基于太阳能技术的LED广告牌系统设计

吕超颖 拓帅

摘 要：文章提出了一种改进的、易于使用的可持续广告牌自动化管理系统的解决方案。这个应用程序的主要目的是生产一个自我维持的系统，将确保广告牌全天的旋转。使用智能太阳能跟踪系统和先进的自动化设备。模型作为一个专业的解决方案，可满足用户要求和实现最初设定的目标。

关键词：太阳能技术;LED广告牌;系统设计

0   引言

广告牌的整体目的是加强信息传播，使其更快和更具成本效益，同时保持其功能（将潜在买家转化为长期客户），现代世界的每一步都充斥着广告。广告牌行业最重要的方面是LED技术的进化。LED已经开始小规模使用（装饰品、玩具等），被认为是照明的未来。利用发光二极管（Light Emitting Diode，LED）技术和跟踪光伏系统，本文设计了一个可持续的绿色能源系统。

1   基于太阳能技术的LED广告牌系统架构

1.1  户外LED显示屏

在选择照明产品时，往往会考虑到财务因素，即购买价格和运营成本，但也有许多其他方面的因素，它们的重要性因应用程序而异。LED 有几个独特的属性，了解如何有利地使用它们至关重要。本文选择的LED屏在正常天气条件下，估计能见距离超过400 m。它将编程使用PLC显示用户定义的信息、时钟和环境温度。

1.2  光伏系统设计

光伏系统（PV 系统）利用太阳能电池板将阳光转化为电能。该系统由18块光伏板、旋转结构、电气互连、电池系统、太阳能跟踪器和能源管理软件组成，嵌入PLC。这种小型光伏系统可以为电动机和自动化设备提供电力。所产生的电能可以储存在镍氢电池中直接使用，或者输入由中央发电厂（并网/网格化发电厂）供电的大型电网[1]。

本文应用选择的光伏板类型是由 BP 太阳能公司设计的单晶硅片切割电池（BP440J 型），该公司在光伏太阳能领域已经开拓了近40年。经验表明，优化模块寿命和电能生产的最佳方式是注意产品设计和制造的每一个细节、过程控制和测试方法 。该模型为系统的设计和尺寸确定提供了详细的技术数据表，有助于提高系统的整体仿真效果。

1.3  感应电动机设计

在整个系统中，逆变器影响电机的性能，并可能引入干扰到主电源线。PWM 电压源型静止变频器是目前应用最广泛的低压工业电动机供电设备，涉及速度的变化。它们作为能源（交流电源线）和感应电动机之间的接口。选PWM 逆变器供电来保证每分钟10转的转速。目的是使用两个交流感应电动机（一个拉，一个推）的速度在最大负载1 500转。这就需要对整个电力系统、系统的自动化以及各部分之间的相互作用（电力线-频率变换器-感应电动机-负载）有很好的理解。这样，电池为交流感应电动机提供能量，交流感应电动机利用回转齿轮传动和回转环转动内置LED显示屏的平台和光伏系统[2]。

2   系统自动化设计

2.1 可编程序控制器系统设计

本文解决方案的 PLC（可编程序控制器）来自于改进和易于使用的模型生产的Unitronics公司，视觉350。这实际上是一个OPLCTM（操作员面板PLC），因为它是一个所有控制解决方案，集成的PLC和 HMI（人机界面）在一个单一的、紧凑的设备中。该系统将从两个光强传感器、一个风力传感器和一个温度传感器获取数据。这些，加上2编码器输入接收，总计多达6个模拟输入（由PLC要求）。因此，有必要在最初选择的PLC中添加一些扩展模块。V350-35-R34只有20个数字输入和2个数字输出，因此将添加一个 Snap-In模块：V200-18-E4XB。该模块有18个 npn/pnp 隔离数字输入（包括2个轴编码器输入），4个模拟输入12～14位0～10 V，4～20 mA 和/或4个TC/PT100测温输入，17个 npn/pnp 隔离数字输出（包括2个高速）和4个12位0～10 V，4～20 mA 隔离模拟输出。

2.2 传感器的设计

目前的配置适合系统的需要，目前的传感器，事实上，所有的设备都有4～20 mA的输出。在此之后，如果需要进一步的I/O，将增加一个I/O扩展模块适配器EX-RC1，并逐一增加一个补充的I/O模块，完全可满足系统的需求。在安装扩展模块后，最多可以安装8个 I/O模块。这些模块很容易安装在 DYN 轨道上，使得系统可扩展，在任何給定的时间都很容易扩展，从而大大降低了成本。通信协议采用CAN总线。CAN总线是一种基于消息的协议，专门为汽车应用设计，但现在也用于其他领域，如航空航天、工业自动化和医疗设备。

应用软件 VisioLogic是免费的，可以在任何时候从官方网站下载。它使用梯形图，最常用的PLC的编程语言。当PLC主要用于取代继电器、计时器和计数器时，梯形图编程的简单性和实用性是难以撼动的。由于所有传感器的输出都是4～20rnA，必须找到一种方法使数据采集尽可能有效和准确。所以第一步是一个过滤器，位于FB（函数块）菜单上，可以从4到16个值计算平均值。通过配置函数来影响平均值，从而放弃用户定义的最大和最小输入值的数量，或者根据输入值的顺序（FIFO）加权平均值。

系统算法控制，当每个新值被输入时，最老的值被移出。因为丢弃值为2，所以丢弃2个最小值和2个最大值，其余的值相加，然后求平均值（30+40+50+60=180/4）。结果是45，输出到 ML 0。Filter Configuration 保存决定如何平均输入值的参数，因此必须在 Filter： Calculate 函数被调用之前激活它。每当 Calculate 函数的激活条件打开时，函数的 Input 参数被复制到链接 Filter Configuration 的向量中，计算平均值，并将结果置于链接的输出操作数中。每次激活函数时，输出值都被覆盖，因此没有分配PLC内存。这些值存储在函数（基于堆栈的解决方案）中。

对于过滤器配置器的初始化，该程序使用一个系统位（SB 2），该位在PLC打开时从0“逻辑”转换为1。鉴于有多个传感器，将使用相同的程序，以获取数据，从它们每次的PLC是通电。对于过滤器计算器的初始化程序是使用一个系统位（SB 13），从0“逻辑”到1每当信号有一个上升沿（从低到高的过渡），它也称为正边。当一个电路是上升沿触发，它成为积极的时钟信号从低到高，忽略了高到低的转变。如果流程需要更快地获取数据，以提供更快的响应，则应使用 SB15。

在本文的系统中，所选择的传感器都有相同的24 V直流电源和4-20rnA ，两个交流感应电动机（一个用于拉动结构，一个用于推动）配备了编码器，确保电动机的同步。如果一个移动太快，编码器将发送给PLC的信号大于信号从较慢的电机接收。在程序中，第一个操作是比较两者，然后从较大的信号中减去较小的信号。如果两者之间的差异是显著的（这个参考将设置在几个实验测试后），它将乘以一个因子k（也设置在几个测试后），结果将被添加到电机移动较慢。如果两者之间的差异太大，或者经过一段时间后两台电机不能同步，两台电机都将关闭，并显示系统故障消息。此外，如果风太大，发动机也会关闭。风力应该始终处于系统运行的安全范围之内。如果一切都在正常参数范围内运行，那么这个结构就会自动旋转，就像向日葵一样。

太阳跟踪器使用以下原理：两个光强度传感器，分别安装在结构的两个臂上。该算法类似于编码器的情况下使用的一个：比较两个信号，减去较大的一个小。唯一的区别是，在这种情况下，如果差别很大，马达就会开始移动结构，直到差值为零[3]。

3   结语

本文提出了一种建筑物顶部旋转式LED显示屏的控制方法。使用传感器、控制器预测系统的进化作为一个功能的控制输入，并作出相应的决策，从而确保光伏阵列将旋转跟随太阳，使用最大功率点跟踪算法，储存在镍氢电池的能量在一个受控的速率和保证显示指出用户定义的信息、时钟和环境温度。所有这些设備都只使用绿色太阳能。这是同类系统中的第一个，它保证产生影响，改变所知的户外广告，特别是因为它提供了一个非常好的全球能源效率。

[参考文献]

[1]黄道燚，陈敏敏.基于GPRS与物联网的广告屏系统设计与实现[J].电子技术与软件工程，2019（2）：48-49.

[2]许世林，房腾博，殷晓洁.基于太阳能技术的LED广告牌系统设计[J].科技视界，2017（1）：240.

[3]王东，姚敏茹，王丹，等.并网式LED环保广告牌供电系统设计[J].电子世界，2013（17）：155-156.

（编辑 傅金睿）