孟淑麗　吳志成　于福華　熊國(guó)燦

摘? 要：為了將技能大賽納入高職院校的日常教學(xué)工作，通過對(duì)“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)安裝與調(diào)試”國(guó)賽賽項(xiàng)的調(diào)研，依據(jù)城市新能源路燈工作原理，設(shè)計(jì)開發(fā)了INET智慧新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)模擬了風(fēng)能和光能的產(chǎn)生，利用PLC自動(dòng)控制能量的轉(zhuǎn)換以及蓄電池的充放電狀態(tài)，通過觸摸屏開發(fā)能源管理界面對(duì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。北京經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院電氣自動(dòng)化專業(yè)“電氣控制技術(shù)”綜合實(shí)訓(xùn)課程以新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為實(shí)訓(xùn)設(shè)備，實(shí)施實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，通過實(shí)訓(xùn)考核分析，該設(shè)備達(dá)到實(shí)訓(xùn)要求，滿足教學(xué)需求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ);技能大賽;實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）20-0150-04

Development and Design of INET Smart New Energy Innovation Training Platform

MENG Shuli， WU Zhicheng， YU Fuhua，XIONG Guocan

（Beijing Institute of Economics and Management， Beijing? 100102， China）

Abstract： In order to bring the skill competition into the daily teaching work of higher vocational colleges， through the investigation of the national competition item of “installation and debugging of wind and solar energy complementary power generation system”， and according to the working principle of urban new energy street lamps， INET smart new energy innovation training platform is designed and developed. The platform simulates the generation of wind and solar energy， uses PLC to automatically control the energy conversion and the charge and discharge state of the battery， with the help of touch screen development energy management interface to manage the platform in real time. The comprehensive training course of “electrical control technology” of electrical automation major in Beijing Institute of Economics and Management takes the new energy innovation training platform as the training equipment to implement the training project. Through the training assessment and analysis， the equipment meets the training requirements and meets the teaching needs.

Keywords： wind and solar energy complementary; skill competition; training platform

0? 引? 言

技能大賽是高職院校提高人才培養(yǎng)質(zhì)量以及將學(xué)生所學(xué)知識(shí)與職業(yè)崗位對(duì)接的有效平臺(tái)。為了以賽促學(xué)，加強(qiáng)實(shí)操訓(xùn)練，提高學(xué)生技能水平，北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院于2018年引入一套“KNT-WP01型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”設(shè)備，該設(shè)備是全國(guó)職業(yè)院校技能大賽高職組“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)安裝與調(diào)試”賽項(xiàng)指定的大賽專用設(shè)備，主要用于學(xué)生參賽培訓(xùn)和教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。在使用中發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備屬于工業(yè)級(jí)控制裝置，設(shè)備體積龐大、裝置煩瑣，硬件接線過于復(fù)雜，儀器容易損壞，且只有一套價(jià)格昂貴，不適合平時(shí)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，不能滿足教學(xué)需求，因此設(shè)計(jì)開發(fā)了智慧新能源創(chuàng)新設(shè)備，旨在為學(xué)生提供一個(gè)綜合便捷的實(shí)訓(xùn)設(shè)備。

1? 設(shè)計(jì)原理

我國(guó)正在貫徹落實(shí)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”的發(fā)展戰(zhàn)略，國(guó)家財(cái)政扶持節(jié)能減排，促進(jìn)了新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。新能源專業(yè)人才定然是未來的稀缺人才，因此經(jīng)多方調(diào)研，確定INET智慧新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)仿照城市新能源路燈工作原理設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)完美詮釋了新能源理念，因其造價(jià)低，可以在實(shí)訓(xùn)室搭建多臺(tái)設(shè)備供學(xué)生使用，提高學(xué)生對(duì)新能源技術(shù)的深入學(xué)習(xí)，同時(shí)鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。其工作原理與KNT-WP01型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)相似，滿足了實(shí)踐教學(xué)和技能培訓(xùn)的雙重需求。

風(fēng)力發(fā)電部分模擬風(fēng)源產(chǎn)生風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片，葉片的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再由風(fēng)光互補(bǔ)控制器為蓄電池充電;太陽能電池板能將吸收的光能轉(zhuǎn)換為電能，再由風(fēng)光互補(bǔ)控制器為蓄電池充電。蓄電池充電時(shí)，控制器會(huì)控制蓄電池不被過充。蓄電池釋放所儲(chǔ)存的電能時(shí)，控制器會(huì)控制蓄電池不被過放電，保護(hù)蓄電池?？删幊绦蚩刂破鱌LC控制整體系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，人機(jī)界面（觸摸屏）監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)工作思路，可設(shè)計(jì)出實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能框圖，如圖1所示。

依據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，將“INET智慧新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”設(shè)備分為五大部分。

1.1? 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為以燈泡發(fā)光照射到發(fā)電板的方式模擬太陽能發(fā)電，模擬光源模包含了光源支架，可自由調(diào)節(jié)高度以及光照角度，采用兩個(gè)1000 W鹵鎢燈，可模擬陰天、多云、晴天的天氣環(huán)境。利用風(fēng)光互補(bǔ)控制器對(duì)光伏電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，同時(shí)加入按鈕，繼電器等器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制單元的布線與接線，利用繼電器和按鈕不同的布線與接線方式，開發(fā)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

1.2? 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)能控制器、底座支架等設(shè)備與器件組成。首先設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的配置，風(fēng)源采用750 W的三相異步電機(jī)，風(fēng)量大、可調(diào)節(jié)高度及風(fēng)向，可模擬各種風(fēng)速，構(gòu)建模擬風(fēng)場(chǎng)滿足負(fù)載要求。利用風(fēng)光互補(bǔ)控制器對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，防止風(fēng)速過快而導(dǎo)致失控，避免發(fā)生強(qiáng)風(fēng)時(shí)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成危險(xiǎn)。同時(shí)加入按鈕、繼電器等器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制單元的連接，利用繼電器和按鈕不同的布線與接線方式，可開發(fā)設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

1.3? 蓄電池儲(chǔ)能模塊

蓄電池儲(chǔ)能模塊由蓄電池和控制器組成，將光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電通過控制器儲(chǔ)存到蓄電池中，蓄電池給路燈照明系統(tǒng)供電。開發(fā)控制器的功能，對(duì)太陽能控制組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組件、蓄電池參數(shù)進(jìn)行控制。

1.4? PLC 系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)采用西門子S7系列產(chǎn)品，通過軟件編程自動(dòng)控制能量的轉(zhuǎn)換以及蓄電池的充放電狀態(tài)，同時(shí)設(shè)計(jì)斷路器模塊和其他電氣模塊，滿足系統(tǒng)安全工作需求。

1.5? 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由觸摸屏、接線排、按鈕、儀表、通信線、管理系統(tǒng)編程軟件等組成，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心模塊。首先設(shè)計(jì)能源管理系統(tǒng)主界面、光伏發(fā)電系統(tǒng)界面、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)界面、能量轉(zhuǎn)換界面等界面，可分別顯示各自的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并以數(shù)值形式記錄光伏輸出電壓、電流、風(fēng)力輸出電壓等數(shù)據(jù);其次加入PLC控制器，開發(fā)路燈照明控制程序、通訊系統(tǒng)的安裝與參數(shù)設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體平穩(wěn)運(yùn)行，并設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

2? 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)組成

平臺(tái)主要由主控柜、模擬光源模塊、模擬風(fēng)源模塊、風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電模塊組成，如圖2所示。INET智慧新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用功能獨(dú)立的模塊式結(jié)構(gòu)，可以模擬光能和風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)。

主控柜上包含實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要包括風(fēng)光互補(bǔ)控制器、數(shù)據(jù)采集模塊（儀表）、人機(jī)系統(tǒng)（觸摸屏）、風(fēng)力控制系統(tǒng)（變頻器）、S7-1200PLC（可編程控制器）、照明燈負(fù)載、LED屏幕負(fù)載、電機(jī)負(fù)載及輔助電氣控制元器件等。具體位置如圖3所示。其中風(fēng)光互補(bǔ)控制器是核心器件，具有充電電池反接、光伏電池反接保護(hù)、短路報(bào)警保護(hù)、光伏輸入端防雷保護(hù)，蓄電池溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電模塊包含一個(gè)200 W風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及兩塊100 W光伏發(fā)電單元，兩種模塊融合為一體，占用空間小，美觀大方，方便移動(dòng)。

3? 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能開發(fā)

智慧新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為實(shí)訓(xùn)設(shè)備，可開發(fā)大約二十個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，主要分為硬件安裝和軟件編程兩大部分。

3.1? 硬件實(shí)踐項(xiàng)目

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的基礎(chǔ)是硬件設(shè)計(jì)，要完成光能到電能、風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)換，開發(fā)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目有：

（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝。光伏電池組件的安裝、光源投射燈實(shí)訓(xùn)、光伏電池組件開路電壓和短路電流的測(cè)量、光伏電池組件的輸出特性測(cè)試。

（2）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安裝。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安裝、變頻器參數(shù)設(shè)置、風(fēng)力供電系統(tǒng)的輸出參數(shù)測(cè)試。

3.2? 軟件系統(tǒng)開發(fā)

實(shí)訓(xùn)設(shè)備包括PLC和觸摸屏。PLC選擇西門子200型，首先應(yīng)配置輸入輸出點(diǎn)，通過博圖編程軟件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源陰天和晴天的選擇、蓄電池充放電、電機(jī)或LED屏幕等負(fù)載的運(yùn)行控制。MCGS觸摸屏系統(tǒng)可開發(fā)編程調(diào)試、設(shè)計(jì)觸摸屏界面、與PLC通訊連接等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

以觸摸屏為例，可練習(xí)觸摸屏模塊的配置與使用，也可設(shè)計(jì)觸摸屏的多層界面，如主界面由設(shè)備名稱、設(shè)備視圖、頁面按鈕以及學(xué)校logo四部分構(gòu)成。其中界面按鈕區(qū)包含四大頁面選項(xiàng)，分別為光伏發(fā)電界面、風(fēng)力發(fā)電界面、能源管理界面、電池及負(fù)載界面，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕即可進(jìn)入各個(gè)控制頁面。

能源管理界面包含五大區(qū)域，分別為風(fēng)源模擬控制區(qū)、光源控制區(qū)、電站控制區(qū)、緊急停止控制區(qū)，如圖4所示。

4? 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)特點(diǎn)

該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠使學(xué)生掌握風(fēng)光互補(bǔ)的發(fā)電原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、能源信息與互聯(lián)、故障排除等知識(shí)內(nèi)容，同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的職業(yè)素養(yǎng)。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，技術(shù)創(chuàng)新含量高，主要有以下特點(diǎn)：

（1）通用性廣。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)完美地模擬實(shí)際風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可滿足新能源相關(guān)技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，也能為科技創(chuàng)新提供平臺(tái)和基礎(chǔ)，助力區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

（2）擴(kuò)展性高。設(shè)備上設(shè)有預(yù)留接口，能夠?qū)崿F(xiàn)“即插即用”，可以控制照明、電動(dòng)機(jī)等負(fù)載的運(yùn)行，可自適應(yīng)其他形式的新能源設(shè)備以及相關(guān)的擴(kuò)展訓(xùn)練。

（3）實(shí)用性強(qiáng)。在教學(xué)中，將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引入課堂，將相關(guān)課程考試考核與職業(yè)技能鑒定合并進(jìn)行，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能和崗位工作能力，實(shí)現(xiàn)后續(xù)就業(yè)“零距離”上崗。

INET智慧新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是根據(jù)新能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，既能實(shí)現(xiàn)學(xué)校實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)目標(biāo)，又能滿足技能大賽的培訓(xùn)要求，并進(jìn)行可視化、低成本開發(fā)，滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。高等職業(yè)學(xué)校的人才培養(yǎng)應(yīng)順應(yīng)社會(huì)發(fā)展，符合企業(yè)需求，此項(xiàng)目開發(fā)成功后，還可拓展學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生在參加工作時(shí)具有更多的選擇機(jī)會(huì)，同時(shí)也能彌補(bǔ)我校相應(yīng)的短板，為其他開發(fā)者提供重要的參考樣板。

5? 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用

為了驗(yàn)證實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的教學(xué)效果，在2020級(jí)電氣自動(dòng)化專業(yè)“電氣控制技術(shù)”實(shí)訓(xùn)課程中，將INET智慧新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選為綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)備，并按教學(xué)需求將實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目分為：

（1）硬件安裝。光伏供電系統(tǒng)安裝、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安裝、變頻器的設(shè)定、主控柜的接線。

（2）軟件開發(fā)。西門子S7-1200 PLC控制系統(tǒng)的編程調(diào)試、MCGS觸摸屏系統(tǒng)的編程調(diào)試。

（3）調(diào)試排障：程序故障設(shè)置、參數(shù)故障設(shè)置、電氣接線故障設(shè)置、機(jī)械故障設(shè)置等訓(xùn)練。

在實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)訓(xùn)設(shè)備功能齊全，工作原理簡(jiǎn)單易懂，“電氣控制技術(shù)”課程講到的知識(shí)點(diǎn)、硬件實(shí)施工藝要求、排障的方法等在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中都能體現(xiàn)，學(xué)生實(shí)訓(xùn)過程很順利，實(shí)訓(xùn)成績(jī)普遍偏高，因此實(shí)訓(xùn)效果良好，達(dá)到了教學(xué)要求。

6? 結(jié)? 論

INET智慧新能源創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)備體積小、功能齊全、成本低，可替代“KNT-WP01型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”設(shè)備，既能滿足技能比賽的前期培訓(xùn)要求，又能滿足教學(xué)工作中的實(shí)訓(xùn)要求，圍繞此項(xiàng)目，可以開發(fā)相關(guān)課程的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，同時(shí)推動(dòng)高職院校開展專業(yè)建設(shè)，展示相關(guān)教學(xué)改革和實(shí)踐成果，在緊貼新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展與需求的同時(shí)，培養(yǎng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)型人才，達(dá)到理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融通合一、能力培養(yǎng)與工作崗位對(duì)接的設(shè)計(jì)要求，值得大力推廣。

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作者簡(jiǎn)介：孟淑麗（1971.12—），女，漢族，河北石家莊人，副教授，碩士，研究方向：電氣控制技術(shù)。