基于PLC的太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的研究_圖文

1、計算jli幾技術與應用 Computer Technology and Its Applications基于PLC的太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的研究羅維平(武漢科技學院電信學院,湖北武漢430073摘要:研究了基于可編程邏輯控制器(PLC的太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效地提高 了太陽能的利用率和光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率,降低了光伏并網(wǎng)發(fā)電的成本,具有理論研究意義和應用 推廣價值。關鍵詞:自動跟蹤;可編程序邏輯控制器;光伏太陽能;歐姆龍;數(shù)據(jù)處理中圖分類號:TM615,I'P11,TK513文獻標識碼:BResearch of solar panels automatic tracking

2、 system based on PLCLUO Wei Ping(College of Electronics&Information Engineering,Wuhan University of Science and Engineering,Wuhan 430073,ChinaAbstract:The paper studies solar panels automatic tracking system based on OMRON programmable logic controller(PLC.The System has effectively improved the

3、 utilization ratio of solar energy and efficiency of photovoltaie power generation system,and reduced the cost of grid-connected PV power generation with significances of theories research and application values of applications promotion. Key words:automatic tracking;programmable logic controller;ph

4、otovoltaic solar energy;OMRON;data handling太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當今國內(nèi)外 最具發(fā)展前景的新能源之一。光伏(PV發(fā)電技術在國 外已得到深入研究和推廣,我國在技術上也已基本成 熟,并已進入推廣應用階段【11。但太陽能存在著密度低、 間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題,這對 太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多 太陽能電池板陣列基本上都是固定的,不能充分利用太 陽能資源,發(fā)電效率低下121。如果能始終保持太陽能電 池板和光照的垂直,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。根據(jù)據(jù)實驗,在太陽能發(fā)電 中,相同條件

5、下,采用自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電 設備的發(fā)電量提高35%左右131。因此,設計開發(fā)能自動 追蹤太陽光照的控制系統(tǒng),是非常有價值的研究課題。 本文研究的是一種新型的可編程邏輯控制器PLC 的太陽光自動跟蹤系統(tǒng),不僅能自動根據(jù)太陽光方向來 調(diào)整太陽能電池板的朝向,結構簡單、成本低,而且在跟 蹤過程中能自動記憶和更正不同時間的坐標位置,不必 人工干預,特別適合天氣變化比較復雜和無人值守的情 況,有效地提高了太陽能的利用率,有較好的推廣應用+基金項目:湖北省教育廳項目資助(項目號:D200817051自動跟蹤系統(tǒng)的組成及工作原理太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)由PLC主控單元、 傳感器和信號處理單元、

6、光伏模塊、電磁機械運動控制 模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。 噸亟淵信號處理單元h SBI光伏 r_1Dc24v卑上u 模塊 I開關電源F刊PLC (PV 壺石一h Panel 興 山模擬輸出00I +一M卜一繼電器單元K.圖1系統(tǒng)組成框圖太陽能光伏發(fā)電設備自動跟蹤系統(tǒng)的光敏探測頭 (傳感器是用來檢測太陽光強的。當有偏差發(fā)生時,偏 差信號經(jīng)過跟蹤PLC主控單元(控制器,采用模擬差壓 比較原理進行運算、比較和發(fā)出指令,使電動執(zhí)行器動 作,驅(qū)動機械部分轉動推動整個裝置旋轉,調(diào)整偏差,保 證太陽能電池方陣正對太陽光,達到自動跟蹤太陽的目 的。太陽能電池方陣在陽光的照射下光伏發(fā)電,通過控

7、 制器向蓄電池充電。系統(tǒng)配有自動保護線路,當風力達 電子技術應用2009年第9期計算iIi幾技術與應用 Computer Technology and Its Applications到8級時自動啟動,切斷跟蹤太陽系統(tǒng),使電池方陣快 速收平,在風力降下來時延時10rain,解除防風系統(tǒng),恢 復跟蹤過程。固定光強、跟蹤光強、電瓶溫度和自然風速 等由微機進行數(shù)據(jù)采集,并對蓄電池充電和放電進行分 級控制。系統(tǒng)有自動和手動2種控制方式,SBl和SB2為控 制按鈕,用于手動操作,PI輸出的Q0或Q1分別連接 到2個繼電器線圈,以控制太陽板的正反2個運動方 向。在自動運行模式下,PLC首先比較來自信號處理

8、單 元的2個模擬輸入的值,然后決定輸出QO或者Q1。 1.1可編程邏輯控制器PLC單元跟蹤控制器采用可編程邏輯控制器PLC,它是太陽 能電池板跟蹤系統(tǒng)的控制核心,是系統(tǒng)研究工作的重 點。系統(tǒng)采用歐姆龍(OMRON公司近年推出的系列 PLC,該機型為介于大型機與小型機之間的中小型機, 最大控制I/0點數(shù)為1184點。在應用中,中央處理器單 元(CPU采用C200HXCPU43一E,它自帶1個編程口和 1個RS232C口。該CPU具有豐富的指令功能,編程十分 方便;開關量輸入輸出模塊分別選用C200HID212和 C200H一0C225;通過在CPU中插人通訊板C200HW COM06一E(該板具

9、有1個RS232C和1個RS一422/485實現(xiàn) 與上位機遠程通訊。由于采用了RS一422接口。采取平 衡式發(fā)送,因此數(shù)據(jù)傳輸率高,而且串擾小,傳輸距離可 達500m。特別對串并聯(lián)的并網(wǎng)光伏太陽能電池陣列的 跟蹤系統(tǒng)控制,能發(fā)揮PLC現(xiàn)場總線控制的優(yōu)勢,進行 集中控制。經(jīng)過研究和優(yōu)化設計,應用集成標準線路,采 用模擬差壓比較原理,控制器具有跟蹤精度高、范圍寬、 自動返回功能。限位裝置具有東、西、上、下4個方位的 極限限位功能。采用雙重限位控制結構,即控制信號限 位和驅(qū)動電機限位,保證了設備可靠地工作。圖2所示 為PLC輸入/輸出硬件配置圖。復位按鈕前向運動輸出 太陽板位置傳感器強迫前向按鈕 歐

10、姆龍 后向運動輸出 強迫后向按鈕 (0MRON內(nèi)存溢出指示光電傳感器l PLCPC RS一232接口光電傳感器2圖2PLC輸入/輸出硬件配置圖1.2傳感器檢測和信號處理單元太陽的方位隨著觀測位置和觀測時間的不同而不 同,因此,欲跟蹤太陽就必須先對太陽進行檢測定位。 檢測太陽光光強的方法有定時法、坐標法、太陽能電池 板光強比較法和光敏電阻光強比較法【41。對這4種控制 方法進行了對比后認為:定時法電路雖然簡單,但由于 電子技術應用2009年第9期 季節(jié)的影響,系統(tǒng)的控制精度較差;坐標法控制精度較 高,但控制電路復雜;光強比較法使系統(tǒng)的太陽能利用 率不能達到最佳;光敏電阻比較法電路實現(xiàn)最簡單,對

11、太陽能的利用率最大。基于此,選擇控制精度高和電路 易于實現(xiàn)的光敏電阻光強比較法作為本研究系統(tǒng)的檢 測方案。光敏探測頭(傳感器是太陽能電池板跟蹤系統(tǒng) 的光信號接收器,它是利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生 變化的原理,將2個完全相同的光敏電阻分別放置于一 塊電池板東西方向邊沿處的下方(光與電池板垂直時, 一半町接收光。一半在下邊。如果太陽光垂直照射太陽 能電池板時。2個光敏電阻接收到的光照強度相同,它 們的阻flIi完個申¨等,此時電動機不轉動。當太陽光方向 與電池板廄“力向有夾角時,接收光強多的光敏電阻阻 值減小。驅(qū)動電動機轉動,直至2個光敏電阻上的光照 強度相同?？刂旗`敏度的高低直接影響

12、跟蹤精度。光敏 電阻光強比較法的優(yōu)點在于控制精確,電路設計比較容 易實現(xiàn)。經(jīng)過實驗研究,選用質(zhì)量輕、美觀、耐腐蝕的鋁 合金材料,光電接收管經(jīng)過嚴格的計算、定位,以保證其 檢測靈敏度。圖3所示是太陽光電定位裝置中光電檢測電路的 俯視圖,共由9個光電三極管組成。正中央1個,旁邊8個圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住,圓柱體的直徑略大于檢測板的外圓。圓柱體的上方中央開1個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞,以便光線通過。將整個光電檢測裝置安裝在太陽能光電池板上, 圖3光電檢測排列 光電二極管的檢測面與電池板平行。在圓柱體的外面不 受圓柱體遮擋的地方(確保會受到光線的照射也安裝 1個光

13、電二極管,其朝向與圓柱體內(nèi)的光電二極管朝向 相同,用于檢測環(huán)境亮度,并與圓柱體內(nèi)的每個光電二 級管及運放(可用LM324集成電路中的1個構成一個 比較電路。這樣當圓柱體內(nèi)的光電二極管沒有受光線照 射時,運放將輸出低電平,此電平可接到輸入端進行檢 測。圓柱體內(nèi)的每個光電二級管各用1個PLC的輸入 端,共9個。這樣就可以檢測太陽光線的朝向,決定哪個 電機轉動,向哪個方向轉動。另外,為了增大光電二極管 的檢測范圍,視實際情況需要,也可再增加1圈緊密排 列的光電二極管,外圈的光電二極管與內(nèi)圈的相應位置 的光電二極管并聯(lián)。圖4所示為信號處理單元電路,當太陽輻射強度增 加時,光電電阻阻值減小,1kfl可變

14、電阻的壓降增加, 從而產(chǎn)生與太陽光輻射強度有直接關系的電壓信號。2個傳感器的輸出信號與PLC模擬輸入端口連接,并對這 2個模擬信號進行比較運算,從而輸出正確的信號,以139計算iIl幾技術與應用 Computer Technology and Its Applications1kn踅竺皇里1 l雇輸出12 l傳感器輸出一 一|卜一 驅(qū)動太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的電磁機構。 1.3光伏模塊光伏模塊采用三菱光伏智能功率模 塊PVIPM(PM5084LA060,其技術參數(shù)主要有峰值功率P眥=85W,最佳工作電壓17.5V。這些參數(shù)是在標準的試驗條件下測試的(太陽光 強度l 000W/m3,太陽板溫度25

15、,空氣質(zhì)量1.5。 1.4電磁機械運動控制模塊抗大風自動放帆功能是為了保護跟蹤發(fā)電裝置,在 風力達到一定強度時防風系統(tǒng)啟動,自動調(diào)整受風面, 避免設備被風吹壞。經(jīng)實驗研究,防風傳感器采用德國 進口產(chǎn)品,防風系統(tǒng)采用優(yōu)先工作方式,一旦啟動將切 斷跟蹤太陽能系統(tǒng),自動放帆。機械傳動機構是跟蹤控制的執(zhí)行機構,它不但在室 外工作,還承受裝置的重量、風力,直接影響整機的精 度。經(jīng)研究,水平傳動采用電機、諧波減速機和兩級蝸輪 蝸桿減速機,仰角傳動采用電機、諧波減速機和滾珠絲 杠,以保證機械精度和傳動效率。1.5系統(tǒng)電源模塊電源電路采用開關電源設計,具有高效率、低損耗 的特點。采用開關控制芯片IA960,它

16、能提供5.1V一40V 的輸出電壓和2.5A的輸出電流。電源電路如圖5所 示,通過調(diào)整2個電阻R3和R4,以產(chǎn)生12V一24V直 流電壓,DC 24V用于PLC電源,DC 44V直接取自整流 橋側供給直流電機。如果用于光伏逆變系統(tǒng)的跟蹤系 統(tǒng),一220V可以直接取自光伏逆變電源。2光伏系統(tǒng)軟件設計并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設計,包括 PLC控制和監(jiān)控程序、PC監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理程序2個主 要部分。2.1PLC控制和監(jiān)控程序PLC控制語句是整個太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的重 要組成部分,軟件編程采用歐姆龍公司的CXProgram. met 7.1,CX-P梯形圖編程支持軟件為使用者提供了從 操作界

17、面到程序注釋的全中文操作環(huán)境,支持Windows 的拖拉及粘貼操作,以及完備的檢索功能和常用標準位 簡易輸人功能。通過計算機的Rf一232C口與PLC的圖5開關電源設計VRS一232C口連接,對PLC進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、修改和在 線編輯等,可方便地把程序傳遞到PLC中或從PLC中讀 出數(shù)據(jù)。PLC主要完成如下工作:(1控制跟蹤系統(tǒng)的運動,其控制邏輯如圖6所示。圖6控制過程的邏輯順序(2將PLC輸入與輸出狀態(tài)復制到內(nèi)存的特定位置 (稱為標記區(qū)域,PC監(jiān)控程序能隨時直接從內(nèi)存區(qū)域 讀取輸入和輸出狀態(tài)。(3采樣數(shù)據(jù)存儲。這是一個在線采集存儲過程,通 過RAM數(shù)據(jù)存儲內(nèi)部的特殊矩陣,每1小時讀取光敏 電

18、阻的值。數(shù)據(jù)采集白天進行,晚上停止,直到第二天 日出。采集的時間(小時和分鐘存儲在不同的矩陣,然 后在PC機的屏幕上顯示出來。當RAM內(nèi)存滿時,將不 再存儲數(shù)據(jù),直到復位操作將存儲數(shù)據(jù)清除。這部分程 序采用順序功能圖表SFC(Sequential Functioning Chart進 行編程,算法如圖7所示。2.2PC監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理程序采用面向?qū)ο蟮母呒壘幊陶Z言Visual Basic 6.0實 現(xiàn)以下功能:(1自動檢測PC機RS232串I:1和PLC端口的連接狀態(tài)。(2系統(tǒng)監(jiān)控。決定光伏模塊的實際位置和運動方向,顯 示光敏電阻的讀數(shù)以及內(nèi)存溢出標記。(3模塊的強制性前向和反向運動。通過程序界

19、面, 發(fā)出指令控制PLC操作。如果出現(xiàn)系統(tǒng)位置異常,可強 迫太陽板按照操作要求恢復初始位置。(1;轉第144頁 電子技術應用2009年第9期計算iIi幾技木與應用 Computer Technology and Its Applications理,顯示選定參數(shù),同時判斷電動機是否存在故障,有故 障則發(fā)出聲光報警信號,產(chǎn)生相應的電動機控制信號;無 故障則電動機按預定指令正常運行?？刂茊纹瑱C通過 SPC3芯片實現(xiàn)與其他Pr06BUS總線設備進行數(shù)據(jù)交換。 本文介紹的電動機智能控制和保護裝置,采用Atmega64型高性能單片機為主控制芯片,以專用電能計量芯片 A,I廣7028A實現(xiàn)電動機參數(shù)的采集,

20、以ProfiBuS協(xié)議芯 片SPC3實現(xiàn)裝置的聯(lián)網(wǎng)通信,同時結合其他輸入、輸出 電路,實現(xiàn)對電動機的智能控制和保護,裝置設計簡潔、 性價比高、功能強,便于組網(wǎng),適合企業(yè)綜合自動化的需 要,有利于提高企業(yè)的自動化水平,具有良好的市場應 用價值。參考文獻【1】黃世澤,郭勤學.基于P1C16F716微處理器標準型電動 機保護器的設計J】.低壓電器,2006(11:2629.【2】劉成俊,王善永,周勁鷹.ProfiBUSDP智能從站通信【3】【4】【5】【6】圖5系統(tǒng)軟件流程圖 【7】片獲得電動機運行數(shù)據(jù)、并按照預定規(guī)則進行數(shù)據(jù)處Sl夜晚 計數(shù)器和溢出標記初始化存儲陣列 采樣計數(shù)器開始采樣日期,轉向S

21、l存儲白天開始時間(小時和分鐘Day start_tinme-day 8tm'ttime+2如果白天時問計數(shù)器滿,在Sl狀態(tài)停留 否則轉向S2如果采樣計數(shù)器未滿,且經(jīng)過1個小時, 則存儲采樣數(shù)據(jù)采樣計數(shù)器+l在采樣計數(shù)器內(nèi)存儲l天結束的代碼 采樣計數(shù)器+l太陽升起天亮圖7存儲過程順序功能囝(4顯示系統(tǒng)設置。顯示存儲在PLC內(nèi)存中的太 陽跟蹤系統(tǒng)的設置,如前向和反向運動極限、光線暗度 極限、前向和反向停止極限以及對這些參數(shù)設置可直接 進行修改。接13的研究和設計【J】.工業(yè)控制計算機,2007(1:“一12. Atmel Corp.Atmega64(LmanualZ】.2003.SIEM

22、ENS Corp.SPC3hardware description【Z1.2003. 珠海炬力集成電路設計有限公司.ATl7028A用戶手冊 【Z】.2005.李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應用系統(tǒng)設計【M】. 北京:人民郵電出版社,2006:102132.李宏任.實用繼電保護fM】.北京:機械工業(yè)出版社, 2002. (收稿日期:20090324陽光垂直。太陽能電池板自動跟蹤太陽光并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 的研究,有效地提高了太陽能的利用率和光伏發(fā)電系統(tǒng) 的效率,增加了全年的發(fā)電功率輸出,從整體上降低了 光伏并網(wǎng)發(fā)電的成本,符合構建環(huán)保型和節(jié)能型社會發(fā) 展的要求,具有很高的經(jīng)濟效益,并能產(chǎn)生良好的社會 影響,具有理論研究意義和應用推廣前景?；赑LC的 太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)可用于獨立的太陽能光伏發(fā)電, 也能應用于串/并聯(lián)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)場總線控 制,具有良好的應用前景。參考文獻【1】ABDALLAH S.Two axes sun-tracking system with PLC controlJ.Energy Conve