基于S7-200 PLC与上位机在光伏发电系统中的应用

聂秀珍，林 斌

(1.山西轻工职业技术学院 机电工程系，山西 太原 030073；2.华晋焦煤有限责任公司沙曲矿，山西 吕梁 033300)

目前，光伏专业或者相关专业成为热门专业，主要是由于在交通、通信以及航空航天等各行各业中都在应用太阳能光伏发电系统，甚至在日常生活中也到处可见光伏电池板的应用，比如：移动式太阳能交通灯，太阳能路灯等。光伏发电系统主要是利用大自然的太阳能转换成为电能的系统，在能量转换的过程中不污染环境，可靠性比较高，而且还能独立进行发电等这一系列独特的优点，导致很多企业行业都来开发光伏发电系统的潜力，因而具有很好的发展前景。[1-2]本文以“KNT-WP01型光伏发电系统”为载体，通过研究光伏发电系统中光伏组件在灯光照射下模拟太阳光照进行手动控制和自动跟踪[3]。

1 光伏发电系统的组成

光伏发电系统设备是以KNT-WP01实训型设备为主，该系统主要包含四部分，分别是进行光伏供电的装置、进行光伏供电的系统、用于逆变的负载系统以及对设备进行监控的系统，具体外形图(见图1)。

图1 主要系统的外形图

1.1 光伏供电的装置

光伏供电的装置是用来模拟太阳光照的设备，主要依靠的是支架上的两个投射灯灯1和灯2，通过摆杆运动模拟太阳运动，太阳运动方向根据图示要求明确。光伏电池组件有4块，分别定义为1#、2#、3#、4#，主要模拟电站，电池组件在运动方向上分别有每个方向的限位开关，具体安装图(见图2)。

图2 光伏供电的装置图

1.2 用于光伏供电的系统

光伏发电装置上光伏组件[4]的向东、向西、向南、向北运动、灯1、灯2的东西、西东运动都需要通过光伏供电的系统中的接线端子与西门子S7-200 PLC进行连接，在光伏供电系统中电压主要用于供应继电器、各个按钮的用电。供电系统中的DSP主要用于对于对数字信号变换、滤波等运算。供电系统的各个模拟块安装位置(见图3)。

1.3 上位机监控的系统

在光伏发电控制的过程中需要上位机进行监控，监控系统主要利用计算机监控，采用力控组态软件进行参数的设定，监控界面的绘制。

图3 光伏发电供电系统的安装图

2 PLC的调试要求

2.1 西门子S7-200PLC的I/O分配

根据光伏发电系统的控制要求，可以分配如下I/O分配表，根据该分配表，进行PLC与光伏组件的接线。[5]具体分配表(见表1)。

其中，继电器KA1用于控制光伏发电系统中组件向西的运动以及供电系统中指示向西运动的指示灯；KA2用于控制光伏发电系统中组件向东的运动以及供电系统中指示向东运动的指示灯；继电器KA3用于控制光伏电池组件向北偏转及向北偏转指示灯；继电器KA4用于控制光伏电池组件向南偏转及向南偏转指示灯；继电器KA5用于控制摆杆由东向西运动及东西运动指示灯；继电器KA6用于控制摆杆由西向东运动及西东运动指示灯；继电器KA7用于灯1和灯1按钮指示灯；继电器KA8用于灯2和灯2按钮指示灯。

表1 S7-200 PLC的I/O分配表

2.2 光伏电池组件跟踪光源的PLC的具体要求

光伏供电系统中可以对光伏电池组件的运动进行手动和自动的两种状态调试，当开关拨向手动时，PLC进行手动按钮控制；当开关拨向自动控制时，PLC对电池组件、摆杆进行自动跟踪控制，可以完成单循环控制。

2.2.1 手动调试

(1)当开关拨向手动时，按下供电系统中的向东对应按钮，光伏组件模拟太阳向东运行，当松开向东的按钮时或者是组件触碰到向东的限位开关时，供电系统中的向东的按钮熄灭，同时组件也停止向东继续运行。

(2)PLC处在手动控制状态时，按下向西按钮，光伏电池组件向西偏转，松开向西按钮或者接触到向西的限位开关时，供电系统中的向西的按钮熄灭，同时组件也停止向西继续运行。

(3)PLC处在手动控制状态时，按下向南按钮，光伏电池组件向南偏转，松开向南按钮或者接触到向南的限位开关时，供电系统中的向南的按钮熄灭，同时组件也停止向南继续运行。

(4)PLC处在手动控制状态时，按下向北按钮，光伏电池组件向北偏转，松开向北按钮或者接触到向北的限位开关时，供电系统中的向北的按钮熄灭，同时组件也停止向北继续运行。

(5)PLC处在手动控制状态时，按下向东西按钮，摆杆由东向西方向偏转，松开向东西的按钮或者是当摆杆接触到东西的限位开关时，供电系统中的东西按钮熄灭，同时摆杆也停止由东向西继续运行。

(6)PLC处在手动控制状态时，按下向西东按钮，摆杆由西向东方向偏转，松开向西东的按钮或者是当摆杆接触到西东的限位开关时，供电系统中的西东按钮熄灭，同时摆杆也停止由西向东继续运行。

(7)当开关拨向手动时，按下供电系统中的灯1对应按钮，对应灯1按钮点亮，灯1就会模拟太阳进行光照，当松开灯1对应的按钮时，对应灯1的按钮就不亮，同时灯1不亮。

(8)当开关拨向手动时，按下供电系统中的灯2对应按钮，对应灯2按钮点亮，灯2就会模拟太阳进行光照，当松开灯2对应的按钮时，对应灯2的按钮就不亮，同时灯2不亮。

(9)当开关拨向手动时，触碰触摸屏[6]上电站负载调试界面的按钮控件，对应负载或电站运行；松开按钮控件，对应负载或电站停止运行。

2.2.2 单循环调试

(1)当开关拨向自动状态时，按下供电系统中的向东对应按钮，光伏组件模拟太阳连续向东运行，接触到东限位位置开关停止1 s，然后光伏电池组件向西偏转，直至接触到西限位位置后停止，在此过程中按下停止按钮或者急停按钮，光伏电池组件停止偏转。

(2)PLC处在自动控制状态时，按下向西按钮，光伏电池组件连续向西偏转，接触到西限位位置开关停止1 s，然后光伏电池组件向东偏转，直至接触到东限位位置后停止，在此过程中按下停止按钮或者急停按钮，光伏电池组件停止偏转。

(3)PLC处在自动控制状态时，按下向北按钮，光伏电池组件连续向北偏转，接触到北限位位置开关停止1 s，然后光伏电池组件向南偏转，直至接触到南限位位置后停止，在此过程中按下停止按钮或者急停按钮，光伏电池组件停止偏转。

(4)PLC处在自动控制状态时，按下向南按钮，光伏电池组件连续向南偏转，接触到南限位位置开关停止1 s，然后光伏电池组件向北偏转，直至接触到北限位位置后停止，在此过程中按下停止按钮或者急停按钮，光伏电池组件停止偏转。

(5)PLC处在自动控制状态时，按下东西按钮，摆杆连续由东向西偏转，到东西限位位置开关停止1 s，然后摆杆连续由西向东偏转，直至接触到西东限位位置后停止，在此过程中按下停止按钮或者急停按钮，光伏电池组件停止偏转。

(6)PLC处在自动控制状态时，按下西东按钮，摆杆连续由西向东偏转，到西东限位位置开关停止1 s，然后摆杆连续由东向西偏转，直至接触到东西限位位置后停止，在此过程中按下停止按钮或者急停按钮，光伏电池组件停止偏转。

3 PLC程序

根据光伏发电控制系统[7]中的控制要求，在硬件接线完成的情况下，依据西门子S7-200 PLC的编写原则，对于此次要求进行PLC程序的编写，主要编写三部分：首先在主程序区分手动与自动程序、第二在手动开关下进行手动调试程序、第三在自动开关下进行自动调试程序。图4为复位主程序、手动调试程序和自动调试程序。

图4 部分调试程序

4 组态软件跟踪监控控制界面

根据控制要求中，PLC处在手动控制状态时，按下触摸屏上电站负载调试界面的按钮控件，对应负载或电站运行；松开按钮控件，对应负载或电站停止运行。需要进行上位机的设置，上位机监控系统主要由计算机和力控组态软件组成，根据具体要求进行参数设置，界面绘制。[8]

(1)按下力控软件中的向东对应按钮，图5所示界面上向东运行的按钮变绿，光伏组件模拟太阳连续向东运行。

(2)光伏组件模拟太阳向东运动运动到达东限位后光伏电池板停止继续运动，同时软件界面(见图6)上向东运动限位开关从红色变成绿色，光伏组件模拟太阳停止继续向东运动。

(3)按下力控软件中的东西对应按钮，软甲界面上的东西按钮控件相应指示灯变绿，摆杆组件由东向西运动(见图7)。

(4)摆杆组件由东向西运动到达东西限位后摆杆组件停止由东向西运动同时东西限位指示灯由红变绿，摆杆停止运动(见图8)。

图5 光伏组件模拟太阳连续向东运行

图6 光伏电池板停止向东运动显示

图7 摆杆由东向西运动显示

图8 摆杆停止由东向西运动显示

5 结 论

在基于“KNT-WP01型光伏发电系统”对于太阳光照进行了手动控制和自动跟踪[9]，本设备是由西门子S7-200 PLC进行编写程序进行调试，上位机力控软件对于光伏发电系统进行监控，其中系统中数据分析主要采用的是DSP进行数字信号变换、滤波等运算，达到预期目标。