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 Modern Electronics Technique 2013年11月1日 第36卷第21期 Nov. 2013 Vol. 36 No. 21 0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 S7200 PLC 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 S7200 PLC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S7200 PLC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S7200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：TN71034文献标识码：A文章编号：1004373X （2013） 21016503 Solar cell autotracking system based on Siemens S7200 PLC YANG Sheng （Department of Optoelectronics and Communication Engineering，Wuhan Vocational College of Software and Engineering，Wuhan 430205，China） Abstract：According to the working principle of solar cell autotracking system，a solar cell autotracking system based on Siemens S7200 PLC was studied for students training. The biaxial tracking system is adopted in this system. The optical sen sors are used to collect the information of the sun position to control the 2D movement mechanism，which keeps the solar panels facing the sun to gain the maximum solar power. This system meets the training requirements for students in PV new energy ma jor of vocational colleges，and can be applied to real engineering circumstances. Keywords：solar cell；PLC；autotracking；optoelectronic sensor 收稿日期： 20130712 165165 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 Q0.0 Q0.1 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 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S7200 PLC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 S7200 PLC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 S7200/300/400 PLC基础与 应用技术M.北京： 机械工业出版社， 2009. 3 王淑英.S7200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） ： 138140. 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） ： 156158. 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） ： 46. 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IEM.深圳： 海天出版社， 2002. 5 全国交流电量计量技术委员会.JJG 5961999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/T 17215.7012011 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.JJG 5972005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