太阳能智能PID追光(S7-1200、高质量、PLC、组态设计)

摘 要本文以太阳能电池自动跟踪系统为研究对象，基于PLC和人机界面为其提供自动控制方案。通过对该系统的深入分析与研究，太阳能电池板的自动跟踪可以大幅提高发电效率，具有重要的经济价值和发展潜力。太阳能电池自动跟踪系统可以自动调节太阳能电池面板的角度，使其面向阳光方向，以获得最大的光照强度，从而提高发电量。该系统主要由PLC控制系统、传感器、执行机构和机械结构组成。太阳能自动跟踪系统采用西门子 S7-1200 PLC，编程实现对跟踪系统的自动控制和逻辑处理。机械结构采用支架、电机座等机械部件组成的运动机构，驱动及支撑自动跟踪系统，太阳能跟踪系统的位置系统是依据季节以及每日太阳日照时间来推算，计算出电池面板需要转动的角度，并控制执行机构带动面板逐步调整到最佳角度；当光照度达到最大时，系统保持电池面板的角度稳定，实现全自动跟踪，该过程通过PLC软件算法自动实现。该系统具有跟踪精度高、反应速度快、稳定可靠等优点。关键词：太阳能 探测 PLCABSTRACTThis article takes the solar cell automatic tracking system as the research object, and provides an automatic control scheme based on PLC and human-machine interface. Through in-depth analysis and research on the system, the automatic tracking of solar panels can significantly improve power generation efficiency, which has important economic value and development potential. The solar cell automatic tracking system can automatically adjust the angle of the solar cell panel to face the direction of sunlight, in order to achieve maximum light intensity and increase power generation. The system mainly consists of a PLC control system, sensors, actuators, and mechanical structures. The PLC control system adopts Siemens S7-1200 PLC, which is programmed to achieve automatic control and logical processing of the tracking system. The mechanical structure adopts a motion mechanism composed of mechanical components such as brackets and motor seats, which drives and supports the automatic tracking system. The system's working process PLC calculates the sun position based on time, calculates the angle that the battery panel needs to rotate, and controls the executing mechanism to gradually adjust the panel to the optimal angle; When the illumination reaches its maximum, the system maintains a stable angle of the battery panel, achieving fully automatic tracking. This system has the advantages of high tracking accuracy, fast response speed, stability and reliability. However, the system structure is relatively complex and has a high failure rate. Continuing to improve hardware selection and software algorithms, improve system integration and intelligence level, is the direction of future research. The automatic tracking system plays an important role in solar power generation systems, and the research and implementation of its key technologies also have important engineering application value and significance.Keywords:Solar energy; Probe; PLC目 录摘 要................................. IABSTRACT.............................. II目 录............................... III1 绪 论............................... 11.1研究目的和意义................. 11.2国内研究现状................... 11.3国外研究现状................... 21.4论文的主要内容................. 42 系统方案设计与分析................... 62.1太阳能跟踪系统的跟踪方式....... 62.1.1 视日运动轨迹跟踪......... 62.1.2光电检测跟踪系统......... 82.2方案设计....................... 92.3工作原理...................... 103 硬件设计............................ 123.1硬件组成...................... 123.2 硬件选型..................... 133.2.1PLC选型................. 133.2.2 CPU 1215C............... 143.2.3 V90 PN驱动器........... 153.2.4 1FL6电机............... 163.2.5 限位传感器.............. 173.2.6 风速传感器.............. 193.3 I/O编址表.................... 194 软件设计............................ 214.1 软件介绍..................... 214.2 主要程序设计................. 224.3 程序流程..................... 244.5 程序调试..................... 255 人机界面设计与实验调试.............. 265.1 人机界面的绘制............... 265.2 人机界面运行与调试........... 27总结.................................. 29参考文献.............................. 30致 谢................................ 32附件一 电气原理图..................... 33附件二 程序截图....................... 351 绪 论1.1研究目的和意义太阳能发电作为清洁可再生能源利用技术之一，具有非常重要的战略意义。但是由于太阳能电池的发电量与光照强度高度相关，如何最大限度地吸收和利用太阳能是太阳能电池发电系统面临的一个关键问题[1]。自动跟踪系统可以根据光照度自动调整太阳能电池的俯仰角和方位角，使其面向阳光方向，获得最佳的光照强度，从而显著提高太阳能电池的发电量。本课题目的是研究设计一套基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统，实现对太阳能电池面板的自动定向跟踪，达到提高发电量和发电效率的目的。研究太阳能相关技术可以加强太阳能利用，提高太阳能转换效率。自动跟踪系统的研究应用可以最大限度地吸收和利用太阳照射能量，显著提高太阳能电池的发电量，为太阳能利用率的提高做出重要贡献，也能促进可再生能源广泛应用。随着自动跟踪技术的成熟，将有力地促进太阳能发电系统的推广应用，使其在各个领域得到广泛的利用，对可再生能源的广泛应用具有重要意义[2]。自动跟踪系统涉及光照检测、运动控制、机电一体化等技术，其研究实现需要综合运用先进的自动化控制理论与技术，对相关控制理论和技术的发展具有重要推动作用。自动跟踪系统是太阳能电池发电系统的关键组成部分，其理论研究与工程实现都具有重要的应用价值，能够在工程实践中得到广泛的推广和应用。我们将在本文中详细设计，并不断增强对课题研究目的与意义的理解和把握，以提供更加全面与深入的阐述。1.2国内研究现状在太阳能跟踪方面，国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪[3]。我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，提高了接收器的接收效率[4]。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪（也叫程序跟踪）；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。① 陶洪平设计出一种新型的快速跟踪算法，并且使用超声波电机进行太阳能电池板的跟踪。② 周诗悦使用了三菱PLC为控制核心的极轴式太阳能自动跟踪系统，采用时钟及光电传感器双级跟踪，以实现太阳轨迹跟踪[5]。③ 罗维平研究了基于可编程逻辑控制器(PLC)的太阳能电池板自动跟踪系统，有效提高了太阳能的利用率和光伏发电系统的效率[6]。④ 张重雄提出了一种基于虚拟仪器的自动跟踪系统，将视日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种跟踪方式有效结合，完成自动跟踪、晴天阴天判断、经纬度设置、光强显示及夜间复位等功能[7]。⑤ 何燕阳根据不同天气中太阳能辐射的特点，设计了一种自动跟踪模式，并且结合了光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式，同时对太阳能电池板进行风速保护和限位保护，使太阳能电池板全天候安全地自动跟踪太阳。这些技术的研究和实现，对于太阳能光伏发电系统的提高效率和降低成本具有重要意义。1.3国外研究现状国外在太阳能电池自动跟踪系统方面的研究较早，主要集中在跟踪控制算法和精度方面。典型研究现状如下：① 几何跟踪算法。根据太阳高度角或方位角，计算出太阳能电池面板理论跟踪角度，以实现光轴线性跟踪。优点是结构简单，跟踪精度较高，但阴天条件下跟踪效果差。② 光感跟踪算法。利用光电探测器采集太阳能电池周围的光照强度，根据光照值的变化，控制执行机构调整面板角度，以获取最大光照。优点是适应性好，但跟踪精度较低，响应速度慢。③ 混合跟踪算法。综合几何位置信息与光照度检测结果，采用PI或PID控制算法，计算出面板的最佳跟踪角度，实现跟踪控制。算法较为复杂，但跟踪效果较优。④ 多trajectory跟踪。在不同天气条件下，采用不同的跟踪策略，如阴天依据光照度，晴天依据太阳位置，实现自适应跟踪，提高了系统的稳定性与适应性。⑤ 高精度跟踪系统。采用高分辨率编码器及山寨电机，设计精密的机械传动机构，实现0.1°以内的高精度跟踪，并采用多CPU并行控制和滤波算法提高响应速度。系统复杂且成本较高。目前，国外研究的目的主要在于提高跟踪系统的算法智能化、跟踪精度和响应速度，后续发展趋势是研制ulate成本更低的高性能跟踪系统，提高系统的稳定性、智能化和集成度。图1.1ATM 两轴跟踪器1998年美国加州成功的研究了ATM 两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高[8]。图1.2美国亚利桑那大学的新型太阳能跟踪装置2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域[9]。图1.3美国的Solar One从上世纪 80年代美国的Solar One到2005年西班牙的PSIO均采用程序控制方式。该跟踪方式优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定的跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具有很高的数据处理能力和较大的数据存储空间，该跟踪系统还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，成本较高[10]。德国在上世纪末启动了大规模的屋顶光伏发电项目，名为10x10*户屋顶光伏发电项目。该项目主要面向普通家庭，使用小型光伏系统在屋顶上发电。这种应用模式已被广泛推广和普及，大大提高了光伏发电在德国总发电量中的占比。此外，许多国家为了促进光伏市场的持续健康发展，制定了相关政策和条款[11]。2008年，西班牙的太阳能产业补贴政策刺激了该国的光伏技术产业，新增装机容量增长迅速，超过德国。同年，全球光伏组件及系统新增装机容量为5630兆瓦，同比增长150%。从2000年到2008年，全球累计光伏组件装机容量年复合增长率达到33.8%，增长态势快速且稳定[12]。1.4论文的主要内容本论文章节：第一章、绪论部分，介绍基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统目的、意义，及国内外发展现状，解释其在能源结构中的用途和重要性。第二章、本课题方案设计及分析。对太阳能电池板自动跟踪系统的组成、结构、需要的各项功能进行设计和介绍，考虑实际情况，根据不同天气条件选用不同的控制策略，并对系统安全方面进行分析，提出使用重要部位的安全监视和故障报警检测。第三章、本课题的硬件设计。系统控制策略已经确定，对主要硬件选型，包括传感器、执行器、控制器等。根据本系统的需求，确定I