S7-200PLC在太阳能跟踪控制系统中的应用

王航宇

（西安航空职业技术学院 电子工程系，陕西 西安 710089）

太阳能是一种资源丰富，可以再生的清洁无污染能源，合理、充分利用太阳能是人类与自然和谐发展的重要举措。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，如果能始终保持太阳板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的电磁机械系统，是非常有价值的研究课题。太阳能追踪系统能增加太阳集能器或光伏模块接收的太阳能，能提高日用功率和年输出功率，比固定式系统成本高，且更复杂。然而，太阳能追踪系统能增加年输出功率而有效地降低成本[1-3]。

光伏发电控制系统是利用太阳能进行能量转换的一种装置，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。目前，太阳能光伏发电正逐渐应用于各行各业，比如航天、通讯、交通以及居民生活等领域。为此，光伏专业、光热专业或其他相关专业相继出现，光伏发电实训系统应运而生，太阳能跟踪控制系统是光伏发电实训系统的重要组成部分，论文着重阐述了太阳能的跟踪、模拟控制等内容。

1 全太阳能跟踪控制系统组成及硬件选型

1.1 全太阳能跟踪控制系统的硬件组成

根据控制要求，该控制系统设计包括PLC一套，4块太阳能电池板组件，3盏200 W投身灯（模拟太阳光）、4个跟踪传感器、1套运动执行机构（X和Y方向运动机构、直流电动机和支架）。如图1所示。整个系统以西门子S7-200可编程控制器为控制核心，当有太阳光时，太阳能电池板上的跟踪定位传感器采集模拟太阳光照度信息及位置信息，然后将所采集的信息送达控制器，从而控制X和Y方向运动机构，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。另外，系统中设置了IPC上位机，配置了友好界面，该界面运用POWER计算机监控软件开发，以便及时掌握系统及相关角度等信息。

图1 太阳能跟踪控制系统结构图Fig.1 Structure of solar tracking control system

1.2 控制系统主要设备选型

PLC是太阳能追踪系统的核心部件，该控制系统的PLC选用西门子公司的S7-200系列，S7-200具有紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集，用户程序包括位逻辑、计数器、定时器、复杂的数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使S7-200能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制的目的。另外，选用S7-200主要考虑其不但能用于独立太阳能设备的跟踪系统控制，比如满足边疆偏远地区牧民夜晚用电的需求，而且特别对串并联的大型光伏太阳能阵列的跟踪系统控制，能发挥PLC现场总线控制的优势，进行集中控制[4-6]。

S7-200 CPU226的特点有:1）数字输入/输出口24/16；

2）可扩展7个模块，248路数字I/O，35路模拟I/O；

3）有PID控制器；

4）2个 RS-485通信/编程模块；

5）16K用户程序在线编程。

具体配置如下表。 CPU：CPU226 （24点 DI，16点 DO），AI：EM231（4 路）；EM235 模块（4 路）；系统涉及的主要设备如表1所示。

表1 太阳能跟踪模拟控制系统设备配置表Tab.1 Solar tracking device configuration table of the analog control system

2 控制系统的软件开发

为了体现程序的可读性，实用性，该系统的软件设计主要以西门子STEP 7-Micro/WIN为开发环境，采用模块化结构设计思路，对系统中的I/O按照一定的逻辑关系进行设计。本系统I/O分配表参见表2，程序设计框图如图2所示。

图2 程序设计框图Fig.2 Program design diagram

具体逐日程序流程图，参见图3所示。其中，自动逐日主要通过上位机控制实现，为此，程序中设计了通信模块。

图3 逐日程序流程图Fig.3 Daily program flow chart

图4 太阳能跟踪控制系统追日界面Fig.4 Solar tracking control system day interface

图5 太阳能跟踪控制系统数据采集显示界面Fig.5 Solar tracking control system data acquisition and display interface

为了便于远程监控，系统开发了基于POWER9000的监控界面，如图4、图5所示，该界面是运行人员监视和控制运行的主要手段，运行人员与计算机监控系统的交互作用将通过控制台使用CRT、标准键盘，鼠标或跟踪球等来实现。主要完成监视设备状态，运行参数及实时时钟刷新，报警与操作信息报告显示，通过菜单操作实现各种遥控遥调功能[7-8]。

表2 系统I/O分配表Tab.2 System I/O allocation table

同时，系统充分利用监控软件提供VQC程序模块完成系统电压无功自动调节参数设置，单纯的限值修改、系统维护员的权限的设置、电压和无功值异常范围的封锁、闭锁分接头、容抗器设备条件的设置，从而完成系统的远动信息闭锁。由于VQC程序所有的信息全部从监控系统取，因此测试不必在装置上加电流或电压测试，遥测遥信在监控系统上人工置数即可，保护信息可以用系统提供的调试工具模拟[9-10]。但测试前需做以下3点准备：

1）确保数据库关于电容和电抗器、分接头的遥控参数配置没有错。检查方法：在画面上的进行这些设备的人工控制操作，状态反应应该正确。

2）缺省情况下，每个容抗器、分接头都不参与VQC调节，需要在画面上对每个VQC调节设备设置 “VQC自动控制”操作。

3）人工置遥信、遥测，有事故信号请先确认，确保 VQC没有闭锁。

3 结束语

经过多次跟踪控制模拟，运行表明，系统能够很好的完成光伏发电控制系统的前端太阳光的采集，保证光伏发电系统的能量来源，同时充分说明了S7－200系列模块功能的强大，和配置的灵活性好，在小型工业控制方面有着广阔的应用天地。

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