基于PLC 的双轴逐日控制系统的设计与研究

兰 舰，鞠振河，杨 明，李潇潇，邢 佳

（1.沈阳工程学院a.研究生部；b.新能源学院，辽宁 沈阳 110136；2.辽宁能源投资（集团）有限责任公司 新能源发展部，辽宁 沈阳 110000；3.辽宁太阳能研究应用有限公司 工程部，辽宁 沈阳 110000）

随着石油煤炭等不可再生能源的大量使用，不可再生能源已逐渐枯竭，这就意味着我们需要大力开发可持续性能源来补充甚至替代化石能源的缺口。由于太阳能安全稳定且清洁无污染，所以它已经成为最受关注的可持续能源之一，被越来越多的学者关注和研究［1］。

由于太阳的光照强度随着地球的自转而不断变化，因此要调整太阳能电池板方向使其与太阳光线时刻保持垂直。通过光线随时垂直照射到太阳能电池板上来提高单位面积的电池板的接收效率成了目前研究的重点。一个设计合理的光伏跟踪系统可以将整个光伏发电系统的效率提高40%，而逐日装置伺服电机本身一年的耗电只有20 kW·h，其成本低廉，安装方便［1-2］。目前的逐日自动追踪系统主要有太阳运动轨迹追踪和光照夹角计算两种［3］。与倾角固定式光伏系统相比较，双维逐日系统可以提高单位面积的光电转化效率［4］。本文的研究重点为如何通过光电传感器与PLC 技术的结合来寻找太阳光垂直射入角度，从而实现逐日追踪。

1 总体方案设计

本设计与常规设计有所不同，当采集光照强度时，在光伏电池片同一水平面的上下左右边框中心安装规格相同的光照传感器作为光强检测装置，通过光照传感器测得电池片四周的光照强度并转化为相应的光生电流，将采集的电流通过转换放大电路以及数模转换模块输入到PLC 中，通过PLC 内部设定的程序计算出与光照强度一致的角度，即太阳光的垂直射入角度，调节光伏电池板支架上的伺服电机，实现太阳光的垂直照射，达到尽可能大的能量转换率。为了避免装置的频繁启动，系统添加了固定时间间隔的自启动程序［4］。

2 系统的硬件设计及相关模块的选型

该逐日系统采用双轴跟踪机构，即在竖直方向0～90°及水平方向-90°～90°内转动。通过对数据的实时测量及系统内部运算程序控制伺服电机旋转，从而将光伏电池片调节到与太阳光垂直的位置。

该逐日系统的硬件主要有光照传感器、西门子PLC、模拟量转换模块、增量式编码器、直流伺服电机等［5］。其系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

太阳光照射在光伏电池片上，其边框上的光照传感器对光伏电池片四周的光照强度进行检测，光照传感器产生的光感电流通过转换放大电路，转化为合适的电压信号，经过数模转换模块将其输送到PLC 中，通过PLC 内部程序对电压进行处理，从而调节伺服电机转动，达到对太阳光自动追踪的效果。为了防止系统频繁启动，该过程间隔相应的时间自行启动。

2.1 光照强度检测及放大装置

光照强度检测的精准程度对逐日系统有重要的影响，因此光照传感器及其安装位置的选择为本设计的重点。综合考虑转换放大电路电流标准、灵敏度及其他因素指标，本设计选择RS-GZ-I20-2光照强度传感变送器进行光照强度检测。RSGZ-I20-2 能检测最大量程为65 535 Lx 的光照强度，并能将0～65 535 Lx 的光照强度相应转换为4 mA～20 mA 的电流输出［6］，其电流大小与转换放大电路相适应，经过转换放大后的电压数值适合EM231模块工作。如图2所示，在光伏电池片四周边框上安装4 个规格参数完全相同的RS-GZ-I20-2光照度传感器，设4 个光照传感器的光感电流分别为In、Is、Ie、Iw，通过转换装置，将电流信号转化为电压信号。为了便于信号后期的处理，将电压信号经过放大电路转化为适应于EM231 模块的电压值。转换放大电路如图3所示。

图2 光照强度传感器安装位置

图3 转换放大电路

在光照强度检测装置后设置的转换放大电路将RS-GZ-I20-2 光照度传感产生的电流信号转换放大为合适的电压信号以便于检测，通过反馈电阻R12及集成运算放大器A8 实现电流与电压之间的转换，将光伏电池板产生的电流I换为电压信号，然后再通过运算放大器A9同相比例放大以后输出电压U，此时就可得到输出电压U与光生电流I的关系式为

式中，R12为转换电路反馈电阻；R13、R14为放大电路调节电阻。

由式（1）可知，光强检测电路的输出信号U与光伏电池的光生电流I成正比关系，又知光生电流与太阳光照强度成正比，所以光强检测输出电压U也与太阳光照强度成正比。因此，通过转换放大电路可以精准得到光伏板四周的光照强度大小。

经转换放大的电压分为两组，一组为垂直方向电压Un和Us，另一组为水平方向电压Ue和Uw。通过式（2）、（3）计算可得，当△Ux=△Uy=0 时，太阳光照射点即为光伏电池板的中心，这时太阳光与光伏电池板垂直。

2.2 EM231转换模块设置

由于PLC内部只能处理数字信号，而从光伏电池板经转换放大电路输出的为模拟信号，因此选择EM231 模块将电压信号转化为PLC 可处理的数字信号。将光伏电池板四周电压信号分别接入EM231模块的A路、B路、C路、D路，其对应顺序如表1所示。

表1 EM231模块线路分配

其控制电路接线如图4所示。

图4 控制电路接线

2.3 PLC的I/O口分配及电路设计

PLC 的I/O 分配及接线图分别如表2、图5 所示。PLC 的开关量输入端设有手动和自动切换按钮，启动和停止按钮、4 路方向手动按钮；PLC 的输出开关量分别控制4 路继电器KA1～KA4，实现对两台电机的正反转控制。PLC 能够根据能源在各种不可控条件下的变化进行实时调整，掌握着整个系统的机能管理［7］。

表2 PLC的I/O分配

图5 PLC的I/O接线

3 系统的主程序设计

当光伏电池板角度未经过调整时，太阳光与光伏电池板呈非垂直状态，光伏板的四边所受到的辐射量是不同的。因此，光伏板四周的光照强度传感器所受光照强度不同。同时，感应产生的光生电流也不同。通过转换放大及数模转换将光伏板四周的光生电流转换为相适应的工作电压输入到PLC内部，通过对四周电压上下左右两两对比作差，进而通过差值大小来驱动伺服电机调节相应的角度，其程序流程如图6所示。

将采样值通过模拟量通道AIW0、AIW2、AIW4、AIW6 传送到PLC 中，并将其分别保存到模拟量变量存储区VW100、VW102、VW104、VW106中，作为光伏电池板四边电压Un、Us、Ue、Uw的采样数据。通过减法程序计算出VW100 与VW102 及VW104 与VW106 的差值，即为△Ux和△Uy。当△Ux＞0 时，水平方向电机正向旋转（光伏板向西旋转）；当△Ux＜0 时，水平方向电机反向旋转（光伏板向东旋转）；当△Uy＞0 时，垂直方向电机正向旋转（光伏板向南旋转）；当△Uy＜0 时，垂直方向电机反向旋转（光伏板向北旋转）。

为防止系统频繁启动，可根据系统的跟踪精度、跟踪效益以及光照情况等设定延时时间，一般是10 min～20 min。

图6 系统的总程序流程

4 结语

本设计在现有的光伏逐日系统的基础上，利用4个规格参数完全相同的光照强度传感器作为光强检测装置，更加精确地检测光伏电池板与太阳光所成的角度，简化了现有的逐日装置。同时也提出了一种新的逐日方法，直接通过光伏板四周光照强度的差值来寻找光伏板平面与太阳光的垂直焦点，为光伏发电系统的优化设计提供依据和参考。