PLC的光伏发电系统设计word版.docx
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PLC的光伏发电系统设计word版
基于信捷PLC的光伏发电系统设计
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着人类社会的由原始社会进入电气化智能化时代，人们对能源的需求量越来越大而且种类也越来越丰富，人们开始了对能源种类多样性的探索。
首先是传统的化石燃料，对传统化石燃料的争夺人类甚至已经爆发了几次局部战争，导致一些国家的人民流离失所，进而形成难民，最终导致了欧洲的难民问题和恐怖组织伊斯兰国等全球性挑战的出现。
然而对化石燃料的巨大消耗同时产生了大量的二氧化碳，二氧化硫等气体，也造成了巨大环境的污染，导致了全球气候变暖，冰川融化，海平面上升，陆地面积减少，甚至压缩了人类的生存空间，随后就是对核能的探索，但自从齐尔诺贝利核电站和福岛核电站事故之后，人们发现虽然核能能给人类带来便捷的能源的同时，也会带来核泄漏的风险，而且一旦发生核泄漏对核电站周围的生物带来的后果可以说是灾难的，当今各国政府对核能的利用是谨慎的，甚至有些国家的民众抵制核电站的建设。
这些问题无不给人类的生存带来了巨大的挑战。
而我国又是一个能源需求大国，能源人均储存量极少的国家。
但我国是一个疆土辽阔的国家，我国从黑龙江省的乌苏里江的最东边到新疆维吾尔自治区的科乌尔特拜山口的最西边一共跨越了5个时区，日照范围和时间极其丰富的国家。
太阳能是最原始的能源，它清洁可再生，分布范围广等优点逐步被国人所意识，太阳能虽然来自于太阳的核聚变但它没有核电站核泄漏的风险。
自从法国的贝克勒尔发现的液体光生伏特效应光伏发电技术就开始为人类所认识。
从贝克勒尔的发现到现在已经有近200年的历史了。
我过在太阳能单晶硅的起步很早，早在上个世纪六十年代末我就有所突破，由于先期的研发也成就了我国全球光伏发电设备的最大生产国的地位，中国在满足自身需求的同时也不断的开拓国际市场，在光伏设备产业上不断创新，取得今天的成就确实来之不易。
目前，光伏扶贫是国家精准扶贫十大工程之一，我国的光伏产业正逐步从扩大范围向保质增效、技术创新的方向上转变。
1.2太阳能资源分布现状
地区类型
年日照时数（h/a）
年辐射总量（MJ/m2·a）
等量热量需标准燃煤（kg）
包括的主要地区
备注
一类
3200-3300
6680-8400
225-285
宁夏，新疆青海，西藏
最丰富地区
二类
3000-3200
5852-6680
200-225
河北，山西内蒙
较丰富地区
三类
2200-3000
5016-5852
170-200
山东，河南吉林，云南
中等地区
四类
1400-2000
4180-5016
140-170
江西，浙江湖北，福建
较差地区
五类
1000-1400
3344-4180
115-140
四川，贵州
最差
表11中国太阳能资源分布
我国是一个领土面积达到960万平方公里，陆地面积十分辽阔的北半球国家。
我国领土最南端至北纬4度的曾母暗沙，领土最北端至北纬52.5度的漠河，我国领土的东西间隔东至东经135度的黑龙江与乌苏里江汇流处，西至东经73度的帕米耳高原，无论南北间距还是东西间距距离都在五千公里以上。
由于我国领土广大所以日照范围广阔也使得我国的光照资源丰富。
全国各地的年太阳辐射总量为928－2333KWh/m2，中值为1626kWh/m2。
虽然太阳能资源丰富，但光伏电池转换效率不高且价格，同时光资源往往易受到天气影响，或者由于季节变化往往阴天时，季风比较大，单一的光伏发电系统又不能对风能加以利用。
1.3毕业设计内容
毕业设计的主要内容是以智慧新能源实训系统为研究对象，通过信捷PLC及其拓展模块完成数据采集、集中控制、能源负载、人机界面等组件为实现环境，通过各类高精度工业级元器件部署而成的具有光伏发电控制、风力发电控制、能源转化储存、电能控制调度的控制，PLC程序分为：
PLC的手动功能程序2PLC的通信程序，模拟量的转换程序，PLC的自动功能程序。
力控组态界面主要包括封面，主页，操作界面，曲线图，报表等界面，其中包括用户名及密码权限，直流电流电压，交流电流电压，环境的光照强度，温度，风速等模拟量的实时显示，对蓄电池，光伏电站，风力电站，交直流负载等继电器在力控界面的控制，以及对环境平台上的风速和光照等模拟量的控制。
完成力控，PLC，单片机之间的通信问题，终实现对太阳能，风能的收集利用。
第2章系统硬件及电气原理图设计
2.1工程环境模拟平台的设计
图21工程环境模拟平台
工程环境模拟平台可以模拟自然界中光照环境并通过太阳能电池板对模拟光源进行收集储能；模拟风场模拟自然界中的起风并通过风力发电机对模拟自然风进行收集储能；环境平台还可以对环境中的温度、适度以及光照强度进行显示。
其中模拟光伏模块组包含两部分：
一部分是模拟太阳能屋顶电站主要通过4块额定功率3瓦的高性能太阳能电池板模拟现实生活中的屋顶太阳能发电，另一部分模拟太阳能地面电站也是由4块额定功率为3瓦的高性能太阳能电池板模拟现实生活中沙漠和草场等开阔地带的太阳能发电。
风能模拟模块通过节能风机产生的风来模拟现实生活中的自然风，模拟自然风通过管道来到环境平台，从而驱动垂直风力发电机转动进行发电。
图21太阳能电池板
太阳能电池板是光伏发电系统的核心部件，它通过光生伏特效应可将光能转变为电能并以直流电的形式输出。
该款太阳能电池板使用了高透光率的新型钢化玻璃，高透光率保障了它可以在阴天和盆地等低光照强度下使用，新型高强度钢化玻璃可以抵御大风和沙尘暴等恶劣天气中沙砾撞击，还具有远超同类产品的光电转化效率，并且使用寿命长。
图22垂直风力发电机
该垂直风力发电机区别于传统的风力发电机采用了多角度的迎风技术，具有在低风速条件下启动的优势，与传统的风力发电机相比可以适应不同的风向摆脱了传统风力发电机单一风向的劣势，从而更有利于适应周围环境的变化，减少了后期改造成本的投入。
在相比于以往的产品，该风力发电机的产品质量上有了很大的提高，叶片的金属疲劳寿命更长，安全性能高不易出现像传统风力发电机叶片断裂的情况。
该风力发电机的叶片使用了5片高强度的铝合金叶片，使得强度有了显著提升并且质量明显减轻，有利于风力发电机在微风下启动。
图23风速仪
此款风速仪符合最新的国际气象组织标准，并且具有灵敏度高、精确度高、量程宽等优点。
与以往的风速仪相比它可记录并导出数据。
它可以在环境模拟平台上测出风力发电时产生的风速。
此款风速仪具有灵敏度高的优点，可以在微风下记录风速，并且采用工程上常用的Modbus通信，具有输出信号准确，方便接收的优点，减少了对设备通信方式上的投入。
图24温湿度光照传感器
该温湿度传感器主要对环境模拟平台的3个连续变化的环境模拟量进行采集，首先是通过集成在其中的温度传感器对环境中的温度进行采集，再其次是对环境中的光照和环境湿度进行采集，相比传统的温度传感器和湿度传感器的单一测量减少了接口的占用，减少设备的整体体积。
2.2电子管控平台的设计
图25电子管控平台
电子管控平台首先进行数据采集，然后将传输到该平台的数据进行处理再对是输出量进行控制，人机界面组件则实现人和电子管控系统的信息交互，从而方便工程操作人员对系统的控制。
整个平台通过各类高精度工业级元器件组合而成的，具有集成度高的优点，给平台通过对光伏发电组件控制和风力发电组件控制实现对能源产生部分的控制，通过对整流器和逆变器实现了能源转化储存和电能调度模块的控制，给平台是一个双向存储逆变等功能智能控制平台。
图26可编程控制器及其拓展模块
该款PLC是一种比较成熟的国产PLC，具有性能稳定价格便宜的优点，所以不存在外国技术封锁对整个系统的影响，价格便宜方便大规模使用。
该款PLC可以直接使用市电无需再给PLC配用电源模块使得安装范围更加广泛，并且无需考虑电源模块的后期维护，方便了维保人员的后期维护。
并且具有多种通信模式和通信模块方便了以后的系统升级。
图27风光互补控制器
该款控制器具有并行的工作模式，它可以在同一时间处理多个任务，它可以同时进行能源利用、转化、储存等任务，与以往的串行工作模式相比，具有同一时间的多任务处理能力，甚至为适应未来5G物联网智能化提供了可能。
性能特点：
（1）选用优质的工业级元器件确保产品的稳定性；
（2）完善的保护功能，使得系统的可靠性更高；
（3）限压、限流充电方式，保证蓄电池始终处于最佳充电状态；
图28逆变器
逆变器的作用是将光伏发电产生的直流电能通过该逆变器逆变转化为需要的交流电能，该逆变器的开关受可编程控制器输出的开关量控制。
该款逆变器具有逆变模块和升压模块两个部分，它可以将15伏的直流电逆变升压为市电。
并且具有节能、体积小、结构简单等优点。
图29继电器
该继电器采用铝合金材质相比于传统继电器具有体积小和重量轻的优点，可编程控制器通过它完成了弱电数字量对高电压输出快关量的控制。
并且有多个触点，可以一个继电器控制多路输出，安装方便即插即用方便更换，具有过电流保护延长了使用寿命，且灵敏度高提高了对开关量控制的效率。
图210测量仪表
测量仪表模块包含四个模块，直流检测模块主要是对直流负载的电压电流进行检测通过AB双绞线将所测的电压电流数据传导给可编程控制器；风力发电机电压电流检测模块是将风力发电产生的电压电流数据经过三相组合传给可编程控制器的；交流检测模块是对交流负载的电压电流进行检测；光伏检测模块是通过直流单相组合表对光伏发电的电压电流进行检测。
图211负载
负载分为两种，一种是交流负载用的是节能交流灯泡来替代，额定电压为市电；另一种是直流负载，使用的是节能直流风扇来替代。
他们都是生活中较为常见的负载使得设计更加贴近实际生活。
图212蓄电池
这里用额定电压为12伏特，电池容量为18安时的铅酸蓄电池作为对发电后产生的大的多余电能进行储存的储能装置，酸电池方便从生活获取较为常见。
2.3系统电气原理图分析
2.3.1管控中心接线图
图213管控中心接线图
如图2-13所示是管控中心接线图，包括了PLC及扩展模块，风光互补控制器，逆变器的电源连接。
2.3.2管控平台PLC外部接线
图214PLC外部接线图
如图2-14所示plc输出端子与相应的继电器的外部接线，其中Y2连接的是蓄电池的继电器，Y3连接的逆变器的继电器，然后依次是地面光伏、屋顶光伏、风机1、风机2、直流负载1、直流负载2、交流负载1、交流负载2
2.3.3测量仪表的接线
图215测量仪表的接线图
如图2-15所示是直流电压表、直流电流表、交流电压表、交流电流表、三相组合表、单相组合表等的接线图。
第3章控制系统程序设计
3.1手动功能程序设计
手动程序要求能通过力控组态软件在电脑上手动控制蓄电池，逆变器，地面电站、屋顶电站、风力发电1、风力发电2、直流负载1、直流负载2、交流负载1、交流负载2等相应继电器开关，以实现手动控制系统。
当程序上M20在力控组态上对应的转换开关选择手动时，可以然后打开相应的继电器，以实现对地面和屋顶光伏对直流负载供电，以及风力发电机1和风力发电机2对交流负载的供电，当风力发电产生直流发电不足时，可以打开逆变器将直流电逆变为交流电以实现对交流负载的供电。
图31手动程序流程图
3.1.1PLC输入输出设置
依据手动程序的控制要求，手动程序包括11个点的输入，10个点输出，输入点采用的是中间变量，当组态上相对应的输入开关量动作时，plc上相对应地址的继电器动作。
序号
功能
地址
序号
功能
地址
1
蓄电池开关
M0
7
直流负载1开关
M6
2
逆变器开关
M1
8
直流负载2开关
M7
3
地面电站开关
M2
9
交流负载1开关
M8
4
屋顶电站开关
M3
10
交流负载2快关
M9
5
风力发电1开关
M4
11
转换开关
M20
6
风力发电2开关
M5
表31PLC手动程序输入地址分配表
序号
功能
地址
序号
功能
地址
1
蓄电池开关
Y2
7
直流负载1开关
Y10
2
逆变器开关
Y3
8
直流负载2开关
Y11
3
地面电站开关
Y4
9
交流负载1开关
Y12
4
屋顶电站开关
Y5
10
交流负载2快关
Y13
5
风力发电1开关
Y6
6
风力发电2开关
Y7
表32PLC手动程序输出地址分配表
3.1.2手动程序梯形图
图32PLC手动程序梯形图
3.2通信程序设计与串口设置
3.2.1串口设置
PLC串口设置
1、点击工程栏[PLC配置]—[串口]，弹出串口设置对话框。
2、鼠标点击“串口1”“串口2”“串口3”可以对不同的串口进行设置；
3、通讯模式有“Modbus”和“自由格式”两种模式可选；
4、点击“读取PLC”获取PLC的默认通讯参数；
5、点击“写入PLC”将当前设置的参数写入到PLC中，PLC重新上电
图33环境平台通信参数配置
如图3-2所示将环境平台命名为串口2，通讯模式选择MODBUS通信，串口的波特率19200BPS，数据位为8为，停止位为1位，无奇偶校验。
图34自由口通信参数设置
如图3-3所示将环境平台命名为串口3，通讯模式选择自由格式通信，串口的波特率9600BPS，数据位为8为，停止位为1位，无奇偶校验。
3.2.2通信程序
图35通信程序流程图
图36通信程序梯形图
如图3-4所示PLC第一个脉冲指令的上升沿时，将整数0赋值到D80中去，然后每一百毫秒D80加1，当加到4时，D80再从1加起。
当D80=1时执行第一条指令，REGR多个寄存器读指令，K1远端通讯局号就是从机口单片机，K1远端寄存器首地址号从站的起始寄存器，K8寄存器首地址号要读的寄存器个数，D400本地寄存器首地址号本地接受寄存器的首地址，K2指定串口号本地的串口编号，从机指的是单片机，本地是指PLC。
这条指令的意思就是读单片机的以K10为起始寄存器的8个寄存器的模拟量数据存存到PLC的以D400为起点的8个寄存器中。
当D80=2时执行第二条指令，MRGW多个寄存器写指令K1远端通讯局号就是从机口指单片机，K101远端寄存器首地址号指从站的起始寄存器K3寄存器首地址号，D101本地寄存器首地址号本地接受寄存器的首地址，K2指定串口号指本地的串口编号，这里的从机指的是单片机，本地是指PLC。
这条指令的意思就是写入单片机的以K101为起始寄存器的3个寄存
当D80=3时执行第三条指令，MCLW是多个线圈写指令K1远端通讯局号就是从机口，K101远端寄存器首地址号指从站的起始寄存器K8寄存器首地址号即要读的寄存器个数，M101本地寄存器首地址号，本地接受寄存器的首地址，K2指定串口号本地的串口编号这里的从机指的是单片机，就是指PLC。
这条指令的意思就是写入单片机的以K101为起始寄存器的8个寄存器的数字量（此处数字量就是开关量，力控中也是数字量）数据存存到PLC的以M101为起点的8个寄存器中。
当D80=4时执行第四条指令。
REGR多个寄存器读指令，K1远端通讯局号就是从机口，K101远端寄存器首地址号从站的起始寄存器，K3寄存器首地址号要读的寄存器个数，D101本地寄存器首地址号本地接受寄存器的首地址，K2指定串口号本地的串口编号，这里的从机指的是单片机，本地自然就是指PLC了。
这条指令的意思就是读单片机的以K101为起始寄存器的3个寄存器的模拟量数据存存到PLC的以D101为起点的3个寄存器中。
类似的程序有四段，它们主要进行的是模拟量的采集与运算，详解如下：
在进行模拟量处理是首先要进行配置PLC，首先把模块正确接入PLC，plc进行识别，其次就是读数了：
Plc会把读的数存放在ID和QD寄存器中。
如果是模块读数：
第一模块：
ID100和QD100开始的第二模块：
ID200和QD200开始的；模拟量BD板是从ID1000和QD1000开始的知道模块读的数值并不是你传感器的测量值（0-10V或4-20毫安），其实这数值是一个大小在1到16383（16385）范围的一个数字量。
其实1-18383是plc的分辨率。
1.模拟量模块读取的数值并不是你传感器的测量值或者0-10V或者4-20mA，而是0-16383的数字量，自己做一下换算就好了，例如0-10V对应的是水位0-20米，那就是5V对应10米，同样，PLC识别的是16383/2的数值，PLC中反映出的情况是：
读取的数据是8191。
注意是没有小数点的，同样这个也是模块的精度，如果读取的是温度，-100到+200度，实际上-100对应的是模拟量0，+200度才是16383.并且这两种对应的都是0-10V或者0-5V或者0-20mA或者4-20mA等，例如0-10V的传感器对应0-1000000米，那精度肯定高不了，要是0-10V对应0-10米，就相当于把10米分成16383或4096份，这就是精度。
所以说要除以16385，就是将一个量分为16385份。
RCV是自由口通信模式下的接受数据指令，此程序的意思是将从串口3读到的数据存放在本地的D530寄存器中。
3.3捕捉能源最大点自动程序设计
为了实现对太阳能的最大利用，寻找到一天中太阳能发电的最大点太阳的位置，所以让灯光的摆臂模拟太阳的东升西落。
当在力控组态界面上将选择按钮选中自动，按下启动按钮，如果模拟太阳光的摆臂在西限位，摆臂将自动回到到东限位；软后摆臂将模拟太阳的东升西落从东边向西摆动，此时组态将记录数据。
当摆臂到达西限位时，此时完成了数据的第一次收集，摆臂将自动回到东限位再次由东到西摆动，当遇到发电能源的最大位置时将停下。
此时的位置就是光伏发电的最大位置。
图37自动程序流程图
图38自动功能程序a）
图39自动功能程序b）
序号
功能
地址
序号
功能
地址
1
蓄电池开关
M0
11
光源启动
M104
2
逆变器开关
M1
12
转换开关
M20
3
地面电站开关
M2
13
自动程序启动
M1001
4
屋顶电站开关
M3
14
光自动信号1
M1003
5
风力发电1开关
M4
15
光自动信号2
M1004
6
风力发电2开关
M5
16
光自动信号3
M1005
7
直流负载1开关
M6
17
摆杆启动
M101
8
直流负载2开关
M7
18
摆杆停止
M103
9
交流负载1开关
M8
19
风机启动
M107
10
交流负载2快关
M9
表33程序数字量地址分配表
序号
功能
地址
序号
功能
地址
1
光照强度
D10
7
交流电压
D22
2
温度
D12
8
交流电流
D24
3
湿度
D14
9
蓄电池电压
D530
4
风速
D16
10
风速调节
D101
5
直流电压
D18
11
光照强度调节
D102
6
直流电流
D20
表34程序模拟量地址分配表
第4章力控组态软件的设计
本章主要研究建立力控组态软件与外部的通信及组态界面的设计，本次设计使用监控组态软件ForceControlV6.1。
ForceControlV6.1是一个完全集成的工业控制软件产品，与以往的ForceControl相比更加灵活、更加可靠，在图形处理、通信机制方面有了全面的突破。
力控组态界面主要包括封面，主页，操作界面，曲线图，报表等界面，其中包括用户名及密码权限，直流电流电压，交流电流电压，环境的光照强度，温度，风速等模拟量的实时显示，对蓄电池，光伏电站，风力电站，交直流负载等继电器在力控界面的控制，以及对环境平台上的风速和光照等模拟量的控制。
4.1组态软件的简介
ForceControlV6.1是一个完全集成的工业控制软件产品，力控的每一个实际案例称作工程，工程包括数据库、I/O设备、人机界面、网络应用等组态和运行数据。
图41ForceControlV6.1快捷方式
双击快捷方式就会进入工程管理对话框，点击“新建”就会弹出“新建工程”对话框，输入名称、生成路径（工程项目存放的位置，要注意的是不同的工程存放在不同的路径下）、描述信息。
本工程实在1600×900下开发，所以在描述信息中可以输入1600×900，点击确定按钮，进行工程开发。
图42ForceControlV6.1工程管理
当工程建立完毕时，即可启动工程进行运行，在工程管理界面中运行项目，点击工程管理选项卡中的运行按钮进入运行界面。
4.2力控上位机与信捷PLC的MODBUS通讯设置
图43通信连线
上位机软件设置如下：
设备驱动根据通讯协议不同分为串口ASCII，串口RTU,TCP等三种协议。
根据您所使用的PLC、智能模块的通讯形式选择设备驱动，此处选标准MODBUS（RTU串行口），如图4-4所示。
图44力控串口配置
下图是设备组态用户界面：
图45设备配置a）
根据PLC或智能模块内部设置的地址填写“设备地址”，1#PLC对应地址1
1.更新周期：
是数据的多长时间刷新一次，设置的时间间隔越小相应的数据刷新的就会越快，但并不是越快越好因为时间间隔设置过短会导致有些数据没有上传成功的数据没能上传，终导致数据有些数据上传失败，这个时间间隔的设置还与具体生产环境有关，如通信线的通信速度和通信距离有关。
在这里我们设置为50ms。
2.超时时间：
在一定的时间间隔内，传输的数据一直没有上传过来，我们则将此次上传定义为一次超时。
这里我们把超时的时间设置为8s，此处要注意的是超时时间要大于更新时间，不然会发生没能来的更新数据就被判定为超时。
3.故障后恢复查询：
在一次通信失联时，系统会不断去搜索失联端的设备，当实在无法搜索到失联设备时，超过一定时间自动放弃查找失联设备的时间是最大时限，其中每隔多少时间查找一次的时间就为周期时间。
“动态优化”和“初始禁止”请在力控工程人员的指导下使用，否则请保持默认状态。
下图为串口通讯设置：
请根据PLC或智能模块的通讯说明设置（波特率，数据位，校验位，停止位。
）
图46设备配置b）
下图关于MODBUS协议通讯设置的第三步。
图47设备配置c）
32位数据的读取：
主要是解决如何解析32位整数、浮点数。
请根据你所使用的PLC或智能模块中32位数据类型上传的格式来选择相应的格式。
包的最大长度：
是指MODBUS中一条数据所读取的字节数，包的长度越长，一次读取的数据就越多，通讯效率就越快。
MODBUS协议中规定数据包最大长度不能超过255。
另外有些PLC对包长还有限制，请根据具体情况配置。
6号命令对应MODBUS协议06功能代码；预置寄存器地址从40000开始的数据——预制单个寄存器。
当你选择6号命令时，组点时下置数据时将使用6号命令。
16号命令对应MODBUS协议10功能代码；预置寄存器地址从40000开始的数据——预制多个寄存器。
当你选择16号命令时，组点时下置数据时候将使用16号命令。
PLC设置如下图4-8。
图48plc串口设置
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