基于S7-200PLC的太阳能电池自动跟踪实训系统-杨晟

现代电子技术ModernElectronicsTechnique2013年11月1日第36卷第21期Nov.2013Vol.36No.210引言目前在太阳能发电利用中基本上都采用自动跟踪技术提高太阳能的利用率，跟踪技术分单轴跟踪和双轴跟踪，单轴跟踪系统比固定式系统能增加20%的功率输出，而双轴跟踪系统比固定式系统能增加40%的功率输出，双轴跟踪系统采用水平方向电机和俯仰方向电机来追踪太阳的方位角和高度角，从而可以实时精确追踪太阳的位置。跟踪太阳的方法目前多采用光电跟踪方式，由光电传感器件根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机，计算机运行程序调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。基于高职院校光伏新能源专业学生的实训教学需要，设计了基于西门子S7⁃200PLC的太阳能电池自动跟踪实训系统和实训操作模式。1系统构成太阳能电池自动跟踪实训系统由追日装置和追日控制系统组成，追日装置如图1所示。该系统由太阳能电池方阵、模拟太阳光灯、追日跟踪光学传感器、双轴运动重型云台等构成。图1太阳自动跟踪实训系统追日装置追日控制系统由西门子S7⁃200PLC及外围低压电器组成，CPU型号：CPUI224XTCN，输入14个点，输出10个点，追日控制系统控制追日装置上的步进电机，步进电机带动同步带上的金属卤灯（模拟太阳）自东向西运动，模拟太阳在白天的运行轨迹。然后又自西向东运基于S7⁃200PLC的太阳能电池自动跟踪实训系统杨晟（武汉软件工程职业学院光电子与通信工程系，湖北武汉430205）摘要：根据太阳能电池自动跟踪系统的工作原理，研究了一种基于西门子S7⁃200可编程序控制器（PLC）的太阳能电池自动跟踪实训系统。系统采用双轴跟踪，通过光学传感器采集模拟太阳光位置信息，控制两维运动机构，使太阳能电池板始终正对着模拟太阳光源，从而获得最大的太阳能，该系统能够满足高职院校光伏新能源专业学生的实训教学，也可应用于工程实际中。关键词：太阳能电池；PLC；自动跟踪；光电传感器中图分类号：TN710⁃34文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2013）21⁃0165⁃03Solarcellauto⁃trackingsystembasedonSiemensS7⁃200PLCYANGSheng（DepartmentofOptoelectronicsandCommunicationEngineering，WuhanVocationalCollegeofSoftwareandEngineering，Wuhan430205，China）Abstract：Accordingtotheworkingprincipleofsolarcellauto⁃trackingsystem，asolarcellauto⁃trackingsystembasedonSiemensS7⁃200PLCwasstudiedforstudent′straining.Thebi⁃axialtrackingsystemisadoptedinthissystem.Theopticalsen⁃sorsareusedtocollecttheinformationofthesunpositiontocontrolthe2Dmovementmechanism，whichkeepsthesolarpanelsfacingthesuntogainthemaximumsolarpower.ThissystemmeetsthetrainingrequirementsforstudentsinPVnewenergyma⁃jorofvocationalcolleges，andcanbeappliedtorealengineeringcircumstances.Keywords：solarcell；PLC；auto⁃tracking；optoelectronicsensor收稿日期：2013⁃07⁃12165165现代电子技术2013年第36卷动，模拟太阳在夜间的运行轨迹。PLC通过太阳能电池板上的追日跟踪光学传感器采集模拟太阳的位置信息，光学传感器使用4个光电池组成桥式电路，外面有个滤光罩，没有一定光强，光学传感器没有输出。PLC根据光学传感器的位置信息进行分析判断，控制太阳能电池板下方的双轴运动云台执行追日的动作，使太阳能电池板始终正对着模拟太阳光源，以提高太阳能电池的发电效率，控制系统工作原理如图2所示。图2追日控制系统工作原理2控制过程太阳能电池自动跟踪实训系统设计了两种操作模式，手动操作和自动操作。通过控制面板进行选择，如图3所示。图3控制面板手动操作模式通过控制面板进行模拟光源、模拟太阳移动和追日跟踪等3个按钮的操作，自动操作模式下通过触摸屏进行模拟光源、模拟太阳移动、追日跟踪、手动操作云台等4按钮的操作，如图4所示。图4触摸屏操作界面步进电机从同步带右限位开关处带动同步带上的模拟光源（开灯）自东向西运动，模拟太阳日出、日落运行轨迹，碰到同步带左限位开关后（关灯）自西向东运动返回起点，追日跟踪在模拟光源（开灯）自东向西运动过程中动作。模拟光源移动流程如图5所示。图5模拟光源移动流程光学传感器在模拟光源（开灯）自东向西运动过程中不断检测，向PLC发出上、下、左、右四路检测信号，PLC控制云台双轴电机分别运动，从而控制云台的上、下、左、右运动，使太阳能电池板始终正对着模拟太阳光源。跟据控制要求进行PLC输入输出端口分配见表1。表1PLC输入输出端口分配PLC输出端PLC输入端Q0.0Q0.1Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I1.0I1.1I1.2I1.3产生脉冲到步进电机控制器脉冲输入端控制步进电机控制器正反转端控制模拟光源控制云台下控制云台上控制云台右控制云台左模拟光源右限位触发信号输入模拟光源左限位触发信号输入手动/自动旋钮开关信号输入模拟光源旋钮开关信号输入太阳移动旋钮开关信号输入追日跟踪旋钮开关信号输入传感器下信号输入传感器上信号输入传感器右信号输入传感器左信号输入3软件设计手动操作和自动操作模式的选择指令如图6所示。图6操作模式选择指令正向脉冲输出指令如图7所示，反向脉冲输出指令和正向脉冲输出指令类似。传感器信号输出指令如图8所示，计数器C1和C2是为了防止云台失控，在模拟光源没有移动状态下，云166第21期杨晟：基于S7⁃200PLC的太阳能电池自动跟踪实训系统台可能会出现失控抖动的现象，原因是由于云台电机反映速度和探测器反映速度不一致，可能云台往一个方向运动过头，探测器信号又反转，导致云台抖动，这时靠自身程序无法走出死循环，需停机再启动。C1和C2分别计数云台电机连续向左或向下运动3次。图7正向脉冲输出指令图8传感器信号输出指令云台电机动作指令如图9所示，计时器T39、T40是设置当模拟碰到左限位开关后云台电机自动回到启始点。4结论该系统即可以训练高职院校光伏新能源专业的学生掌握太阳能电池自动跟踪系统的工作原理，也可应用于工程实际中，具有较高的实际应用价值。图9云台电机动作指令参考文献[1]刘华波.西门子S7⁃200PLC编程及应用案例精选[M].北京：机械工业出版社，2009.[2]孙承志，徐智，张家海，等.西门子S7⁃200/300/400PLC基础与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2009.[3]王淑英.S7⁃200西门子PLC基础教程[M].北京：人民邮电出版社，2009.[4]罗维平.基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统的研究[J]．电子技术应用，2009，35（9）：138⁃140.[5]万里瑞.太阳能电池自动跟踪系统的设计[J].机械工程与自动化，2008（3）：156⁃158.[6]梁勇，梁维铭.太阳能电池的方位跟踪方案比较与设计[J].能源研究与利用，2008（2）：4⁃6.作者简介：杨晟男，1971年出生，副教授，高级工程师。主要从事工业设备电气控制系统的开发和PLC应用的研究。[3]王震宇.电路分析[M].北京：科学出版社，2010.[4]刘胜军.精益生产方式：现场IE[M].深圳：海天出版社，2002.[5]全国交流电量计量技术委员会.JJG596⁃1999中华人民共和国国家计量检定规程电子式电能表检定规程[S].北京：中国计量出版社，1999.[6]全国电工仪器仪表标准化技术委员会.GB/T17215.701⁃2011标准电能表[S].北京：中国计量出版社，2011.[7]吴石林，张玘.误差分析与数据处理[M].北京：清华大学出版社，2010.[8]全国电磁计量技术委员会.JJG597⁃2005交流电能表检定装置检定规程国家[S].北京：高等教育出版社，2005.[9]张建华.数字电子技术[M].北京：机械工业出版社，1994.[10]陈家鼎，郑忠国.概率与统计[M].北京：北京大学出版社，2007.作者简介：王威男，1982年出生，河南许昌人，工程师。从事电力电子、仪器仪表研究。王豪岗男，1984年出生，河南许昌人，助理工程师。从事电力电子、仪器仪表研究。刘静然男，1967年出生，河南许昌人，工程师。从事电力电子、仪器仪表研究。张敬伟男，1979年出生，河南许昌人，工程师。从事电力电子、仪器仪表研究。王升升男，1985年出生，河南许昌人，助理工程师。从事电力电子、仪器仪表研究。􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊（上接第164页）167