1、 风光互补供电的 LED广告灯控制系统的设计 太阳能供电系统 系 部： 电子与通信工程系 学生姓名： 专业班级： 电子 10C1 学 号： 102211115 指导教师： 2012 年 10 月 30 日 声 明 本人所呈交的 风光互补供电的 LED 广告灯控制系统的设计 太阳能供电系统 ， 是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 【摘要】 风光互补供电的 LED广告灯控制系统的设计 太阳能供电系统
2、是一套模拟实际太阳能发电典型实例的装置 ,这套装置集机械、电气及电子、传感器、可编程控 制 (PLC)技术综合于一体。该装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构、摆杆、摆杆减速箱、摆杆支架、单相交流电动机、电容器、直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成。 文中分析了该系统总体方案设计、电路设计、 PLC 控制程序设计，详细阐述了以 PLC控制技术为基础的实现了太阳能到电能的转换的应用研究。 随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找可持续发展和 绿色能源问题是本世纪乃至以后人类面临的重大课题之一，开发全新能源
3、，对现有能源 的合理充分利用已经得到全世界科学家的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的环保清洁能源将得到史无前例的发展。随着太阳能技术开发和产业化进程的深化，它的性价比、效率将得到极大的提高 。所以本设计具有很高的可行性、实用性和节能环保价值。 【关键词】： PLC 风光互补 环保 太阳能 ABSTRACT Wind and solar-powered LED advertising lights control system designed - solar power system is a typical instance of a simulation of the act
4、ual solar power device, this device sets mechanical, electrical and electronics, sensors, programmable control (PLC)technology integrated in one. The device components by photovoltaic cells, projection lamps, light sensor, light sensor control box, the horizontal direction and pitch direction moving
5、 mechanism, pendulum, pendulum gear box, the pendulum bracket, single-phase AC motor capacitor, DC motor, proximity switches, micro switches, base stand and other equipment and devices. The analysis of the overall system design, circuit design, PLC control program design, elaborated based on PLC con
6、trol technology to achieve a solar to electrical energy conversion applications. With economic development, social progress, people asked the ever-increasing demands for energy, looking for green energy and sustainable development issues is a major issue facing humanity this century, the development
7、 of new energy, fully rational use of the existing energy has been the great attention of the Governments. Solar power as an inexhaustible, inexhaustible source of clean green energy will be an unprecedented development. With the deepening of the solar industrialization process and technology develo
8、pment, its efficiency, cost will be greatly improved. This design has a very high feasibility, practicality and energy-saving environmental value. 【 KEY WORD】 : PLC wind and solar environmental protection solar 目 录 绪论 . 1 （一）设计背景 . 1 （二）太阳能发展的现状与展望 . 1 （三）太阳能发电支持技术 . 1 （四）本课题研究的意义及主要内容 . 2 一、西门子 PLC
9、 概述 . 3 二、系统的关键技术 . 3 （ 一） PLC 控制技术 . 3 （二）太阳能发电技术 . 3 （三） DSP 技术 . 4 三、系统硬件 . 4 （一）系统总体架构及主电路电气原理图 . 4 （二）单元设计 . 5 （三） S7-200 CPU226 PLC I/O 接口 . 19 （四） S7-200 CPU226 PLC I/O 的外部接口 . 20 四、程序设计 . 21 （一）主程序 . 21 （二）指示灯子程序 . 25 （三）自动子程序 . 30 五、总结与展望 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 35 附录一 梯形图 . 36 - 1 - 绪论 （一）设计背
10、景 开发全新能源，对现有能源的合理充分利用已经得到全世界科学家的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的环保清洁能源将得到史无前例的发展。随着太阳能技术开发和产业 化进程的深化，它的性价比、效率将得到极大的提高 ，它在包括 BIPV在内的各个领域都将得到广泛的应用，也将 很 大地推动 和加速 中国 “绿色照明工程 “的快速发展。 （二）太阳能发展的现状与展望 20世纪 70年代中国太阳能光伏技术 才开始研究 ， 刚 开始时主要运用于空间技术， 之后 渐 渐 从空中转移 到地面并 成 了中国的光伏 发电 产业，已利用太阳能发电为中国内蒙古、甘肃、新疆、西藏、青海和四川等地共 20万无电户
11、解决了用 电 问题。目前，中国已 经 安装光伏电站约 10万千瓦，主要为 我国山区 居民 提 供电。 随着中国技术的发展，在 2006年， 中国 有三家企 业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上 太阳能光伏 的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力！ 太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型 太阳能电站 、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、 太阳能路灯 、 风光互补路灯 、风光互补供电系统等，现在主要的应用方式为建筑一体化和 风光互补系统 。 国际能
12、源组织对 太阳能 产业的发展前景进行预测，认为 2010-2020 年间太阳能 光伏发电 发展速度复合增长率达到 35%，预计 2020 年太阳能光伏发电量将达到 280TWh以上，占当年总发电量的 1， 2040年占总发电量的 20，未来太阳能产业的发展前景光明。 （三）太阳能发 电支持技术 太阳能发电核心器件就是光伏电池组件。 由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵列）。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由 P型和 N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 P-N结上时
13、， 一部分光子被硅材料吸收；光子的 能量传 送 了硅原子，使 其 电子发生了越迁，成为 了 自由电子在 P N结两侧 聚集 形成了 一定的 电位差， 若 外部 电路 接通 时， 那么 在 这个 电压 的作用下，就 会有 电流 通 过外部电路 并且 产生一定的输出功 率。这个过程的 本 质 就 是：光子能量转换成 电能 的过程。 - 2 - 图 1 光子能量转换 目前太阳能发电有两种方法。一种是将太阳能转换为热能 , 然后按常规方式发电 , 称为太阳能热发电。另一种是通过光电器件利用光伏原理将太阳能直接转换为电能 , 称为太阳能光伏发电。本设计采用太阳能光伏发电。 从太阳能获得 电力 ，需通过太
14、阳 能 电池进行光电 转 换来实现。它同以往其他发电原理完全不同，具有以下特点： 能源质量 较 高； 可在用电处发电； 人类 从 情感上更容易接受； 绝对 纯 净无公害； 获取能源 所用 时间 较 短； 不受 资源分布 地 理位置 的限制； 不用担心资源 枯竭危险。不足之处是： 获得的能源 要考虑昼夜，阴晴及 四季等气象条件； 假如 照射的能量分布密度 较 小， 那么就 要占用 更 大 得 面积。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。 （四）本课题研究的意义及主要内容 风光互补供电的 LED广告灯控制系统的设计 太阳能供电系统是由光伏供电装置和光伏供电系
15、统组成。其中光伏供电系统由光伏电源控制单元，光伏输出显示单元，光伏供电控制单元， DSP 控制单元，可编程控制器（ PLC），继电器组，蓄电池组等组成。 光伏电源控制单 元接通电源启动，所有的器件开始工作。光伏供电装置把太阳能转换成电能经过 DSP判断符合充电要求就接通继电器组对蓄电池组进行充电，如若不满足要求就断开继电器组，切断充电回路，阻止充电。 DSP控制单元是用来判断蓄电池组是否需要充电，若需要充电那么接通继电器，否则断开继电器。此单元主要是用来保护蓄电池组，防止蓄电池组出现过充或者过放现象的发生。在光伏供电系统工作的时候光伏输出显示单元会实时的显示光伏供电装置所发的电的电流及电压。其
16、中光伏供电控制单元和 PLC配合来控制太阳能电池板组件的方向以满足不同实验及研究的需要。 本课题主要研究内容如下： 1 风光互补供电的 LED广告灯控制系统的设计 太阳能供电系统 总体方案设计及 该系统 总体架构及功能设计。 - 3 - 2各单元的设计分析及 PLC控制程序设计，输入 /输出地址分配，程序流程图设计，程序梯形图设计。 3满足各功能要求。 一、西门子 PLC 概述 德国 西门子（ SIEMENS）公司生产的 可编程序控制器 在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（ SIEMENS）公司的 PLC产品包括 LOGO， S7-200，S7-300， S
17、7-400， 工业网络 ， HMI人机界面， 工 业软件 等。 由最初发展至今， S3、 S5系列 PLC已逐步退出市场，停止生产，而 S7系列 PLC发展成为了西门子自动化系统的控制核心，而 TDC 系统沿用 SIMADYN D技术内核，是对 S7系列产品的进一步升级，它是西门子自动化系统最尖端，功能最强的可编程控制器。 本设计采用西门子 S7-200系列的 PLC。 SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的 PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。 S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-
18、200PLC可提供4个不同的基本型号与 8种 CPU可供选择使用。 二、系统的关键技术 （一） PLC 控制技术 PLC 具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等到一系列优点，在工业生产过程自动控制领域得到了广泛应用。所以，掌握PLC 技术是改造传统生产工艺和设备的重要途径。西门子 S7-200 PLC 作为小型 PLC 系统中的佼佼者，在各种工程中等到了广泛应用。因此，配通过对 S7-200 的介绍，希望使学生掌握 PLC 的基本工作原理、硬件结构、指令、梯形图编程的基本方法，以及开发PLC 控制生产过程的基本方法，为自动化等到相关专业学生毕业后从事工业
19、生产过程自动化打下良好的基础 。 本论文利用西门子 S7 200PLC 作为核心控制器，利用其丰富的基本及功能指令来设计，从而实现对 风光互补供电的 LED广告灯控制系统的设计 太阳能供电系统 具体的控制要求。 通过使用编程软件，直接在 PC 机上用梯形图进行编程，然后调试修改，直至可以完成要求。 （二）太阳能发电技术 将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件 (阵列 ) 、控制器、蓄电池、逆变器 和用户负载等组- 4 - 成。其中 ,太阳能电池组件和蓄电池为电源系统 ,控制器和逆变器为控制保护系统 , 用户负载为系统终端。从目前
20、来看，薄膜电池虽有很好的发展潜质，但单晶硅与多晶硅电池仍是较长时间内的主流产品。太阳能光伏发电技术日新月异，企业转换率已达 17%，实验室转换率已达 24.7%，每年的平均增长速度超过 0.2%以上。 太阳能资源没有枯竭危险，且资源分布广泛，受地域限制小 ； 太阳能电池主要的材料 -硅，原料丰富；无机械转动部件，没有噪声，稳定性好 ； 维护保养简单，维护费用低；系统为组件，可在任何地方快速安装无污染，完全干净 （蓄电池除外）。 （三） DSP 技术 数字信号处理 (Digital Signal Processing，简称 DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。 20世纪
21、60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。 图 2 数字信号处理 DSP 是一种独特的微处理器，是以数字信号来 处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为 0 或 1 的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化
22、电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 三、系统硬件 （一）系统总体架构及主电路电气原理图 整个系统包括 光伏供电装置和光伏供电系统两大系统。光伏供电装置的功能是把太阳能转换为电能。光伏供电系统的功能是 控制太阳能电池组件的运动及处理经太阳能电池组件提供的电能以及其他的一些系统功能要求。流程图如下图 3。 - 5 - 图 3 系统框图 光伏供电由光伏供电装置和光伏供电系统完成，光伏供电主电路电气原理如图 4 所示。 继电器 KA1 和继电器 KA2 将单相 AC220V 通过接插座提供给摆杆偏转电动机，电动机旋转时，安装在摆杆上的投射灯由东向西
23、方向或由西向东方向移动。摆杆偏转电动机是单相交流电动机，正、反转由继电器 KA1 和继电器 KA2 分别完成。 图 4 光伏供电主电路电气原理图 继电器 KA7 和继 电器 KA8 将单相 AC220V 通过接插座 分别提供给投射灯 1 和投射 2。 光伏电池方阵分别向东偏转或向西偏转是由水平运动直流电动机控制，正、反转由继电器 KA3 和继电器 KA4 通过接插座向直流电动机提供不同极性的直流 24V 电源，实现直流电动机的正、反转。光伏电池方阵分别向北偏转或向南偏转是由另俯仰运动直流电动机控制，正、反转由继电器 KA5 和继电器 KA6 完成。 直流 12V 开关电源是提供给光线传感器控制盒中的继电器线圈使用。继电器 KA1 至继电器 KA8 的线圈使用 +24V 电源。 （二）单元设计 1 光伏供电装置 太阳能 电能 蓄电池 太阳能板 DSP控制器
