S7_200PLC在太阳能跟踪控制系统中的应用_王航宇

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）摘要 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 ， 阐 述 了 全 太 阳 能 跟 踪 控制 系统 的 组 成 ， 以 西 门 子S7-200PLC 为 核 心 配 置 了 系统 ， 以 STEP 7 MicroWin 为开 发 环 境 完成了 光 伏 系统 中的 “ 逐日 ” 用 户 程 序 的 开 发 ， 并 配有 监 控 界 面 。 结果 表 明 ， 该 系统 能 够 实现 光 伏 发 电 实 训 系统 中 太 阳 能的 采 集 ， 提 高 太 阳 能发 电系统 的 效率 。关键词 S7-200 ； 太 阳 能 光 伏 发 电 ； 跟 踪 ； 控制 系统中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1674－ 6236（ 2012） 20-0098-04Application of S7-200PLC in the solar tracking control systemWANG Hang-yu（ Department of Electronic Engineering， Xi ’ an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi ’ an 710089， China）Abstract The full solar tracking control systemis an important componentof photovoltaictraining system， the paper describesthe composition of the whole solar tracking control system， which is configured taking SiemensS7-200PLC as the core system，with the STEP7 MicroWin being development environment， “ daily user program” Monitor Interface are developed. Theresultsshow that the collection of solar photovoltaic training systemcan improve the efficiency of solar powersystems.Key words S7-200； the solar photovoltaic power generation； track； control system收稿日期 2012-07-04 稿件编号 201207031作者简介 王 航宇 （ 1981 ）， 男 ， 陕西 临 潼 人 ， 硕 士 ， 讲 师 。 研究方 向 计算机信息技术 与智 能 控制 。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 。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电子设计工程Electronic Design Engineering第 20 卷Vol.20第 20 期No.202012 年 10 月Oct. 2012图 1 太阳能跟踪控制系统结构图Fig. 1 Structure of solar tracking control system－ 98－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 dataacquisition and display interface图 4 太阳能跟踪控制系统追日界面Fig. 4 Solar tracking control system day interface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 。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 。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 。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]。图 3 逐日程序流程图Fig. 3 Daily program flow chart图 2 程序设计框图Fig. 2 Program design diagram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 theanalog control system编号 名称 型号 数量1 S7-200PLC CPU226 1 个2 工业 PC 计算机 IPC 1 台3 变压器 SC9 系列 1 个4 交流接触器 CJX1- □□ /N 系列 4 个5 中间继电器 DZ-3EJ 型 8 个6 限位开关 SZL-VL 型 4 个7 跟踪传感器 MPM316W 型 1 个8 直流电机 三相直流型 2 台9 模拟量模块 EM235 1 块10 模拟量模块 EM231 1 块11 通讯电缆 PPI 1 条王 航宇 S7-200PLC 在 太 阳 能 跟 踪 控制 系统 中的 应 用－ 99－ 电子设计工程 2012 年 第 20 期表 2 系统 I/O 分配表Tab. 2 System I/O allocation table名称 数据类型 描述 I/O 地址 备注E_Stop BOOL 紧停按钮 I0.0 紧停start BOOL 手动调试下启动按钮 I0.1 手动调试下启动追踪Manual_Auto BOOL 模式选择开关 （ 手 /自动 ） I0.2 模式转换MorningSun_Contr BOOL 按钮 _ 晨日模拟太阳 I0.3手动调试下控制任一灯光NoonSun_Contr BOOL 按钮 _ 午日模拟太阳 I0.4AfternoonSun_Contr BOOL 按钮 _ 晚日模拟太阳 I0.5NorthLimit BOOL 北限位开关 （ 常开 ） I0.6触及任一限位后向相反方向运动SouthLimit BOOL 南限位开关 （ 常开 ） I0.7WestLimit BOOL 西限位开关 （ 常开 ） I1.0EastLimit BOOL 东限位开关 （ 常开 ） I1.1Signal_North BOOL 向北信号 I1.2任一或两个为高电平时 ， 向为高点平方向侧运动 ， 知道 4 个信号全为 0， 最佳点找到Signal_South BOOL 向南信号 I1.3Signal_West BOOL 向西信号 I1.4Signal_East BOOL 向东信号 I1.5Q00001 WORD SPARE Q0.0 空SouthMove BOOL 向南运动 Q0.1 向南运动NorthMove BOOL 向北运动 Q0.2 向北运动EastMove BOOL 向东运动 Q0.3 向东运动WestMove BOOL 向西运动 Q0.4 向西运动SunMorning_ BOOL 晨日灯光控制 Q0.5 晨日灯光控制SunNoon_ BOOL 午日灯光控制 Q0.6 午日灯光控制SunAfternoon BOOL 晚日灯光控制 Q0.7 晚日灯光控制MS INT 向南运动 AIW0 向南运动MN INT 向北运动 AIW2 向北运动ME INT 向东运动 AIW4 向东运动MW INT 向西运动 AIW6 向西运动Upper_start INT 上位机控制启动追踪 AIW8 上位机控制启动追踪Upper_M INT 上位机控制晨日 AIW10 上位机控制晨日Upper_N INT 上位机控制午日 AIW12 上位机控制午日Upper_L INT 上位机控制晚日 AIW14 上位机控制晚日同时 ， 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 。参考文献 [1] 戴训 江 ， 晁 勤 . 基 于 PLC的 太 阳 能 跟 踪 控制 系统 的设计 [J].能 源 工程 ， 2007， 26（ 6） 30-33.DAI Xun-jiang， CHAO Qin. 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Shaanxi ElectricPower， 2010（ 9） 6-9.（ 上 接第 97 页 ）Synopsys 发布 DesignWare DDR4 存储器接口 IP全 球 领 先 的 电 子 器 件 和 系 统 设 计 、 验 证 和 制 造 软 件 及 知 识 产 权 （ IP） 供 应 商 新 思 科 技 公 司 （ Synopsys， Inc.） 日 前 宣 布 其DesignWareDDR 接口 IP 产品 组合 已经 实现 扩充 ， 以使 其 包括了对 基于 新兴 的 DDR4 标准 的 下 一 代 SDRAM 。 通 过 在一 个单内核 中 就 实现 对 DDR4、 DDR3 以 及 LPDDR2/3 的 支持 ， DesignWare DDR 解决方案使设计师能 够 在 相同 的系统 级芯片 （ SoC） 中 ， 实现与 高性 能 或者低 功 耗 SDRAM 的 连 接 ， 它 已经 成为诸如 用于 智 能 手 机 和 平板 电 脑 的应用 处 理器 等等 许多 SoC的一 项关键需求 。Synopsys的 DesignWare DDR4 IP 解决方案 由 DDR4 multiPHY 和 Enhanced Universal DDR Memory Controller uMCTL2组成 ， 它们 通 过 一 种 通用的 DFI 3.1 接口 连 接 。 新 的 DDR4 IP 支持 所有为将来 JEDEC 标准 而规划 的 关键 DDR4 功能 ； 同时 与 前 一版 本相比 ， 其在 原始带宽 方 面有 13的 增 加 ， 实现 了 高达 50的 总体延迟降低 ， 且 具 备 新 的 低 功 耗 功能 ； 而该项低 功 耗 功能 可实现 智 能 系统 监测 和 控 制 ， 以 根据 系统的 流量 模 式 决 定 对 IP 的 各 单 元进行关断 。 Synopsys特有 的 、 基于 CAM 的 DDR 控 制器中的实 时时序调度 功能 可 以 优 化 来 自 多 个 主源 的数 据读写流量 ， 以 实现 性 能 最 大化 而延迟最小 化 。咨询编号 2012201004“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““王 航 宇 S7-200PLC 在 太阳能跟踪 控 制 系统中的应用－ 101－