INET智慧新能源創(chuàng)新實訓平臺的開發(fā)設計

孟淑麗　吳志成　于福華　熊國燦

摘? 要：為了將技能大賽納入高職院校的日常教學工作，通過對“風光互補發(fā)電系統(tǒng)安裝與調試”國賽賽項的調研，依據(jù)城市新能源路燈工作原理，設計開發(fā)了INET智慧新能源創(chuàng)新實訓平臺。該平臺模擬了風能和光能的產生，利用PLC自動控制能量的轉換以及蓄電池的充放電狀態(tài)，通過觸摸屏開發(fā)能源管理界面對平臺進行實時管理。北京經濟管理學院電氣自動化專業(yè)“電氣控制技術”綜合實訓課程以新能源創(chuàng)新實訓平臺為實訓設備，實施實訓項目，通過實訓考核分析，該設備達到實訓要求，滿足教學需求。

關鍵詞：風光互補;技能大賽;實訓平臺

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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)質量以及將學生所學知識與職業(yè)崗位對接的有效平臺。為了以賽促學，加強實操訓練，提高學生技能水平，北京經濟管理職業(yè)學院于2018年引入一套“KNT-WP01型風光互補發(fā)電實訓系統(tǒng)”設備，該設備是全國職業(yè)院校技能大賽高職組“風光互補發(fā)電系統(tǒng)安裝與調試”賽項指定的大賽專用設備，主要用于學生參賽培訓和教學實踐活動。在使用中發(fā)現(xiàn)，該設備屬于工業(yè)級控制裝置，設備體積龐大、裝置煩瑣，硬件接線過于復雜，儀器容易損壞，且只有一套價格昂貴，不適合平時的教學實踐活動，不能滿足教學需求，因此設計開發(fā)了智慧新能源創(chuàng)新設備，旨在為學生提供一個綜合便捷的實訓設備。

1? 設計原理

我國正在貫徹落實“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”的發(fā)展戰(zhàn)略，國家財政扶持節(jié)能減排，促進了新能源產業(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，因此經多方調研，確定INET智慧新能源創(chuàng)新實訓平臺仿照城市新能源路燈工作原理設計，該設計完美詮釋了新能源理念，因其造價低，可以在實訓室搭建多臺設備供學生使用，提高學生對新能源技術的深入學習，同時鍛煉學生的實踐動手能力。其工作原理與KNT-WP01型風光互補發(fā)電實訓系統(tǒng)相似，滿足了實踐教學和技能培訓的雙重需求。

風力發(fā)電部分模擬風源產生風力吹動風力機葉片，葉片的運動產生機械能，而風力發(fā)電機可將機械能轉換為電能，再由風光互補控制器為蓄電池充電;太陽能電池板能將吸收的光能轉換為電能，再由風光互補控制器為蓄電池充電。蓄電池充電時，控制器會控制蓄電池不被過充。蓄電池釋放所儲存的電能時，控制器會控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池?？删幊绦蚩刂破鱌LC控制整體系統(tǒng)的自動運行，人機界面（觸摸屏）監(jiān)控設備運行狀態(tài)。

根據(jù)工作思路，可設計出實訓平臺的功能框圖，如圖1所示。

依據(jù)以上設計思路，將“INET智慧新能源創(chuàng)新實訓平臺”設備分為五大部分。

1.1? 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)設計為以燈泡發(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，可自由調節(jié)高度以及光照角度，采用兩個1000 W鹵鎢燈，可模擬陰天、多云、晴天的天氣環(huán)境。利用風光互補控制器對光伏電能進行調節(jié)和控制，同時加入按鈕，繼電器等器件，實現(xiàn)對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)設計光伏發(fā)電系統(tǒng)的實訓項目。

1.2? 風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)設計為由風力發(fā)電機、風能控制器、底座支架等設備與器件組成。首先設計風力發(fā)電機的配置，風源采用750 W的三相異步電機，風量大、可調節(jié)高度及風向，可模擬各種風速，構建模擬風場滿足負載要求。利用風光互補控制器對風力發(fā)電機所發(fā)的電能進行調節(jié)和控制，防止風速過快而導致失控，避免發(fā)生強風時對風力發(fā)電機造成危險。同時加入按鈕、繼電器等器件，實現(xiàn)對控制單元的連接，利用繼電器和按鈕不同的布線與接線方式，可開發(fā)設計風力發(fā)電系統(tǒng)的實訓項目。

1.3? 蓄電池儲能模塊

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

1.4? PLC 系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)采用西門子S7系列產品，通過軟件編程自動控制能量的轉換以及蓄電池的充放電狀態(tài)，同時設計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)設計為由觸摸屏、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)設計的核心模塊。首先設計能源管理系統(tǒng)主界面、光伏發(fā)電系統(tǒng)界面、風力發(fā)電系統(tǒng)界面、能量轉換界面等界面，可分別顯示各自的運行狀態(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)設置等，實現(xiàn)系統(tǒng)的整體平穩(wěn)運行，并設計開發(fā)實訓項目。

2? 實訓平臺組成

平臺主要由主控柜、模擬光源模塊、模擬風源模塊、風力發(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)新實訓平臺采用功能獨立的模塊式結構，可以模擬光能和風能發(fā)電控制系統(tǒng)。

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

風力發(fā)電與光伏發(fā)電模塊包含一個200 W風力發(fā)電機以及兩塊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。

3? 實訓平臺的功能開發(fā)

智慧新能源創(chuàng)新實訓平臺為實訓設備，可開發(fā)大約二十個實訓項目，主要分為硬件安裝和軟件編程兩大部分。

3.1? 硬件實踐項目

實訓平臺的基礎是硬件設計，要完成光能到電能、風能到電能的轉換，開發(fā)的實訓項目有：

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

（2）風力發(fā)電系統(tǒng)的安裝。風力發(fā)電系統(tǒng)的安裝、變頻器參數(shù)設置、風力供電系統(tǒng)的輸出參數(shù)測試。

3.2? 軟件系統(tǒng)開發(fā)

實訓設備包括PLC和觸摸屏。PLC選擇西門子200型，首先應配置輸入輸出點，通過博圖編程軟件編程，實現(xiàn)對光源陰天和晴天的選擇、蓄電池充放電、電機或LED屏幕等負載的運行控制。MCGS觸摸屏系統(tǒng)可開發(fā)編程調試、設計觸摸屏界面、與PLC通訊連接等實訓項目。

以觸摸屏為例，可練習觸摸屏模塊的配置與使用，也可設計觸摸屏的多層界面，如主界面由設備名稱、設備視圖、頁面按鈕以及學校logo四部分構成。其中界面按鈕區(qū)包含四大頁面選項，分別為光伏發(fā)電界面、風力發(fā)電界面、能源管理界面、電池及負載界面，點擊對應按鈕即可進入各個控制頁面。

能源管理界面包含五大區(qū)域，分別為風源模擬控制區(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? 實訓平臺特點

該實訓系統(tǒng)能夠使學生掌握風光互補的發(fā)電原理、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)聯(lián)調、能源信息與互聯(lián)、故障排除等知識內容，同時還能培養(yǎng)學生自主學習、團隊協(xié)作、嚴謹認真的職業(yè)素養(yǎng)。

實訓平臺的設計理念科學嚴謹，技術創(chuàng)新含量高，主要有以下特點：

（1）通用性廣。實訓系統(tǒng)完美地模擬實際風光互補發(fā)電系統(tǒng)，可滿足新能源相關技術專業(yè)實訓教學，也能為科技創(chuàng)新提供平臺和基礎，助力區(qū)域經濟的可持續(xù)發(fā)展。

（2）擴展性高。設備上設有預留接口，能夠實現(xiàn)“即插即用”，可以控制照明、電動機等負載的運行，可自適應其他形式的新能源設備以及相關的擴展訓練。

（3）實用性強。在教學中，將行業(yè)標準引入課堂，將相關課程考試考核與職業(yè)技能鑒定合并進行，培養(yǎng)學生的職業(yè)技能和崗位工作能力，實現(xiàn)后續(xù)就業(yè)“零距離”上崗。

INET智慧新能源創(chuàng)新實訓平臺是根據(jù)新能源行業(yè)標準設計的，既能實現(xiàn)學校實訓課程的教學目標，又能滿足技能大賽的培訓要求，并進行可視化、低成本開發(fā)，滿足項目的設計要求。高等職業(yè)學校的人才培養(yǎng)應順應社會發(fā)展，符合企業(yè)需求，此項目開發(fā)成功后，還可拓展學生的知識面，使學生在參加工作時具有更多的選擇機會，同時也能彌補我校相應的短板，為其他開發(fā)者提供重要的參考樣板。

5? 實訓平臺應用

為了驗證實訓平臺的教學效果，在2020級電氣自動化專業(yè)“電氣控制技術”實訓課程中，將INET智慧新能源創(chuàng)新實訓平臺選為綜合實訓設備，并按教學需求將實訓項目分為：

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

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

（3）調試排障：程序故障設置、參數(shù)故障設置、電氣接線故障設置、機械故障設置等訓練。

在實施過程中發(fā)現(xiàn)，該實訓設備功能齊全，工作原理簡單易懂，“電氣控制技術”課程講到的知識點、硬件實施工藝要求、排障的方法等在實訓平臺中都能體現(xiàn)，學生實訓過程很順利，實訓成績普遍偏高，因此實訓效果良好，達到了教學要求。

6? 結? 論

INET智慧新能源創(chuàng)新實訓平臺設備體積小、功能齊全、成本低，可替代“KNT-WP01型風光互補發(fā)電實訓系統(tǒng)”設備，既能滿足技能比賽的前期培訓要求，又能滿足教學工作中的實訓要求，圍繞此項目，可以開發(fā)相關課程的實訓項目，同時推動高職院校開展專業(yè)建設，展示相關教學改革和實踐成果，在緊貼新能源產業(yè)發(fā)展與需求的同時，培養(yǎng)新能源產業(yè)發(fā)展技術型人才，達到理論教學與實踐教學融通合一、能力培養(yǎng)與工作崗位對接的設計要求，值得大力推廣。

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作者簡介：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。