基于PLC的太阳能光伏系统设计

基于PLC的太阳能光伏系统设计目录1引言摘要：本文所设计的太阳能光伏追踪系统，主要是由光伏模块、光敏电阻、限位器、继电器、直流电机、HMI控制器组成。在此系统中通过光敏电阻将光信号转化成数字信号，接收光源位置信息，为系统后续的追踪提供数据支持，再通过PLC系统将信号转化为电信号，向电机发出指令，从而控制电机，使得太阳能板追踪光源。试验表明;该系统展示了对可再生能源技术的重视，符合我国可持续发展战略方针。关键词：PLC；太阳能；光伏系统1引言太阳能光伏追踪系统的研究意义基于现在的大环境，不可再生能源是我国乃至全球仍需求较大的能源，虽说有限REF_Ref30237\r\h[1]，但人类通过技术和创新手段能够更加高效的利用对于现在的发展方向而言，绿色环保为主要发展方向，REF_Ref27835\r\h[2]我国也支持可持续性发展。太阳能作为绿色能源不仅易收取，且拥有巨大的热能光能，且可再生比例高，现被人应用广泛应用于工业、农业、制造业等。REF_Ref30237\r\h[1]国家对于光伏发展也给予大力支持，但太阳的东升西落，以及天气原因，会使收集效率和稳定性容易受影响，以至于浪费过多能量，如果想未来广泛应用，仍需继续不断改进。而太阳能光伏系统，太阳能板作为主要收集能源工具，也会受到诸多因素影响导致效率不高，所以不能再以原来固有的模式进行。REF_Ref27835\r\h[2]在原有的基础上可加入PLC及HMI控制驱动太阳能板以仿向日癸模式对太阳进行追踪，使光能板一直垂直太阳光线，实现自动化模式。REF_Ref27963\r\h[7]1.2太阳能光伏系统的发展历史和发展现状太阳能光伏系统是利用太阳能光伏效应将太阳辐射转化为电能的一种技术。其发展历史可以追溯到19世纪末，当时科学家发现某些物质在受到光照时会产生电流。REF_Ref28835\r\h[7]随着科技的不断进步，太阳能光伏系统逐渐成为一种可持续发展的清洁能源技术。在20世纪70年代，随着能源危机的出现，人们开始关注可再生能源的开发和利用。REF_Ref27963\r\h[8]太阳能光伏系统因其无污染、可再生等优点逐渐受到人们的关注。随着技术的进步和成本的下降，太阳能光伏系统在全球范围内得到了广泛的应用REF_Ref27633\r\h[5]。目前，太阳能光伏系统已经成为世界上最快速增长的能源形式之一。根据国际能源署的数据，2019年全球太阳能光伏装机容量已经超过600GW，REF_Ref28593\r\h[6]占全球发电量的约2%。在一些国家，太阳能光伏系统已经成为主要的发电方式，比如德国、中国、美国等。REF_Ref28743\r\h[10]未来，随着技术的进步和成本的进一步降低，太阳能光伏系统的发展前景将更加广阔。REF_Ref28694\r\h[9]人们将更加依赖太阳能光伏系统来满足能源需求，推动清洁能源的发展。2PLC太阳能光伏系统总体方案设计2.1系统预期功能太阳能光伏追踪系统是一种能够根据太阳的位置自动调节太阳能光伏板角度的系统。通过光敏电阻传感器模拟器将受到的光信号转化为数字信号，通过PLC将数字信号转化为电信号，并控制电机转动，确保太阳能光伏板始终朝向太阳，保持最大化能源产量；减少因太阳能光伏板角度不合适而导致的能源损失，提高系统的能源利用率。除了自动追踪以外，也可利用HMI手动调节太阳能光伏板的角度，这种手动调节功能可以让操作人员根据实际情况灵活地调节太阳能光伏板的角度，以最大限度地利用太阳能光照资源。通过HMI界面，操作人员可以可以直观地监控太阳能光伏板的角度，以及光敏电阻的工作状态，并根据天气状况、光照强弱等因素进行调节，以保证系统的稳定性和效率，为太阳能光伏系统提供了更大的灵活性和可操作性。通过结合自动追踪模式和手动调节功能太阳能光伏系统可以实现更高效的能源利用。2.2系统的设计方案2.2.1系统设计框图太阳能光伏系统设计框图如图1所示。整个系统由PLC主控单元、传感器和光伏系统、电磁机械运动控制模块和电源模块组成。（1）传感器及光敏电阻继电器传感器，将收到的光信号转化成数字信号。可以实时监测周围的光照强度，通过数字信号可以反射出太阳光强度和入射角度，为调节太阳能板的角度提供重要参考数据。（2）光伏系统主要包含太阳能光伏板以及锂电池，用来接收光源，生产电能。（3）电磁机械运动控制模块由减速电机、继电器模块、限位器和HMI组成，继电器控制电机的正转与反转，从而控制太阳能板向东西、南北的偏转。HMI显示器可以手动调节太阳能板的运动，并实时观察光伏板的角度以及光敏电阻工作状态；限位器用来限制太阳能板的最大角度。（4）电源模块有电源和减压器，准确稳定的向PLC提供24V电压。图1PLC太阳能光伏追踪设计框图2.2.2电机模块设计本系统的电机模块接线图如下图2所示。中间是电机电路，左右两边则是继电器模块，控制电机正转反转。图2电机模块接线图2.3系统器件的选型和介绍器件的选型如表1所示。S7-200PLC作为太阳能光伏系统的主控制器；MF1643光敏电阻负责收集光信号并转化为数字信号；HMI显示屏可以手动调节光伏板，并实时监控光伏板角度以及光敏电阻的工作状态；继电器模块将PLC输出的信号传给电机并控制电机正反转；限位器控制电机最大旋转角度；DC-DC则为系统提供稳定电压。表1器件的选型序号器件名称功能1S7-200PLC主控制器2MF1643光敏电阻检测光信号3HMI显示屏手动调节4继电器模块控制电机正反转5限位器限制电机最大角度6电机控制太阳能板7DC-DC开关电源2.3.1传感器的选择选择MF1643光敏电阻传感器继电器，如图3所示。MF1643光敏电阻传感器继电器是一种集成了光敏电阻传感器和继电器的设备。光敏电阻传感器模块包括MF1643光敏电阻和信号处理电路，用于感知光照强度并输出相应的电信号。继电器模块包括继电器和控制电路，用于根据光敏电阻传感器的信号控制继电器的通断状态，进而控制外部电路的工作。光敏电阻传感器部分采用MF1643光敏电阻作为光敏元件，根据光照强度的变化来改变电阻值。当光照强度增加时，MF1643光敏电阻的电阻值减小；光照强度减小时，电阻值增加；继电器部分接收光敏电阻传感器部分输出的信号，根据信号的强弱来控制继电器的动作，从而实现对外部电路的控制。在太阳能光伏系统中，MF1643光敏电阻传感器继电器可以用于监测太阳光的强度和角度，从而实现太阳能光伏板的优化调节，提高光伏系统的发电效率。总的来说，MF1643光敏电阻传感器继电器适用于各种需要根据光照强度变化来实现自动控制的场合。并且，MF1643光敏电阻传感器继电器能够根据环境光照强度的变化自动调节相关设备的工作状态，实现智能化的光照控制，无需人工干预，提高了系统的自动化水平；且能够有效节约能源消耗，降低能源浪费，符合节能环保的理念。MF1643光敏电阻传感器具有高灵敏度和稳定性，能够精准感知环境光照的变化，实时反馈光照信息，确保控制系统的准确性和可靠性。结合以上优点，在系统设计中，选择使用这款传感器是比较合适的，可以接收光信号并转化成数字信号，给PLC提供精准的输入。但与S7-200PLC使用MF1643光敏电阻传感器继电器时，需要注意硬件兼容性、通信设置、编程逻辑、系统测试和安全防护等方面，以确保设备之间的正常通信和控制，保障系统的稳定性和可靠性。图2光敏电阻传感器继电器图3光敏电阻传感器继电器2.3.2PLC的选择该系统选择了S7-200PLC，其系统组成如下图4所示。S7-200PLC是西门子公司推出的一款微型可编程逻辑控制器，广泛应用于工业自动化领域，是通过输入模块采集外部信号，经过中央处理器处理运算，再通过输出模块控制执行器或其他设备的运作，从而实现对控制系统的自动化控制。首先，S7-200PLC具有模块化设计，可以根据实际需求选择不同的模块组件，灵活配置，适用于不同规模和复杂度的控制系统，其采用先进的处理器和高速通信接口，具有快速的数据处理能力和稳定的通信性能，能够实现高效的控制和数据交换。其次，S7-200PLC采用可靠的硬件和软件设计，具有良好的抗干扰能力和稳定性，能够在恶劣环境下稳定运行，保障系统的可靠性和稳定性，并且支持多种编程语言，如梯形图、指令列表等，可以根据自己的习惯和需求选择合适的编程方式，方便快捷地编写控制程序。在连接传感器的同时还可以连接HMI触摸屏，与本次设计的系统刚好适配，下载好程序后，可以在显示屏上直观地看到光伏板的角度，也可以直接通过触摸屏开启关闭系统，还可以进行手动更细致的调节。并且本专业也曾学习过PLC梯形图的编写，与S7-200PLC无太大差异，易于理解与编写。总的来说，S7-200PLC具有优秀的性能和广泛的适用范围，是一款功能强大且经济实惠的工业控制器，适合各种工业和商业应用场景。图4S7-200PLC系统组成2.3.3触摸屏的选择触摸屏（HMI）是一种通过人体接触或者触控笔等外部物体接触屏幕来实现操作的输入设备，HMI单元之间的关系如图5所示。它的外观就是一个小小的显示器，可以替代传统的键盘和鼠标等输入设备，实现更直观、便捷的人机交互方式。触摸屏广泛应用于各种设备和场景，如智能手机、平板电脑、自助终端、工业控制系统等。HMI在工业自动化领域尤为重要，它使得操作人员能够监控生产过程，及时调整参数，确保生产效率和产品质量。通过HMI，操作人员可以快速访问和调整系统参数，实时监控生产过程，从而提高工作效率和响应速度。直观的界面和明确的指示可以帮助减少操作错误和事故，还可以根据特定的应用需求进行定制，以适应不同的操作流程和工作环境。在本系统中HMI不仅可以控制自动系统的开启和停止，还可以切换自动模式和手动；也可以通过显示屏直观地观察到光敏电阻的实时信号以及光伏板的偏转角度、偏转方向，以便我们观察，从而更细致的调控。图5HMI结构图3HMI及PLC控制设计3.1HMI组态界面设计本系统的MCGS设计工程图如图6和图7所示。在触摸屏上设计出开启、停止按钮，以及控制电机方向按钮；也可以在触摸屏上直观地反映出光伏组件的工作状态，以及两个电机的转向。在自动控制页面，最左侧显示的是四个光敏电阻传感器继电器，分别检测东西南北四个方向的光信号，分别对应PLC输入的I0.0、I0.1、I0.2、I0.3；中间部分显示的为电机以及电机旋转的东西南北四个方向，分别对应PLC输出的Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3；最右侧则为自动模式的开关按钮，以及转手动按键。当系统运行时，可以在触摸屏上清晰显示出运行状态。例如，按下开始按键系统开启自动模式，当最上端的光敏电阻检测到光信号时PLC的I0.3检测到输入信号，则在触摸屏上该光敏电阻变为绿色，代表北面检测到光信号，电机则开始带动光伏板向北转动，此时，向北转动的箭头会变为绿色。当按下关时，系统停止。当按下手动按钮，就会切换到如图6显示的手动界面，该界面显示的是电机以及转向按键。在该界面可以手动操控光伏板转向，例如，若想光伏板向东转动，按下按键后该按键变为橘色，M2.0及相应，PLC收到信息电机则会带动光伏板向东转动。图6HMI组态界面（自动模式）图7HMI组态界面（手动模式）3.2PLC控制设计3.2.1I/O地址分配本系统选择的软件是STEP7MicroWIN对于软件的编写，STEP7MicroWIN是西门子为其SIMATICS7-200PLC系列提供的一款编程软件。它允许用户编写、调试和监视PLC程序，这些PLC通常用于工业自动化领域，控制机器和过程。程序编辑窗口如图8所示，它有一个直观的图形用户界面，使用户能够通过拖放不同的编程元件来构建逻辑控制程序；并且塔支持梯形图、功能块图和语句列表等编程语言，为不同用户和不同复杂度的项目提供灵活性。该软件也允许在没有连接实际PLC的情况下模拟程序运行，以便于程序开发和测试。图8程序编辑窗口3.2.2I/O地址分配本系统具体的I/O分配如下表所示。输入端包括东西南北四个输入信号，该信号是光敏电阻传感器继电器接收光信号转化为的数字信号；输出端为东西南北四个偏移方向，由PLC输出经过继电器模块，继而控制电机转向从而控住光伏板的偏移。表2I/O地址分配表输入地址输入地址元件名称地址编码元件名称地址编码向东信号I0.0光伏组件向东偏移Q0.0向西信号I0.1光伏组件向西偏移Q0.1向南信号I0.2光伏组件向南偏移Q0.2向北信号I0.3光伏组件向北偏移Q接线图本系统PLC模块接线图如图9所示。该模块包括两部分，自动追踪部分包括PLC、开关电池、继电器模块、电机以及光敏电阻传感器继电器；光伏模块包括太阳能光伏板、模拟量输入输出模块。图9PLC模块接线图3.2.4程序流程图程序流程图如下图10所示，程序流程图详细描述了系统启动和运行的步骤。第一步开启系统总开关；第二步打开自动追踪系统，。如果自动追踪系统不启用，还可以选择通过手动调控来控制系统。这种设计增加了系统的灵活性，可以根据实际情况选择最合适的操作模式。第三步读取输入数据，该输入数据是由光敏电阻传感器继电器输入的数字信号，光敏电阻传感器能够感应到光线的强度变化，并将这些变化转换为电信号。继电器则将这些信号传递给PLC。PLC会根据预设的程序对这些输入数据进行分析和判定，然后根据判定的结果执行相应的操作。整个流程的关键在于PLC的正确编程和配置，以及各个传感器和执行器的准确安装和校准。通过这种方式，系统能够自动响应环境变化，或者根据用户的手动指令进行调整，确保过程的顺利进行。图10程序流程图4实物的调试4.1硬件的调试在硬件调试阶段，确保每个器件的电路导通是至关重要的。在安装任何器件之前，使用万能表对每个器件的电路进行检测，以确保电路没有断路或短路的问题。这一步骤有助于提前发现潜在的问题，避免在安装过程中损坏器件或造成安全事故。接下来，安装电源开关，并将其连接到PLC、继电器模块以及光敏电阻传感器继电器等设备上。电源开关的作用是在调试和维护过程中控制整个系统的电源，确保操作的安全性。在连接好电源和器件后，为PLC编写一个简单基础的程序。这个程序通常包括对输入信号的检测和对输出信号的控制的逻辑。通过运行这个程序，可以检查输入端（如光敏电阻传感器）是否能够正确地检测到信号，并验证输出端（如继电器）是否能够根据程序逻辑正常工作。例如，可以编写一个程序，当光敏电阻传感器检测到光线变化时，PLC接收到输入信号，并触发继电器模块执行相应的动作。在此过程中，可能需要多次调整和测试，以确保系统的稳定性和可靠性。4.2程序的调试程序调试阶段，应每个模块分区调试，以确保各个模块互不干扰。首先，测试光敏电阻传感器继电器的接收功能，通过改变光源的位置，来检测光敏电阻所输入的开关信号是开或者关，来判定光敏电阻传感器继电器所接受的信号是否符合实际情况。其次，对电机控制模块进行测试。这包括验证PLC程序是否能够成功地控制电机的正转和反转。通过编写和上传控制程序到PLC，然后观察电机的响应，可以确定程序是否能够按照预期控制电机运动。最后，检查HMI上是否显示所有按键，并检测每个按键是否可以实现对应功能，同时，还需要验证HMI上显示的信息是否准确和完整。5总结基于PLC的太阳能光伏系统通过多次调试和优化，最终实现了预期功能。该系统集成了先进的光源追踪技术，能够自动调整太阳能光伏板的角度，确保最大限度地吸收太阳光，从而提高了光电转换效率。这种自动追踪功能不仅优化了能源收集效率，还显著减少了因阳光位置变化而导致的光能损失，使得太阳能光伏系统在光照条件变化的情况下依然能够保持高效运行。此外，该系统通过光伏板将收集到的太阳光能高效转化为电能，并通过储能装置将电能储存起来，以供夜间或阴天等光照不足时使用。这种储能能力不仅提高了系统的能源自给率，还增强了系统的稳定性和可靠性，为用户提供了更加持续和稳定的能源供应。而且该系统的发展前景也十分广阔，从环境和可持续发展的角度来看，这套系统体现了绿色发展的理念，有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，对于应对气候变化和推动生态文明建设具有重要意义。随着全球范围内对可再生能源和绿色发展理念的重视，这套太阳能光伏系统展现出了极其广阔的发展前景。目前，许多知名企业正积极向新能源领域转型，加大在太阳能光伏等可再生能源技术的研发和应用上的投入。国家能源局等政府部门也出台了多项支持政策，旨在加强可再生能源的开发和利用，推动新型能源体系的建设。这些政策和市场的双重推动，为基于PLC的太阳能光伏系统提供了良好的发展环境，预示着这一技术将在未来能源结构转型中扮演越来越重要的角色。参考文献：王晨阳.基于PLC的追光系统设计