(tǒng)中組件向西的運動以及供電系統(tǒng)中指示向西運動的指示燈；KA2用于控制光伏發(fā)電系統(tǒng)中組件向東的運動以及供電系統(tǒng)中指示向東運動的指示燈；繼電器KA3用于控制光伏電池組件向北偏轉(zhuǎn)及向北偏轉(zhuǎn)指示燈；繼電器KA4用于控制光伏電池組件向南偏轉(zhuǎn)及向南偏轉(zhuǎn)指示燈；繼電器KA5用于控制擺桿由東向西運動及東西運動指示燈；繼電器KA6用于控制擺桿由西向東運動及西東運動指示燈；繼電器KA7用于燈1和燈1按鈕指示燈；繼電器KA8用于燈2和燈2按鈕指示燈。

表1 S7-200 PLC的I/O分配表

2.2 光伏電池組件跟蹤光源的PLC的具體要求

光伏供電系統(tǒng)中可以對光伏電池組件的運動進行手動和自動的兩種狀態(tài)調(diào)試，當開關(guān)撥向手動時，PLC進行手動按鈕控制；當開關(guān)撥向自動控制時，PLC對電池組件、擺桿進行自動跟蹤控制，可以完成單循環(huán)控制。

2.2.1 手動調(diào)試

(1)當開關(guān)撥向手動時，按下供電系統(tǒng)中的向東對應(yīng)按鈕，光伏組件模擬太陽向東運行，當松開向東的按鈕時或者是組件觸碰到向東的限位開關(guān)時，供電系統(tǒng)中的向東的按鈕熄滅，同時組件也停止向東繼續(xù)運行。

(2)PLC處在手動控制狀態(tài)時，按下向西按鈕，光伏電池組件向西偏轉(zhuǎn)，松開向西按鈕或者接觸到向西的限位開關(guān)時，供電系統(tǒng)中的向西的按鈕熄滅，同時組件也停止向西繼續(xù)運行。

(3)PLC處在手動控制狀態(tài)時，按下向南按鈕，光伏電池組件向南偏轉(zhuǎn)，松開向南按鈕或者接觸到向南的限位開關(guān)時，供電系統(tǒng)中的向南的按鈕熄滅，同時組件也停止向南繼續(xù)運行。

(4)PLC處在手動控制狀態(tài)時，按下向北按鈕，光伏電池組件向北偏轉(zhuǎn)，松開向北按鈕或者接觸到向北的限位開關(guān)時，供電系統(tǒng)中的向北的按鈕熄滅，同時組件也停止向北繼續(xù)運行。

(5)PLC處在手動控制狀態(tài)時，按下向東西按鈕，擺桿由東向西方向偏轉(zhuǎn)，松開向東西的按鈕或者是當擺桿接觸到東西的限位開關(guān)時，供電系統(tǒng)中的東西按鈕熄滅，同時擺桿也停止由東向西繼續(xù)運行。

(6)PLC處在手動控制狀態(tài)時，按下向西東按鈕，擺桿由西向東方向偏轉(zhuǎn)，松開向西東的按鈕或者是當擺桿接觸到西東的限位開關(guān)時，供電系統(tǒng)中的西東按鈕熄滅，同時擺桿也停止由西向東繼續(xù)運行。

(7)當開關(guān)撥向手動時，按下供電系統(tǒng)中的燈1對應(yīng)按鈕，對應(yīng)燈1按鈕點亮，燈1就會模擬太陽進行光照，當松開燈1對應(yīng)的按鈕時，對應(yīng)燈1的按鈕就不亮，同時燈1不亮。

(8)當開關(guān)撥向手動時，按下供電系統(tǒng)中的燈2對應(yīng)按鈕，對應(yīng)燈2按鈕點亮，燈2就會模擬太陽進行光照，當松開燈2對應(yīng)的按鈕時，對應(yīng)燈2的按鈕就不亮，同時燈2不亮。

(9)當開關(guān)撥向手動時，觸碰觸摸屏[6]上電站負載調(diào)試界面的按鈕控件，對應(yīng)負載或電站運行；松開按鈕控件，對應(yīng)負載或電站停止運行。

2.2.2 單循環(huán)調(diào)試

(1)當開關(guān)撥向自動狀態(tài)時，按下供電系統(tǒng)中的向東對應(yīng)按鈕，光伏組件模擬太陽連續(xù)向東運行，接觸到東限位位置開關(guān)停止1 s，然后光伏電池組件向西偏轉(zhuǎn)，直至接觸到西限位位置后停止，在此過程中按下停止按鈕或者急停按鈕，光伏電池組件停止偏轉(zhuǎn)。

(2)PLC處在自動控制狀態(tài)時，按下向西按鈕，光伏電池組件連續(xù)向西偏轉(zhuǎn)，接觸到西限位位置開關(guān)停止1 s，然后光伏電池組件向東偏轉(zhuǎn)，直至接觸到東限位位置后停止，在此過程中按下停止按鈕或者急停按鈕，光伏電池組件停止偏轉(zhuǎn)。

(3)PLC處在自動控制狀態(tài)時，按下向北按鈕，光伏電池組件連續(xù)向北偏轉(zhuǎn)，接觸到北限位位置開關(guān)停止1 s，然后光伏電池組件向南偏轉(zhuǎn)，直至接觸到南限位位置后停止，在此過程中按下停止按鈕或者急停按鈕，光伏電池組件停止偏轉(zhuǎn)。

(4)PLC處在自動控制狀態(tài)時，按下向南按鈕，光伏電池組件連續(xù)向南偏轉(zhuǎn)，接觸到南限位位置開關(guān)停止1 s，然后光伏電池組件向北偏轉(zhuǎn)，直至接觸到北限位位置后停止，在此過程中按下停止按鈕或者急停按鈕，光伏電池組件停止偏轉(zhuǎn)。

(5)PLC處在自動控制狀態(tài)時，按下東西按鈕，擺桿連續(xù)由東向西偏轉(zhuǎn)，到東西限位位置開關(guān)停止1 s，然后擺桿連續(xù)由西向東偏轉(zhuǎn)，直至接觸到西東限位位置后停止，在此過程中按下停止按鈕或者急停按鈕，光伏電池組件停止偏轉(zhuǎn)。

(6)PLC處在自動控制狀態(tài)時，按下西東按鈕，擺桿連續(xù)由西向東偏轉(zhuǎn)，到西東限位位置開關(guān)停止1 s，然后擺桿連續(xù)由東向西偏轉(zhuǎn)，直至接觸到東西限位位置后停止，在此過程中按下停止按鈕或者急停按鈕，光伏電池組件停止偏轉(zhuǎn)。

3 PLC程序

根據(jù)光伏發(fā)電控制系統(tǒng)[7]中的控制要求，在硬件接線完成的情況下，依據(jù)西門子S7-200 PLC的編寫原則，對于此次要求進行PLC程序的編寫，主要編寫三部分：首先在主程序區(qū)分手動與自動程序、第二在手動開關(guān)下進行手動調(diào)試程序、第三在自動開關(guān)下進行自動調(diào)試程序。圖4為復位主程序、手動調(diào)試程序和自動調(diào)試程序。

圖4 部分調(diào)試程序

4 組態(tài)軟件跟蹤監(jiān)控控制界面

根據(jù)控制要求中，PLC處在手動控制狀態(tài)時，按下觸摸屏上電站負載調(diào)試界面的按鈕控件，對應(yīng)負載或電站運行；松開按鈕控件，對應(yīng)負載或電站停止運行。需要進行上位機的設(shè)置，上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要由計算機和力控組態(tài)軟件組成，根據(jù)具體要求進行參數(shù)設(shè)置，界面繪制。[8]

(1)按下力控軟件中的向東對應(yīng)按鈕，圖5所示界面上向東運行的按鈕變綠，光伏組件模擬太陽連續(xù)向東運行。

(2)光伏組件模擬太陽向東運動運動到達東限位后光伏電池板停止繼續(xù)運動，同時軟件界面(見圖6)上向東運動限位開關(guān)從紅色變成綠色，光伏組件模擬太陽停止繼續(xù)向東運動。

(3)按下力控軟件中的東西對應(yīng)按鈕，軟甲界面上的東西按鈕控件相應(yīng)指示燈變綠，擺桿組件由東向西運動(見圖7)。

(4)擺桿組件由東向西運動到達東西限位后擺桿組件停止由東向西運動同時東西限位指示燈由紅變綠，擺桿停止運動(見圖8)。

圖5 光伏組件模擬太陽連續(xù)向東運行

圖6 光伏電池板停止向東運動顯示

圖7 擺桿由東向西運動顯示

圖8 擺桿停止由東向西運動顯示

5 結(jié) 論

在基于“KNT-WP01型光伏發(fā)電系統(tǒng)”對于太陽光照進行了手動控制和自動跟蹤[9]，本設(shè)備是由西門子S7-200 PLC進行編寫程序進行調(diào)試，上位機力控軟件對于光伏發(fā)電系統(tǒng)進行監(jiān)控，其中系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析主要采用的是DSP進行數(shù)字信號變換、濾波等運算，達到預期目標。