基于S7-200 PLC與上位機(jī)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

聶秀珍，林 斌

(1.山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，山西 太原 030073；2.華晉焦煤有限責(zé)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(dú)立進(jìn)行發(fā)電等這一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)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(jìn)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(shí)訓(xùn)型設(shè)備為主，該系統(tǒng)主要包含四部分，分別是進(jìn)行光伏供電的裝置、進(jìn)行光伏供電的系統(tǒng)、用于逆變的負(fù)載系統(tǒng)以及對設(shè)備進(jìn)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(gè)投射燈燈1和燈2，通過擺桿運(yùn)動模擬太陽運(yùn)動，太陽運(yùn)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(yùn)動方向上分別有每個(gè)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(yùn)動、燈1、燈2的東西、西東運(yùn)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(jìn)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(gè)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(yùn)算。供電系統(tǒng)的各個(gè)模擬塊安裝位置(見圖3)。

1.3 上位機(jī)監(jiān)控的系統(tǒng)

在光伏發(fā)電控制的過程中需要上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)主要利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，采用力控組態(tài)軟件進(jìn)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(jìn)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(yùn)動以及供電系統(tǒng)中指示向西運(yùn)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(yùn)動以及供電系統(tǒng)中指示向東運(yùn)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(yùn)動及東西運(yùn)動指示燈；繼電器KA6用于控制擺桿由西向東運(yùn)動及西東運(yùn)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(yùn)動進(jìn)行手動和自動的兩種狀態(tài)調(diào)試，當(dāng)開關(guān)撥向手動時(shí)，PLC進(jìn)行手動按鈕控制；當(dāng)開關(guān)撥向自動控制時(shí)，PLC對電池組件、擺桿進(jìn)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(dāng)開關(guān)撥向手動時(shí)，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(yùn)行，當(dāng)松開向東的按鈕時(shí)或者是組件觸碰到向東的限位開關(guān)時(shí)，供電系統(tǒng)中的向東的按鈕熄滅，同時(shí)組件也停止向東繼續(xù)運(yùn)行。

(2)PLC處在手動控制狀態(tài)時(shí)，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(shí)，供電系統(tǒng)中的向西的按鈕熄滅，同時(shí)組件也停止向西繼續(xù)運(yùn)行。

(3)PLC處在手動控制狀態(tài)時(shí)，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(shí)，供電系統(tǒng)中的向南的按鈕熄滅，同時(shí)組件也停止向南繼續(xù)運(yùn)行。

(4)PLC處在手動控制狀態(tài)時(shí)，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(shí)，供電系統(tǒng)中的向北的按鈕熄滅，同時(shí)組件也停止向北繼續(xù)運(yùn)行。

(5)PLC處在手動控制狀態(tài)時(shí)，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(dāng)擺桿接觸到東西的限位開關(guān)時(shí)，供電系統(tǒng)中的東西按鈕熄滅，同時(shí)擺桿也停止由東向西繼續(xù)運(yùn)行。

(6)PLC處在手動控制狀態(tài)時(shí)，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(dāng)擺桿接觸到西東的限位開關(guān)時(shí)，供電系統(tǒng)中的西東按鈕熄滅，同時(shí)擺桿也停止由西向東繼續(xù)運(yùn)行。

(7)當(dāng)開關(guān)撥向手動時(shí)，按下供電系統(tǒng)中的燈1對應(yīng)按鈕，對應(yīng)燈1按鈕點(diǎn)亮，燈1就會模擬太陽進(jìn)行光照，當(dāng)松開燈1對應(yīng)的按鈕時(shí)，對應(yīng)燈1的按鈕就不亮，同時(shí)燈1不亮。

(8)當(dāng)開關(guān)撥向手動時(shí)，按下供電系統(tǒng)中的燈2對應(yīng)按鈕，對應(yīng)燈2按鈕點(diǎn)亮，燈2就會模擬太陽進(jìn)行光照，當(dāng)松開燈2對應(yīng)的按鈕時(shí)，對應(yīng)燈2的按鈕就不亮，同時(shí)燈2不亮。

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

2.2.2 單循環(huán)調(diào)試

(1)當(dāng)開關(guān)撥向自動狀態(tài)時(shí)，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(yùn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jìn)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(jìn)行手動調(diào)試程序、第三在自動開關(guān)下進(jìn)行自動調(diào)試程序。圖4為復(fù)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(shí)，按下觸摸屏上電站負(fù)載調(diào)試界面的按鈕控件，對應(yīng)負(fù)載或電站運(yùn)行；松開按鈕控件，對應(yīng)負(fù)載或電站停止運(yùn)行。需要進(jìn)行上位機(jī)的設(shè)置，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)和力控組態(tài)軟件組成，根據(jù)具體要求進(jìn)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(yùn)行的按鈕變綠，光伏組件模擬太陽連續(xù)向東運(yùn)行。

(2)光伏組件模擬太陽向東運(yùn)動運(yùn)動到達(dá)東限位后光伏電池板停止繼續(xù)運(yùn)動，同時(shí)軟件界面(見圖6)上向東運(yùn)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(yùn)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(yùn)動(見圖7)。

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

圖5 光伏組件模擬太陽連續(xù)向東運(yùn)行

圖6 光伏電池板停止向東運(yùn)動顯示

圖7 擺桿由東向西運(yùn)動顯示

圖8 擺桿停止由東向西運(yùn)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(jìn)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(jìn)行編寫程序進(jìn)行調(diào)試，上位機(jī)力控軟件對于光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，其中系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析主要采用的是DSP進(jìn)行數(shù)字信號變換、濾波等運(yùn)算，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。