AbstractThispaperintroducesthedesignprocessofsolarstreetlampcontrolsystembasedonSiemensPLC.Throughtheresearchontheapplicationofsolarstreetlampsinurbanroadsinsociety,andthroughreadingtheliteraturetoobtaintheresearchstatusandtrendsofsolarstreetlamps,itisknownthatthetraditionalsolarstreetlampsystemisvulnerabletotheinfluenceoftheexternalenvironment,thesolarpowersupplyisnotstable,andtheindependentoperationofstreetlampsisdifficulttomanage.Inviewoftheaboveproblems,thispapertakestheoptimizationschemeforthesolarstreetlampcontroltoeffectivelysolvethepracticalproblems.Inthispaper,thesystemcompositionandmainequipmentareintroduced,andtheproblemsexistinginthetraditionalcontrolsystemareexplained.Inthedesign,thelightsensormoduleisconnectedtothePLCterminal,andthePLCprogramcontrolschemeisusedtocontrolthelightsensorofthestreetlamp,soastorealizethefunctionofautomaticlightonandoff;thedualpowersupplycomplementarydesignofthemunicipalpowersupplyandthesolarbatteryisusedtoprovidethecontinuousandreliablepowersupplyforthestreetlamp;thePLCcontrollerisusedtocarryoutone-to-manycentralizedcontrolforthestreetlamp.Inaddition,thispaperdiscussesthecomponentselection,selectstheequipmentwithappropriatecapacitybycalculatingthecapacitymatchingofload,solarcellandbattery,andcomparesthisdesignwithothersystemschemesandequipmentselection,andfurtheranalyzesthebenefitofthesystem.Theresultsshowthatthedesigncanmeettheexpectations,solvetheexistingproblems,andhasacertainpracticalandeconomicsignificance.Keywords:PLC;Dualpowersupply;Solarenergy;Battery目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1課題研究的背景和意義 11.1.1課題研究的背景 11.1.2課題研究的意義 21.2國內(nèi)外相關(guān)發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 21.2.1光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和前景 21.2.2太陽能路燈發(fā)展現(xiàn)狀和研究動向 31.3本設(shè)計研究內(nèi)容、特色和創(chuàng)新之處 41.3.1本設(shè)計的研究內(nèi)容 41.3.2本設(shè)計特色和創(chuàng)新之處 5第二章系統(tǒng)的主要設(shè)備及選型 62.1系統(tǒng)的組件分析 62.2主要設(shè)備介紹 72.2.1太陽能電池的基本知識 72.2.2蓄電池的基本知識 82.2.3PLC的基本知識 92.3主要設(shè)備的選型 102.3.1負(fù)載選型 102.3.2蓄電池容量選型 122.3.3太陽能電池的選型 122.4本章小結(jié) 13第三章基于西門子PLC的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計 143.1光感控制及傳感器接入PLC設(shè)計 143.1.1光感傳感器模塊 143.1.2傳感器接入PLC 153.1.3PLC程序控制 163.2雙電源互補方案設(shè)計 173.2.1蓄電池供電方面 183.2.2市電供電方面 193.3路燈的集中控制 193.3.1PLC的IO擴(kuò)展 203.3.2PLC輸出控制負(fù)載 203.4本章小結(jié) 21第四章效益分析 22結(jié)論 24參考文獻(xiàn) 25附錄 26致謝 27 第一章緒論 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章緒論1.1課題研究的背景和意義1.1.1課題研究的背景能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展一直都是人類最關(guān)注的重大問題之一，但自進(jìn)入20世紀(jì)以來，全球經(jīng)濟(jì)快速增長所帶來的能源消耗達(dá)到了前所未有的程度[1-2]。人類大肆地開采以及過量使用傳統(tǒng)的化石能源，所帶來的影響不僅僅是能源供應(yīng)不足，更重要的是會帶來生態(tài)環(huán)境等一系列問題，如：生態(tài)污染破壞、全球變暖等。按照國際能源機(jī)構(gòu)的預(yù)判，大約在2050年的時候，全世界對于石油的開釆量會減少30%。到2080年，世界石油開釆總量僅為目前的50%，煤炭開釆量將減少近40%[3-4]。為了人與自然的友好和諧相處，為了可以持續(xù)性地發(fā)展，燃眉之急就是需要改變我們國家甚至是全世界能源使用的結(jié)構(gòu)！大力發(fā)展以及使用可再生能源是我國乃至世界緩解能源緊張和保護(hù)我們賴以生存的地球的重要措施。太陽能作為可再生能源的重要組成部分之一，具有取之不盡、用之不竭、綠色清潔、無地域限制等特點，將成為21世紀(jì)最受矚目的替代能源[5-7]。恰恰是清潔能源——太陽能擁有著眾多的優(yōu)勢，才引起了世界上各個國家爭先恐后地開發(fā)和利用，進(jìn)一步導(dǎo)致太陽能的快速發(fā)展和應(yīng)用。太陽能的主要應(yīng)用有兩個方面，就是光能和熱能，光能應(yīng)用主要是通過晶體硅材料的電池板吸收光能，通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，這就是光伏發(fā)電的原理。光伏發(fā)電的優(yōu)勢有：靈活就地使用、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)方便等。其中光伏發(fā)電為照明路燈供電作為光能利用的一個主要途徑，近年來得到越來越多的重視和發(fā)展，受到了可再生能源行業(yè)以及路燈照明行業(yè)的追捧。目前，我國用于照明消耗約占整個電力消耗的20%。節(jié)約能源的重大舉措就是節(jié)約照明能源，LED作為照明負(fù)載，是一種新型的技術(shù)，被寄予厚望，更是被譽為第四代光源，有人提出大功率的LED負(fù)載將會成為未來最有價值的光源，可見人們對它的應(yīng)用和發(fā)展抱寄予厚望。據(jù)悉，由于太陽能電池的材料是晶體硅，與LED均屬于半導(dǎo)體的元器件，所以兩者擁有著類似的電氣特性，如電壓、電流等，并且他們均為綠色無污染器件。LED照明以成為21世紀(jì)照明領(lǐng)域的一種趨勢，系列照明燈具具有的優(yōu)點有：使用壽命長，產(chǎn)品質(zhì)量可靠、發(fā)光效率高、節(jié)能、綠色環(huán)保、安全性能高、發(fā)光響應(yīng)時間短、顯色性良好，發(fā)光具有單向性等[8-11]。人們大膽設(shè)想，能否將光伏發(fā)電與LED負(fù)載結(jié)合起來應(yīng)用于路燈照明上？太陽能LED路燈照明的理念一經(jīng)提出便引起國內(nèi)外的高度關(guān)注，在光伏發(fā)電以及LED領(lǐng)域的不斷努力下，現(xiàn)在太陽能LED路燈照明已經(jīng)逐步成為一項隨處可見的高新技術(shù)產(chǎn)品。得益于我國大力發(fā)展光伏發(fā)電以及照明工程，太陽能LED路燈照明技術(shù)現(xiàn)在得到了快速的創(chuàng)新和進(jìn)步，已經(jīng)成為冉冉上升的朝陽產(chǎn)業(yè)。1.1.2課題研究的意義節(jié)能、環(huán)保是時代潮流，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，照明用電占我國用電量的20%，所以改善照明能源結(jié)構(gòu)，尋找、利用清潔能源為照明供電非常必要。如今，在太陽能路燈急速發(fā)展以及國家大力號召要節(jié)約能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的背景下，我們在生活中能夠經(jīng)?？吹教柲苈窡舻纳碛?。但是通過調(diào)研太陽能路燈的應(yīng)用情況后發(fā)現(xiàn)，目前太陽能路燈的應(yīng)用僅僅局限于農(nóng)村、小區(qū)等照明要求不高的地點，在大城市的市政道路上，太陽能路燈的身影出現(xiàn)較少，是因為太陽能路燈目前在市政道路上的應(yīng)用仍然存在問題。其一是因為太陽能電池日發(fā)電量受天氣因素制約比較大，在不同季節(jié)不同天氣的發(fā)電量也會有很大的差異，而且市政道路照明要求較高，要達(dá)到傳統(tǒng)路燈的亮度，需要使用50-100W功率的LED燈，道路上成千上萬的路燈，耗電量巨大。假設(shè)太陽能路燈僅僅利用光伏發(fā)電提供電能，無法滿足路燈大功率LED負(fù)載用電量，況且要考慮極端天氣若干天無陽光天氣，要保證路燈正常工作，則需選取大容量的蓄電池以及太陽能發(fā)電板，這無疑增加巨額成本和安裝維護(hù)難度；其二是因為太陽光照射到太陽能板通過光電效應(yīng)上能轉(zhuǎn)化成電壓，傳統(tǒng)太陽能路燈通過控制器檢測電壓的大小判斷光照強度進(jìn)而判斷是否打開或關(guān)閉燈光實現(xiàn)光感控制路燈亮滅。但是光感控制器容易受到人文社會活動光線以及其它環(huán)境光線的干擾。在現(xiàn)代城市中，到了晚上往往還是“不夜城”。晚上當(dāng)路燈開啟后，由于各種彩燈、廣告燈、裝飾燈、射燈的烘托照耀下，對太陽能路燈光感控制器產(chǎn)生干擾，容易產(chǎn)生誤動作，所以此干擾對控制器的設(shè)計要求更高，對功能實現(xiàn)的條件更加苛刻，則加大控制器生產(chǎn)成本，所以改善此類問題成了太陽能路燈研究的動向。1.2國內(nèi)外相關(guān)發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望1.2.1光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和前景光伏發(fā)電技術(shù)被人類應(yīng)用的時間要追溯到上世紀(jì)的五十年代，但當(dāng)時僅僅是為太空設(shè)備供電，后來由于十分昂貴的價格以及很低的電池轉(zhuǎn)換效率，性價比較低而沒有廣泛發(fā)展使用。光伏發(fā)電在大范圍內(nèi)得到重視是七十年代后，尤其在非洲、澳洲以及亞洲的國家。光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展要建立在電池轉(zhuǎn)換效率的提高，近年來，光伏發(fā)電技術(shù)越來越成熟，得益于太陽能電池和相關(guān)器件的科技進(jìn)步。初步應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的離網(wǎng)就地供電、通訊、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域，后逐步發(fā)展為城市并網(wǎng)以及光伏電站等，為全球電力供應(yīng)作出巨大付出。為了鼓勵和推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多國家和地區(qū)紛紛制定了一系列鼓勵光伏發(fā)電應(yīng)用政策[12]。如美國為了緩解建筑物用電負(fù)荷，在1996年開始了“光伏建筑物計劃”，開始探索未來清潔能源。為了進(jìn)一步探索以及發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，于2010開始實行“千萬屋頂計劃”。又如日本早在1974年，為了改變國家能源結(jié)構(gòu)，開始實施“陽光計劃”，旨在利用光伏發(fā)電成為國家的主要能源。不僅如此，日本對太陽能的研究和實施未曾停止，在2008年的時候，再實施一項“太陽能發(fā)電普及行動計劃”，而本計劃目標(biāo)中，居民用電中光伏發(fā)電量占比50%，所有電力消耗中光伏發(fā)電占比10%。再者，德國1990年提出“一千個太陽能屋頂計劃”，旨在探索清潔能源的發(fā)展與利用；1999年更是實施了一項“十萬太陽能屋頂計劃”，目的是進(jìn)一步推動光伏發(fā)電；并且在2000年再創(chuàng)佳舉，頒布法律——“可再生能源法”。我國在1958年就開始了對光伏發(fā)電系統(tǒng)的探索，歷經(jīng)10余年，最終在1971年應(yīng)用人造衛(wèi)星“東方紅二號”。到了1973年，我國對光伏發(fā)電的探索實現(xiàn)落地，應(yīng)用于天津港航標(biāo)燈的供電。2000年，“送電到鄉(xiāng)”的工程得益于光伏的發(fā)展和政府政策支持，進(jìn)一步推動我國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國在2006年正式實施《中華人民共和國可再生能源法》，在2008年發(fā)改委更是發(fā)布了《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》，這些政策都將進(jìn)一步促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。至2011年，我國成為世界上第三大光伏市場，意味著中國光伏發(fā)展翻開了新的篇章。1.2.2太陽能路燈發(fā)展現(xiàn)狀和研究動向近年來，太陽能路燈得到了快速的發(fā)展，目的很明顯，就是為了減少路燈的能源消耗以及更好地保障行人的安全。根據(jù)2015年數(shù)據(jù)顯示，全球各個地區(qū)在太陽能路燈產(chǎn)業(yè)中的占比為：亞太地區(qū)最多，占46%，歐洲中東和非洲地區(qū)占30%，美洲地區(qū)占23%。太陽能路燈市場在亞太地區(qū)中占比最大，這主要得益于印度政府和中國政府采取的政策刺激促使其銷量增長。太陽能路燈的安裝能夠最大限度的發(fā)揮其節(jié)能的作用，偏遠(yuǎn)山區(qū)在安裝了太陽能路燈后，即使在天黑后，在不需要電網(wǎng)的情況下路燈仍然可以正常運作，可以提高當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钏?。因為以上種種原因，在亞太地區(qū)超過1000個村莊申請安裝太陽能路燈。目前，包括印度、中國和非洲等國家的村莊都一一從傳統(tǒng)路燈向太陽能路燈邁進(jìn)。歐洲是太陽能照明市場第二大貢獻(xiàn)者。在英國，照明路燈的能源消耗占了總能量消耗的40％，英國政府當(dāng)局將太陽能和LED燈相結(jié)合，以減少政府的長期支出。英國所作的此舉動，不僅有利于降低環(huán)境中CO2排放，還能節(jié)省資源成本。目前飛利浦已經(jīng)推出了一款太陽能路燈產(chǎn)品，利用節(jié)能路燈照明系統(tǒng)，更加有力地去轉(zhuǎn)變原有的傳統(tǒng)照明，根據(jù)地理優(yōu)勢，歐洲南部和中東陽光十分充足，其中埃及政府關(guān)注到太陽能路燈的發(fā)展，現(xiàn)在正逐步替代傳統(tǒng)照明，使用太陽能路燈，以減少國家電網(wǎng)的負(fù)載。非洲的許多地方至今仍然十分依賴傳統(tǒng)照明。但是近年來網(wǎng)絡(luò)科技的發(fā)達(dá)，許多地方實際性了解到太陽能路燈的方便與實用，這些地區(qū)的大部分城市都已安裝了太陽能路燈照明系統(tǒng)，有利于改善城市和農(nóng)村人口的社會經(jīng)濟(jì)條件。最近這幾年，因為科技技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能得到越來越多國家的重視與重用，在美國日本等發(fā)達(dá)的國家乃至全世界都得到了廣泛的重視與應(yīng)用，其發(fā)展技術(shù)已經(jīng)越發(fā)成熟。雖說我們國家對太陽能路燈的研究還處于初步階段，但是隨著國家和國民環(huán)保意識的提高以及國家現(xiàn)代化建設(shè)需求，目前我們國家正在積極研究和大力發(fā)展太陽能路燈照明系統(tǒng)以及光伏發(fā)電系統(tǒng)。最初我們國家的太陽能路燈系統(tǒng)僅僅應(yīng)用在農(nóng)村、小區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)，能夠滿足這些照明要求不高的地區(qū)的一般需求?，F(xiàn)在太陽能路燈已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀冋彰鞯幕灸芰縼碓矗鸩较虺鞘写胃傻郎踔梁踔鞲傻肋~進(jìn)。在如此利好環(huán)境以及發(fā)展風(fēng)口下，對太陽能路燈進(jìn)行研究的廠家、團(tuán)隊甚至個人越來越多。有對雙電源充電控制器的研究，控制器理念是采用新型的電容降壓恒電流充電方式給蓄電池組充電，當(dāng)控制器檢測蓄電池兩端的電壓低于額定電壓的時，且檢測到太陽能板輸出電壓低，無法為蓄電池充電時，投入市電為蓄電池充電；也有為太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計自動追蹤系統(tǒng)的，自動追蹤系統(tǒng)多選用發(fā)條或者電機(jī)作為轉(zhuǎn)動裝置，使太陽能電池板始終跟蹤太陽的運動軌跡，提高陽光利用率，最大限度利用太陽能資源；其次有對蓄電池進(jìn)行防過沖過放設(shè)計的控制器，通過監(jiān)測蓄電池的電壓進(jìn)行斷開充電或放電，更好地保護(hù)核心設(shè)備組件；當(dāng)然對超級電容器的研究也是其中一個，由于太陽能白天發(fā)電，路燈夜間用電，所以對蓄電的研究必不可少。目前超級電容器的技術(shù)成熟，已經(jīng)應(yīng)用城市電動公交車，相信很快能應(yīng)用于光伏領(lǐng)域。正是有了以上的研究作為主要參考，才使得本設(shè)計的方向更加明確。1.3本設(shè)計研究內(nèi)容、特色和創(chuàng)新之處1.3.1本設(shè)計的研究內(nèi)容針對上述太陽能路燈存在的問題，本設(shè)計提出雙電源互補供電的方案，太陽能作為供電第一能源，白天為蓄電池充電蓄能，晚上蓄電池為負(fù)載供電，在陽光強度過低無法為蓄電池充電且蓄電池端電壓過低無法為負(fù)載供電時，將開啟后備能源——市電為路燈負(fù)載供電，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。該方案的優(yōu)點在于在盡可能使用清潔能源的前提下，設(shè)備選型上減少了太陽能發(fā)電板和蓄電池的容量，從而可以降低整個系統(tǒng)的成本。其次使用光感傳感器接入PLC結(jié)合PLC程序在終端實現(xiàn)對路燈的光感控制，避免光感傳感器安裝在城市道路上受其它光線的影響。此外還利用PLC控制器對路燈系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，使系統(tǒng)更為簡單、易于管理及運維，具有現(xiàn)實和經(jīng)濟(jì)意義，具體研究內(nèi)容：（1）了解系統(tǒng)中各設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，通過容量計算選取合適的設(shè)備（如：負(fù)載、蓄電池、太陽能電池）等；（2）根據(jù)系統(tǒng)的光感控制要求，進(jìn)行光感模塊接入的方案的設(shè)計以及PLC控制程序的編寫；（3）了解電源切換原理，設(shè)計雙電源自動切換供電方案；（4）了解PLC控制原理，設(shè)計對若干路燈負(fù)載集中控制的方案；（5）調(diào)研廣州地區(qū)的氣象信息，得到當(dāng)?shù)厝昶骄照招r數(shù)；（6）系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析；1.3.2本設(shè)計特色和創(chuàng)新之處（1）PLC對路燈系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，保證整體的統(tǒng)一性，便于管理與維護(hù)；（2）傳感器接入PLC在終端實現(xiàn)對路燈進(jìn)行光感控制，結(jié)合PLC程序，避免控制器在路燈處受環(huán)境光線的影響；（3）市電、太陽能互補的供電方式一方面節(jié)能、環(huán)保，節(jié)省市電用量，另一方面保證系統(tǒng)穩(wěn)定性；第二章系統(tǒng)的主要設(shè)備及選型第二章系統(tǒng)的主要設(shè)備及選型2.1系統(tǒng)的組件分析本設(shè)計太陽能路燈系統(tǒng)主要設(shè)備有：PLC控制器、光伏組件、市電、蓄電池、LED負(fù)載、燈桿、電纜以及等，如圖2-1。圖2-1太陽能路燈系統(tǒng)組件PLC可編程控制器是系統(tǒng)控制的中央。作為系統(tǒng)的大腦，本身具有很強的穩(wěn)定性以及抗干擾能力，作用是在終端把傳感器、供電系統(tǒng)以及負(fù)載連接起來，接收傳感器輸入的信號，經(jīng)過程序處理、功能控制后進(jìn)一步輸出指令控制負(fù)載。太陽能電池是本系統(tǒng)的主要電能來源，其主要作用是在有光照的時間段通過光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，并通過蓄電池存儲，在無光照的時候為路燈負(fù)載供電；市電作為第二能源供應(yīng)，當(dāng)蓄電池電量不足維持負(fù)載工作且光照不足太陽能電池?zé)o法轉(zhuǎn)化電能的時候，切換到市電為負(fù)載供電。蓄電池是本次設(shè)計系統(tǒng)中儲存能量的裝置，其作用是在白天的時候可以把太陽能電池發(fā)出的的電能儲存起來，到夜間，蓄電池通過化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸送給負(fù)載使其發(fā)亮。此外，由于容易受天氣環(huán)境影響，太陽能電池工作時輸出的電壓極不穩(wěn)定，故蓄電池還起到穩(wěn)定電壓、保護(hù)負(fù)載的作用，其技術(shù)特性的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)工作效率以及可靠性。其容量的選取取決于負(fù)載耗電量、日照時間等影響。LED燈是照明系統(tǒng)的負(fù)載，按照目前道路照明標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取即可。燈桿、外殼以及連接件主要功能是保護(hù)和支持整個系統(tǒng)，需要根據(jù)機(jī)械性要求合理選擇。線纜主要功能是組件之間的電氣連接，選型要考慮載流量，選擇符合的線徑。2.2主要設(shè)備介紹2.2.1太陽能電池的基本知識在太陽能電池結(jié)兩側(cè)引出電極，接入負(fù)載，則在該電勢差的作用下，外電路將有光生電流流過，從而獲得一定的功率輸出，這種能量轉(zhuǎn)換與傳遞的過程就是太陽能電池發(fā)電基本的原理[13]其中，在太陽能發(fā)電組件中，晶體硅（包括單晶硅和多晶硅）占領(lǐng)份額最大，大約占領(lǐng)光伏發(fā)電組件市場的90%，其使用壽命可達(dá)25年。兩者的區(qū)別是：單晶硅外表呈現(xiàn)黑色，由于材料采用高純度硅，故相比多晶硅發(fā)電效率要高，大概在17%左右，但是造價更加昂貴；多晶硅外表呈現(xiàn)藍(lán)色，材料為單質(zhì)硅的一種形態(tài)，發(fā)電效率雖比單晶硅少大約2%，但由于較低的造價，以性價比的優(yōu)勢占領(lǐng)市場份額多于單晶硅。下面介紹晶體硅主要的技術(shù)參數(shù)：1、最大輸出功率太陽能電池的一個重要的特性——伏安特性表示的就是在不同的負(fù)載阻值情況下，太陽能電池的工作電壓和電流的關(guān)系。實驗表明，太陽能電池在工作中選取負(fù)載阻值最為合適的時候，其輸出電壓和電流乘積最大，即輸出功率最大。2、短路電流將太陽能電池置于一定的工作條件下，令其輸出端短路，此時測量回路中的電流值稱之為短路電流，即最大電流。3、開路電壓將太陽能電池置于一定的工作條件下，令其輸出端開路，此時測量回路中兩端的電壓值稱之為開路電壓，即最大電壓。4、填充因子填充因子表示的是太陽能電池最大輸出功率與開路電壓短路電流乘積的比值，故其數(shù)值永遠(yuǎn)略少于1。填充因子的值越接近于1，反映的是太陽能電池的性能越高，是其一個重要指標(biāo)。5、轉(zhuǎn)換效率太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是一個重要的參數(shù)，它能反映電池的質(zhì)量以及技術(shù)水平。它所表示的是太陽能電池工作時的輸出功率與入射到太陽能電池的能量的比值，所以電池本身的結(jié)構(gòu)、材料等等都會影響其轉(zhuǎn)換效率。2.2.2蓄電池的基本知識蓄電池在太陽能路燈系統(tǒng)中是最主要的部分，其功能除了可以儲存能量，夜間為路燈負(fù)載供電，其電容性對電路還具有穩(wěn)定點壓、過濾諧波等等功能。因此，我們需要為路燈系統(tǒng)選取可靠的蓄電池。蓄電池主要由三部分：正極、負(fù)極和電解液構(gòu)成。本次設(shè)計選用閥控式鉛酸蓄電池作為系統(tǒng)儲能設(shè)備，以此為例，當(dāng)蓄電池在正常使用狀態(tài)的時候，在電池的正負(fù)兩極均可以發(fā)生可逆反應(yīng)，即每當(dāng)蓄電池用電直到放電完全，通過充電的方式就可以使電池正負(fù)兩極恢復(fù)電壓，從而達(dá)到再次使用的效果。所以，反復(fù)充放電、反復(fù)使用是蓄電池最重要的特征。其主要技術(shù)參數(shù)有：容量C：一般指的是額定容量。將蓄電池充電直滿額，然后向外輸送電能進(jìn)行放電，直至到蓄電池兩端電壓小于一定時，無法再向外放電，我們將此過程放出的電量稱之為蓄電池容量。電壓V：蓄電池的電壓參數(shù)主要有充電電壓和放電終止電壓兩種。充電電壓又分為快充電壓、緩充電壓和涓流電壓?？斐潆妷菏侵感铍姵靥幱陔娏窟^低，需要補充電能的充電電壓；緩沖電壓是指蓄電池具有一定足夠的電量，需要緩沖直至電量滿額；涓流電壓是指蓄電池充電完全后，利用微小電流彌補電池自然放電。放電終止電壓指的就是蓄電池向外界提供電能直到兩端電壓無法再向外輸出電量的電壓值。放電率：蓄電池放電率參數(shù)有電流率和時間率，我們在一般在實際討論中以電流率作為依據(jù)。電流率指的是電池放電時的電流與額定容量的比值，即說明：電池放電電流越大，使用時間越短。蓄電池壽命的重要性及其影響因素：在整個路燈系統(tǒng)中，因為太陽能電池和LED燈等主要器件的使用壽命都相對較長，所以在此系統(tǒng)中，蓄電池的使用壽命將最大限度決定整個路燈系統(tǒng)的壽命，因此盡可能延長蓄電池在路燈系統(tǒng)中的使用壽命是我們最為主要的任務(wù)。對蓄電池壽命造成影響因素有：過充過放：影響蓄電池壽命最大的原因是電池的過量充放。過量充電會影響電池的正負(fù)兩極板活性物質(zhì)，導(dǎo)致板柵被腐蝕，電池水的損耗倍增，從而使蓄電池的壽命被動減少。除了過量充電，放電過量也是影響電池壽命的重要因素。其中最為致命的是深度放電，若是電池一直深度放電，會導(dǎo)致電池的陰極硫酸鹽化，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，使得蓄電池的放電性能變差，最終降低了蓄電池的使用壽命。溫度：無論是溫度過高還是過低，對電池的使用壽命都是致命的打擊。當(dāng)蓄電池所處的環(huán)境溫度下降時，蓄電池的放電速率將會又所下降，使得電池的容量較低于之前；當(dāng)蓄電池所處的環(huán)境溫度上升時，電池的放電速率又回上升，此時電池的容量會高于之前的恒定容量。相對于低溫環(huán)境，高溫環(huán)境下工作的電池會讓蓄電池的內(nèi)阻減少，以至于電池嚴(yán)重失水，加劇了兩極板活性物質(zhì)減少，陰極硫酸鹽化，板柵被腐蝕程度，最后導(dǎo)致蓄電池壽命縮短?？偠灾?，蓄電池在所處環(huán)境溫度過高或是過低都將直接影響蓄電池的壽命，大大減少了蓄電池的使用壽命。2.2.3PLC的基本知識PLC（ProgrammableLogicController），我們又習(xí)慣稱之為可編程邏輯控制器。它的主要作用是編程和存儲數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行命令來實現(xiàn)對設(shè)備的控制，可以實現(xiàn)邏輯、定時、計數(shù)等控制。近代的PLC由于結(jié)合了計算機(jī)技術(shù)，功能更加的強大，逐步成為工業(yè)控制中的主角?？删幊炭刂破鲗嵸|(zhì)上就是一種用于工業(yè)控制的微型的計算機(jī)，它的硬件組成和一臺常規(guī)計算機(jī)類似，基本構(gòu)成為:中央處理器(CPU)CPU是可編程邏輯控制器的控制大腦。其主要功能接收程序和數(shù)據(jù)、檢查系統(tǒng)的電源、存儲器、I/O接口以及定時器實時情況，并且編譯用戶程序并判斷程序中出現(xiàn)的錯誤。此外，對于大型可編程邏輯控制器來說，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性，一般會采用兩個甚至多個CPU的模式，即便有一個CPU故障退出運行，也不會影響系統(tǒng)正常工作。二、電源電源是可編程控制器系統(tǒng)能夠正常運行的必須條件，制作商一直把電源作為重要角色對待。正因如此，現(xiàn)如今的PLC系統(tǒng)的電源已經(jīng)非常穩(wěn)定可靠，在電壓波動允許范圍內(nèi)的電網(wǎng)可以直接連接PLC系統(tǒng)，無需額外采取保護(hù)措施。三、接口電路接口電路分為輸出和輸入兩種。其中輸入電路的功能是將可編程控制器與用戶的操作進(jìn)行連接；而輸出接口電路主要由數(shù)據(jù)的寄存器、選通電路和中斷請求電路匯集而成，可以實現(xiàn)信號的輸出對設(shè)備進(jìn)行控制。四、存儲器存儲器面向兩個對象——系統(tǒng)和用戶。其作用是存儲系統(tǒng)中的系統(tǒng)軟件以及用戶端的應(yīng)用軟件。此外，可編程控制器還具有一些功能模塊，例如：實現(xiàn)計數(shù)的計數(shù)模塊、實現(xiàn)定位的定位模塊以及與外界實現(xiàn)通訊的通訊模塊等等。可編程控制器是繼電器發(fā)展的產(chǎn)物。開關(guān)量的邏輯控制是最初的PLC僅有的功能，近年來，其功能不斷強大，這都得益于PLC技術(shù)的提升和快速發(fā)展。現(xiàn)代的PLC不僅可以實現(xiàn)數(shù)字量和模擬量的控制，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)通訊等功能?，F(xiàn)在的PLC已經(jīng)逐步成為成為工業(yè)控制家族中一個不可或缺的重要角色。PLC的快速發(fā)展與廣大應(yīng)用并非偶然，一方面是工業(yè)自動化客觀的需要，另一方面PLC具有適用工業(yè)控制的眾多優(yōu)點，其主要特點如下：(1)強大的抗干擾能力，較強的可靠性；(2)簡單、容易掌握的編程，調(diào)試系統(tǒng)的周期較短；(3)安裝比較簡單，維修比較方便；(4)系統(tǒng)的整體模塊化，有體積小，重量輕的優(yōu)點；(5)具有充足的IO接口模塊，能夠根據(jù)需求擴(kuò)展。美國數(shù)字設(shè)備（DEC）公司早在1969年的時候就研制了PLC，這是到目前為止被世界所公認(rèn)首臺PLC。受到當(dāng)時設(shè)備的水平以及計算機(jī)發(fā)展，當(dāng)時研制的PLC的組成僅僅由分立元器件和較小的集成電路，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有限。一直到了20世紀(jì)70年代，可編程控制器全面融入計算機(jī)技術(shù)，致使功能大增。到了20世紀(jì)末，可編程控制器不僅發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)，還誕生了許多功能模塊，如：壓力、溫度等等，更強大的是發(fā)展了通訊模塊和人機(jī)界面，總而言之，如今可編程控制器的發(fā)展方向迎合了現(xiàn)代工業(yè)的種種需求。2.3主要設(shè)備的選型2.3.1負(fù)載選型由于本設(shè)計路燈負(fù)載匹配太陽能發(fā)電，故采用負(fù)載為直流LED燈。LED作為照明負(fù)載，是一種新型的技術(shù)，被寄予厚望，更是被譽為第四代光源，有人提出大功率的LED負(fù)載將會成為未來最有價值的光源。路燈負(fù)載作為系統(tǒng)最主要的耗電組件，在滿足需要的前提下，合理的選型能夠使系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)性以及減少組件安裝運維成本。本次設(shè)計的基于PLC路燈控制系統(tǒng)應(yīng)用于城市道路照明（以廣州市為例）。我們國家目前的城市照明路燈主要是采用高壓鈉燈或者金屬鹵化物燈等等，根據(jù)《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，道路照明的評價主要是以路面平均亮度（或路面平均照度）、均與度、弦光和誘導(dǎo)性等。由于其他參數(shù)計算的復(fù)雜性，在一般實際工程中我們只考慮平均照度的計算，道路的平均照度是道路照明的重要指標(biāo)，其計算公式如下：E=?×N×C×K上式中：E表示路面平均照度（lx）；?表示光源的光通量（lm），目前LED的光效一般為90lm/W;N表示路燈排列方式：單側(cè)、交錯排列時N=1，對稱布置時N=2;C表示光通量利用系數(shù)，與燈具高度、仰角、布置方式和路面寬度等因素有關(guān)。普通照明場所一般取經(jīng)驗值0.35-0.45;K表示照明燈具的維護(hù)系數(shù)，一般取0.65-0.7；W表示道路的有效寬度，本設(shè)計取12米；S為燈桿間距，本設(shè)計取30米。本設(shè)計路燈功率選取為72W，即?=72×90=6480lm，利用系數(shù)取0.45；維護(hù)系數(shù)取0.7，所以72W的LED等平均照度為：E=6480×2×0.45×0.7對于相同功率下的高壓鈉燈有，其光效可達(dá)110lm/W，故的高壓鈉燈光通量可達(dá)?=72×110=7920lm，同樣條件下其路面平均照度為：E=7920×2×0.45×0.7由上可得，在相同功率下的LED路燈路面平均照度小于高壓鈉燈路面平均照度，但是由于LED燈的顯色指數(shù)高（可達(dá)75-80），感官亮度較高，而高壓鈉燈顯色指數(shù)較低（一般為20-40），感官亮度低，所以其道路修正系數(shù)不同，LED燈具為2.35倍，高壓鈉燈為0.94倍。而且使用直流LED燈要比目前傳統(tǒng)的高壓鈉燈或者金屬鹵化物燈更具優(yōu)勢，因為直流LED燈與傳統(tǒng)高壓鈉燈或者金屬鹵化物燈的照明效果在本質(zhì)上不一樣。在相同的功率的情況下，由于直流LED燈具有發(fā)光方向性的優(yōu)點，所以其光通量在封裝之后幾乎不受影響，然而作為球形發(fā)光體的傳統(tǒng)高壓鈉燈或者金屬鹵化物燈，由于其光源發(fā)光具有分散性，其光通量在封裝之后大大受影響。根據(jù)實驗表明，傳統(tǒng)高壓鈉燈或者金屬鹵化物燈在封裝后其光通量將會減少近80%之多。綜上有72W的LED路燈路面平均照度可達(dá)28.1295lx，而72W的高壓鈉燈路面平均照度為13.0284lx，故72W的LED路燈可近似相當(dāng)于150W左右的高壓鈉燈。目前城市道路上路燈使用高壓鈉燈一般150W-200W，本次設(shè)計采用的是72W的LED直流負(fù)載。設(shè)計72W的LED直流燈負(fù)載由若干顆1W燈珠組成發(fā)光組，方案如下：（1）兩串并列的LED燈組，并聯(lián)后輸出功率72W。采用兩組并聯(lián)燈組主要考慮是路燈在后半夜由于城市道路中市民活動少，道路上僅有少量車輛行駛。照明質(zhì)量可降低，所以在后半夜可以關(guān)閉一半燈組以節(jié)約電能。（2）每串燈組上串一個15歐姆的限流電阻，限流電阻的主要作用是在瞬時電壓進(jìn)入電路時為負(fù)載分壓，以防電流過大燒壞燈珠。（3）采用恒壓驅(qū)動，驅(qū)動電壓為96V。主要是為負(fù)載提供一個穩(wěn)定的電壓驅(qū)動，以免脈沖電壓損壞設(shè)備。2.3.2蓄電池容量選型蓄電池作為太陽能路燈系統(tǒng)中的重要部分，其功能除了可以儲存能量，為LED路燈供電，還具有穩(wěn)壓、濾波等功能。因此選擇可靠的蓄電池在路燈系統(tǒng)中十分重要。合理選擇蓄電池的容量不僅保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性，還具有非常大的經(jīng)濟(jì)意義。若選擇容量過小的蓄電池，既不能滿足夜間負(fù)載運行要求，又使電池本身充放電頻繁，減少其使用壽命；若選擇過大容量蓄電池，又有造價成本高的缺點，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性下降，因此，在控制系統(tǒng)中合理選擇蓄電池的額定容量顯得非常關(guān)鍵。蓄電池的最主要功能還是為路燈負(fù)載供電，所以負(fù)載耗電量是蓄電池選型的重要依據(jù)。由上文可得本設(shè)計采用72W的LED直流燈作為太陽能路燈系統(tǒng)的負(fù)載，根據(jù)社會數(shù)據(jù)顯示，目前城市路燈夜間使用時間在大約在11個小時左右，結(jié)合廣州市道路路燈實際使用情況，方案設(shè)計路燈負(fù)載在夜間前半段（約6小時）全額運行，主要是考慮到夜間前半段路燈光照度能夠保證市民以及車輛正?；顒?，然而在后半夜市民和車輛的活動減少，道路上基本上是鮮有人和車，所以設(shè)計在后半段（約5小時）一半路燈負(fù)載運行以減少能源的浪費。由于負(fù)載的容量在上文中已經(jīng)選定，作為一個定量參數(shù)，額定功率為72W，額定電壓為96V，所以容易得到負(fù)載每一天電能消耗量為：Q=72由上式我們可得，當(dāng)一天無其它外部能源補給的情況下，負(fù)載一天消耗電量6.375AH，由于使用市電作為備用電源，本次設(shè)計暫不考慮連續(xù)陰雨天氣的情況，在陰雨天氣中，蓄電池電量不足時將切換到市電作為路燈負(fù)載能源供應(yīng)?？紤]鉛酸蓄電池的放電深度影響，本設(shè)計比例系數(shù)取0.8，得出蓄電池的容量值為：Q1=Q÷0.8=6.375÷0.8=7.969AH根據(jù)上述計算得出的結(jié)果，以及結(jié)合系統(tǒng)各因素綜合考慮，選用蓄電池容量為24V/9.6AH，工作方式是3個蓄電池串聯(lián)為負(fù)載供能。本設(shè)計選用松下品牌型號為LC-R249R6的蓄電池組。2.3.3太陽能電池的選型太陽能電池作為系統(tǒng)的發(fā)電組件，其合理選型要綜合考慮多方面因素，選型過小，無法充足地為蓄電池充電，進(jìn)而無法為路燈負(fù)載續(xù)航整個夜晚，無法最大限度發(fā)揮節(jié)能、環(huán)保的作用；如果選型過大，雖說能保證蓄電池充電量，為負(fù)載持續(xù)供給電能，但是考慮太陽能板的安裝位置在路燈登桿的頂端，太陽能板越大，所受到的風(fēng)荷載就越大，增大了安裝運維的難度，對于其他組件的機(jī)械性能要求也越高，同時較大的選型違背了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。所以本設(shè)計方案的主要理念是：即便加入市電補充，但是為了最大限度使用清潔能源，實現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能。本次太陽能電池選型要求符合在陽光充足的環(huán)境下，白天發(fā)電儲存到蓄電池的容量，晚上輸出能足夠負(fù)載使用一整晚，不需要外界補給。只有當(dāng)陽光不充足，白天發(fā)電儲存到蓄電池的容量不足以維持負(fù)載使用一整晚，或者出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣等情況，才啟用市電補充供電。在本設(shè)計中，根據(jù)資料顯示得廣州地區(qū)平均日照峰值時間3.52小時，詳見附錄2?？紤]到即使在有陽光的情況下，太陽能電池也一般無法實現(xiàn)滿發(fā)，故充電系數(shù)取0.65。故根據(jù)綜合因素對太陽能發(fā)電板進(jìn)行選型：型號為兩端電壓72V，電流3A，功率為216W的太陽能發(fā)電板。得出太陽能發(fā)電板一天可以為蓄電池充電的電量為：0.65×3×3.52=6.864AH綜上所述，所選太陽能板一天為蓄電池充電6.864AH，滿足負(fù)載一天消耗能量6.375AH的要求。2.4本章小結(jié)本章首先簡述了基于PLC的太陽能路燈控制系統(tǒng)的組成，然后對核心設(shè)備如：PLC控制器、蓄電池、太陽能電池板等做了基本介紹，最后進(jìn)行核心組件的容量計算，包括LED負(fù)載、蓄電池和太陽能板三者容量的匹配。在滿足系統(tǒng)要求的前提下，通過了解參數(shù)，資料分析、數(shù)據(jù)計算等得出組件容量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步選取適合的相關(guān)組件和設(shè)備。第三章基于西門子PLC的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計第三章基于西門子PLC的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計3.1光感控制及傳感器接入PLC設(shè)計隨著太陽能路燈的發(fā)展，光感控制器得到廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點是可以在黑暗或光亮環(huán)境中無需人為地開關(guān)，即可對路燈負(fù)載進(jìn)行控制，實現(xiàn)自動亮燈、滅燈。解放雙手的同時能更好地使路燈得到利用。但是，由于目前傳統(tǒng)太陽能路燈光感控制是通過太陽光照射到太陽能板上轉(zhuǎn)化成電壓，傳統(tǒng)控制器檢測電壓的大小判斷光照強度進(jìn)而判斷是否打開或關(guān)閉燈光實現(xiàn)自動亮滅。此方案容易受社會人文活動環(huán)境光線照射影響產(chǎn)生誤動。所以本設(shè)計提出采用光感模塊直接接入路燈系統(tǒng)的控制終端——PLC。光感模塊與PLC直接連接，此組合裝置作為整個系統(tǒng)的控制核心，可放置于無光照或較少光照影響的任一場合，一定程度免受環(huán)境光線因素的干擾，更好地對路燈進(jìn)行自動亮滅控制。3.1.1光感傳感器模塊圖3-1光感模塊原理圖光感傳感器模塊是以光感元件作為主要檢測工具的，在我們?nèi)粘Ｉ钪泻艹Ｒ姡涔ぷ鞯脑砭褪俏覀兪熘墓怆娦?yīng)。我們可以將光電效應(yīng)拆分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩種概念。外光電效應(yīng)指的是在光線照射下，電子能夠從物質(zhì)的內(nèi)部向外發(fā)射而產(chǎn)生電力作用，光電管、光電倍增管都是基于外光電效應(yīng)制成的原件。相應(yīng)地，內(nèi)光電效應(yīng)則是發(fā)生在物質(zhì)的內(nèi)部，當(dāng)光線照射到物質(zhì)上時，使其內(nèi)部的電阻率發(fā)生改變，從而產(chǎn)生了電動勢。光敏電阻、光電池等光電原件就是基于內(nèi)光電效應(yīng)制成的。本設(shè)計用光感傳感器模塊的檢測元件為光敏電阻，其工作原理就是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)而制成的一種電阻，其阻值能夠隨光線的變化而變化，入射光線越強，電阻越小，入射光線越弱，電阻越大。在本設(shè)計中，該元件接入電路中發(fā)揮作用，將光線轉(zhuǎn)化為電信號，控制運算放大器（受控開關(guān)）的通斷，進(jìn)一步控制負(fù)載的通斷。當(dāng)入射光線越強，光敏電阻值小，流經(jīng)回路的電流大，達(dá)到運算放大器的關(guān)斷閾值，受控開關(guān)關(guān)閉；當(dāng)入射光線越弱，光敏電阻值大，流經(jīng)回路的電流小，達(dá)到運算放大器的開通閾值，受控開關(guān)打開；從而實現(xiàn)光感控制開關(guān)功能。其次運算放大器可以通過可調(diào)電阻調(diào)節(jié)閾值，進(jìn)而調(diào)節(jié)開關(guān)對光照度感知值。3.1.2傳感器接入PLC晶體管傳感器接入PLC一般有NPN型和PNP型，即源型接入和漏型接入。由于市面上PLC固定的電路模塊有固定的接法，故需要討論傳感器接入PLC的方式。本設(shè)計以西門子型號PLC討論，源型接入與漏型接入原理圖見圖3-2。圖3-2源型接入與漏型接入源型接入：公共端接正，輸入端接負(fù)，適用于NPN傳感器。漏型輸入是指電流經(jīng)過外部開關(guān)，從模塊的通道流入到模塊內(nèi)部；再經(jīng)過內(nèi)部電路，從公共端流出的接線方式。在漏型輸入中，公共端作為電源負(fù)極（共陰極）。漏型接入：公共端接負(fù)，輸入端接正，適用于PNP傳感器。源型輸入是指電流從模塊的公共端流入，從模塊的輸入通道流出的接線方式。源型輸入的公共端作為電源正極（共陽極）。本設(shè)計選用西門子PLC，型號S7-200。該系列PLC可以接入NPN型和PNP型兩種傳感器，即可源型接入和漏型接入。并且本設(shè)計傳感器模塊僅當(dāng)做開關(guān)量接入PLC，光感傳感器模塊選取較為常用的漏型接入PLC。隨著社會的發(fā)展以及人們生活水平的提升，目前城市活動越來越精彩，人文活動使原本漆黑安靜的夜晚變得五光十色?？墒沁@對于太陽能路燈的光感控制功能來說就是一個巨大的考驗?！安灰钩恰钡墓饩€照射直接投到太陽能路燈系統(tǒng)，容易對光感控制器產(chǎn)生干擾，使控制器誤動作，導(dǎo)致路燈功能失靈或失效。所以本設(shè)計采用光感傳感器直接接入PLC控制器的方案，在終端對路燈負(fù)載進(jìn)行控制，實現(xiàn)自動控制路燈亮滅功能。此方案最大的優(yōu)勢是:傳感器直接接入PLC，該組合設(shè)備可以安裝在終端光線影響小甚至是無光照影響的任意位置，避免光感傳感器隨著太陽能路燈的安裝而附隨在城市道路受到各種因素的光線影響，有效避免夜間人文活動的光線以及其它環(huán)境光線對光感傳感器的影響，保證路燈穩(wěn)定可靠動作。其次，光感傳感器作為判斷光線強度的元件在終端直接接入PLC，一個傳感器就可以實現(xiàn)對若干路燈進(jìn)行控制，改善了傳統(tǒng)路燈“一燈一傳感器”的模式，減少了一次性投入，具有較大的實用性以及經(jīng)濟(jì)性。在本設(shè)計中，光感傳感器模塊作為開關(guān)量通過漏式接法接入PLC，時刻監(jiān)測著外界光照因素。當(dāng)傳感器探頭檢測光線達(dá)到一定強度，傳感器接收到光照信號，然后給PLC發(fā)送一個“關(guān)燈”的信號；當(dāng)傳感器探頭檢測光線下降到一定值（無光或黑暗），傳感器接收到無光黑暗信號，然后給PLC傳輸一個“開燈”的信號，該設(shè)計方案可以實現(xiàn)在有光照的白天自動關(guān)閉路燈，在無光照的夜晚自動打開路燈的功能。此外，為了保證系統(tǒng)的安全性、可靠性，考慮到傳感器工作環(huán)境較為惡劣難免出現(xiàn)故障維修，確保意外情況下系統(tǒng)仍能正常工作，所以本設(shè)計采用兩個至多個光感傳感器模塊并聯(lián)接入到PLC控制器對太陽能路燈系統(tǒng)進(jìn)行控制的方案。只要當(dāng)其中一個傳感器能正常工作，系統(tǒng)就能夠正常可靠運行。此外，本次路燈控制系統(tǒng)的原理連接圖還包括傳感器、PLC控制器、電源以及負(fù)載，原理圖詳見附錄1。3.1.3PLC程序控制若想對負(fù)載進(jìn)行可靠的光感控制，除了要防止社會人文活動環(huán)境光線照射影響，還需要考慮光感傳感器在其安裝處的瞬時光照或遮擋（例如樹上落葉、車輛照明等）的因素干擾，所以本設(shè)計控制方案結(jié)合了PLC程序的邏輯控制，進(jìn)一步優(yōu)化路燈光感控制方案。本設(shè)計的PLC程序有兩個主要的控制功能，其一是對光感信號輸入的有效判斷，進(jìn)一步輸出對負(fù)載的開關(guān)進(jìn)行控制，確保在黑暗條件下，路燈必須打開，在光亮條件下，路燈不能打開；其二是在接收到輸入信號后，PLC控制器并不會馬上發(fā)出指令，而是利用定時器T37首先進(jìn)行一個延時功能，待到延時時間到達(dá)后，PLC再一次接收信號，判斷是否真正的光亮或者黑暗無光信號的輸入，最后輸出命令控制負(fù)載亮滅。此方案可以有效使光感控制器免受到瞬時光照或遮擋的干擾，導(dǎo)致負(fù)載誤動作，程序主要控制實現(xiàn)邏輯如圖3-3：黑暗環(huán)境明亮環(huán)境傳感器開關(guān)量輸入傳感器開關(guān)量輸入判斷輸入信號判斷輸入信號延時防止誤動作延時防止誤動作輸出指令打開燈輸出指令關(guān)閉燈圖3-3程序控制邏輯光感傳感器模塊作為開關(guān)量接入PLC。在黑暗環(huán)境中，傳感器給PLC發(fā)送一個“開燈”的信號。PLC在接收信號之后，并不是立馬輸出打開負(fù)載，而是進(jìn)行一個延時的命令（本設(shè)計延時10秒），主要是為了防止光感傳感器受到瞬時因素的影響，比如：樹葉遮擋等，程序設(shè)計將定時器與光線信號串聯(lián)，只有當(dāng)定時器到達(dá)了延時的時間，并且再次接收的信號是黑暗環(huán)境信號，故可判斷為黑暗環(huán)境，PLC才會輸出命令打開路燈；在光亮環(huán)境中，傳感器給PLC發(fā)送一個“關(guān)燈”的信號。PLC在接收信號之后，并不是立馬輸出關(guān)閉負(fù)載，而是進(jìn)行一個延時的命令（本設(shè)計延時10秒），主要是為了傳感器受到瞬時因素的影響，比如：車燈照射等，程序設(shè)計將定時器與光線信號串聯(lián)，只有當(dāng)定時器到達(dá)了延時的時間，并且再次接收的信號是光亮環(huán)境信號，故可判斷為光亮環(huán)境，PLC才會輸出命令關(guān)閉路燈。本設(shè)計對路燈的光感控制由光感傳感器直接接入PLC結(jié)合PLC程序方案聯(lián)合控制，一方面能夠避免光感傳感器隨著太陽能路燈安裝城市道路處受各種因素的光線影響，有效避免夜間人文活動等環(huán)境光線對光感傳感器的影響，保證路燈穩(wěn)定可靠動作；另一方面避免光感傳感器在終端安裝處受到瞬時光照或遮擋的干擾導(dǎo)致誤動作，具有實際意義。3.2雙電源互補方案設(shè)計雙電源互補供電方案在重要場合以及系統(tǒng)中具有非常的意義，它可以保證在一路電源意外或故障斷電后，自動切換備用電源繼續(xù)供電，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。本設(shè)計路燈的供電來源主要是太陽能發(fā)電。由于太陽能發(fā)電受環(huán)境條件制約，無法持續(xù)穩(wěn)定可靠為負(fù)載供電，若要使太陽能持續(xù)穩(wěn)定可靠為負(fù)載供電，那么對太陽能電池以及蓄電池的容量要求將會大大提高，會加大一次投資費用，所以有必要為太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計備用電源。本設(shè)計采用市電作為太陽能的備用電源，在光線微弱，太陽能無法提供電量且蓄電池電壓低于其工作電壓，無法向外輸送電能時，自動開啟市電為負(fù)載供電，雙電源自動切換原理如圖3-4。圖3-4雙電源自動切換原理圖雙電源的供電方式對本設(shè)計系統(tǒng)的意義重大，由于系統(tǒng)采用太陽能供電，考慮到光伏發(fā)電受環(huán)境條件制約，具有不穩(wěn)定性，單一太陽能供電無法滿足大容量LED燈的巨大耗電，即使容量夠大，足以支持供電，那么龐大的組件將帶來巨大成本以及安裝維護(hù)難度。所以引入市電補給的雙電源供電是優(yōu)化后選擇。本設(shè)計采用雙電源（市電和太陽能）自動切換方案，使用市電與蓄電池互補的供電方式。蓄電池作為第一能源優(yōu)先給負(fù)載供電，市電作為后備能源，當(dāng)蓄電池電量不足時進(jìn)行補給，一方面可以彌補單一太陽能光源無法滿足大容量LED燈的巨大耗電，在連續(xù)多天陰雨天氣無陽光環(huán)境中，保證了路燈系統(tǒng)系統(tǒng)正常運行的可靠性，另一方面太陽能的首要供給相當(dāng)一部分可以保證最大限度使用清潔能源，減少市電的用量，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的理念，有利于改善了傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)。本方案供電運用雙電源（太陽能蓄電池與市電）并聯(lián)互鎖的控制方式，應(yīng)用一個繼電器兩個接觸器進(jìn)行電源自動切換的控制，下面是兩種電源供電的順序和方式的介紹：3.2.1蓄電池供電方面蓄電池在太陽能路燈系統(tǒng)中的主要作用是在白天有光照時間段，通過太陽能電池板接收光照，利用其光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，給蓄電池充電，待到晚上，在白天已經(jīng)儲蓄電能的蓄電池輸送電能為負(fù)載供電，使其正常工作。蓄電池作為負(fù)載供電的第一能源，在晚上需要開啟路燈的時候，蓄電池兩端有電輸出的情況下，蓄電池端繼電器K1得電，常開開關(guān)K1由打開到閉合，形成閉合回路，此時由于市電端常閉開關(guān)K1由閉合到打開，市電端斷開，故可以優(yōu)先使用太陽能蓄電池給路燈供電。由于本設(shè)計在蓄電池處安裝蓄電池防過沖過放電路板，在蓄電池電能釋放到低于正常工作值（終止放電電壓），蓄電池將會自動斷電，此時蓄電池端無電壓輸出，繼電器K1失電，常開開關(guān)K1由閉合到打開，回路斷開，停止向外負(fù)載供電，市電端常閉開關(guān)K1有打開到閉合，市電端形成閉合回路，此時將切換到市電為負(fù)載供電。3.2.2市電供電方面市電通過降壓整流轉(zhuǎn)變成與LED負(fù)載匹配的直流電，作為負(fù)載供電的第二能源為負(fù)載供電。在蓄電池電能放電到低于正常工作值（終止放電電壓），蓄電池將會自動斷電，蓄電池端繼電器K1失電，常開開關(guān)K1由閉合到打開，回路斷開，停止向負(fù)載供電；市電端常閉開關(guān)K1在蓄電池斷電，K1失電的情況下，常閉開關(guān)由打開到閉合，形成閉合回路，此時將由市電為LED路燈供電。直到當(dāng)光伏板通過陽光照射發(fā)電為蓄電池充電，在蓄電池重新充電直到正常值后，蓄電池端繼電器K1在次得電，此時市電端常閉開關(guān)K1由閉合到打開，市電端回路斷開，蓄電池端常開開關(guān)K1由打開到閉合，蓄電池-負(fù)載再次形成閉合回路，再一次由蓄電池為LED路燈供電。以此循環(huán)反復(fù)。本設(shè)計應(yīng)用一個繼電器兩個接觸器的組合電路實現(xiàn)雙電源自動切換功能。太陽能作為第一供電來源，只有當(dāng)蓄電池?zé)o電壓輸出才啟用市電補充，能夠保證路燈系統(tǒng)最大限度使用清潔能源，具有環(huán)保、節(jié)能的作用；其次引入市電作為備用能源，一方面有效減少蓄電池和太陽能電池的選型容量，另一方面在太陽能供電不足時能夠保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，是一個雙贏的結(jié)果，具有一定的實際與經(jīng)濟(jì)意義。3.3路燈的集中控制太陽能路燈的應(yīng)用廣泛，少則一個村莊或一個小區(qū)，大則遍布整個城市。數(shù)量如此龐大的路燈獨立運行，不利于控制、管理以及運維，所以本設(shè)計提出以PLC為中央控制器，對路燈進(jìn)行一對多的集中控制。集中控制的優(yōu)勢明顯，采用一個傳感器、一臺PLC控制器實現(xiàn)對上百路燈負(fù)載的控制。該方案使系統(tǒng)控制更具整體性，管理更為簡單；依靠控制器本身的監(jiān)控通訊功能，可以容易發(fā)現(xiàn)控制器狀態(tài)以及輸入輸出的異常，能夠有效發(fā)現(xiàn)問題、排查問題并解決問題，利于系統(tǒng)的檢修與運維。PLC作為本設(shè)計系統(tǒng)的控制核心，具有穩(wěn)定性強、可靠性高的特點，滿足工業(yè)控制的各種需求。由于本設(shè)計控制系統(tǒng)需要PLC對若干路燈進(jìn)行批量控制，所以需要考慮PLC控制的IO接口的數(shù)量以及擴(kuò)展能力等等因素。本次設(shè)計選用西門子S7-200系列，CPU為224CN的PLC作為系統(tǒng)主控制器，結(jié)合擴(kuò)展模塊擴(kuò)充IO口對路燈進(jìn)行批量控制。3.3.1PLC的IO擴(kuò)展表3-1西門子S7-200CN系列控制器技術(shù)參數(shù)型號221222224226數(shù)字量IO6DI/4DO8DI/6DO14DI/10DO24DI/16DO中斷輸入4444脈沖輸出2（20kHz）2（20kHz）2（20kHz）2（20kHz）模擬量IO——16AI/8AO32AI/28AO32AI/28AO最大數(shù)字量IO6DI/4DO48DI/46DO114DI/110DO128DI/128DO根據(jù)上表3-1西門子S7-200CN系列控制器技術(shù)參數(shù)，我們可以知道，本次選用的西門子S7-200系列，CPU為224CN的PLC擴(kuò)展能力非常強大，其主機(jī)數(shù)字量IO接口就有14DI/10DO，即14個輸入，10個輸出。雖然本型號PLC由于通訊電纜容量設(shè)計限制模塊的擴(kuò)展最大只允許擴(kuò)展7個模塊，但是該型號僅依靠7個模塊最大數(shù)字量接口已經(jīng)擴(kuò)展可以達(dá)到114個輸入，110個輸出端子的數(shù)量。如此龐大的端子擴(kuò)展量意味著單單一臺PLC控制器就可以實現(xiàn)超過100個路燈負(fù)載的控制，控制負(fù)載數(shù)量相當(dāng)可觀。倘若設(shè)計相鄰兩盞路燈的間距是30米，單單使用一臺PLC控制器，可為城市服務(wù)照明超過3公里的距離。3.3.2PLC輸出控制負(fù)載由于PLC自身端子輸出帶負(fù)載能力有限，晶閘管輸出帶負(fù)載能力為0.2A/點，只能帶交流負(fù)載，可適應(yīng)高頻動作，響應(yīng)時間為1ms；晶體管最大輸出負(fù)載電流為0．5A/點，但每4點不得大于0.8A；而負(fù)載能力最強的繼電器輸出也僅僅是帶負(fù)載電流2A/點，優(yōu)點是不同公共點之間可帶不同的交、直流負(fù)載，且電壓也可不同，但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負(fù)載。由于本設(shè)計方案一臺PLC需要幾十甚至上百盞路燈負(fù)載，所以為了設(shè)備及系統(tǒng)安全，設(shè)計在PLC輸出端控制繼電器的開合，進(jìn)而控制外電路雙電源為負(fù)載供電，實現(xiàn)小電流控制大電流，主要控制原理如下圖3-5。圖3-5輸出控制原理圖繼電器是由是由線圈和觸點組兩部分組成的。具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。在本設(shè)計中繼電器電源正極從PLC的L端輸入，結(jié)合PLC程序控制后從Q端輸出控制繼電器的通斷。外電路雙電源供電回路與繼電器相連，連接繼電器常開端口，當(dāng)光線昏暗需要打開路燈時，輸出口Q端接收命令后有電壓輸出，繼電器得電，外電路常開觸點閉合，此時回路導(dǎo)通，外部電源為負(fù)載供電；當(dāng)光線明亮需要關(guān)閉路燈時，輸出口Q端接收命令后無電壓輸出，繼電器失電，外電路觸點由閉合恢復(fù)常開狀態(tài)，此時回路斷開，外部電源無需為負(fù)載供電，以上過程以此日夜反復(fù)。3.4本章小結(jié)本章為系統(tǒng)設(shè)計過程，首先介紹了太陽能路燈系統(tǒng)通過傳感器接入PLC，結(jié)合程序控制實現(xiàn)光感控制路燈亮滅功能，其次介紹市電與太陽能雙電源供電的設(shè)計方案，最后介紹PLC的擴(kuò)展端口以及PLC對負(fù)載進(jìn)行一對多的集中控制。第四章效益分析第四章效益分析當(dāng)討論和判斷一個系統(tǒng)是否具有實際意義，是否具有發(fā)展的潛力，系統(tǒng)的效益分析是重要的一個環(huán)節(jié)。本次系統(tǒng)供電方式由于首要采用太陽能供電，其中由于主要核心設(shè)備太陽能發(fā)電板以及蓄電池價格不菲，故有必要對本系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，得出最合適的方案。此次分析主要討論：以市電供能的傳統(tǒng)鈉燈路燈、單一太陽能供電LED路燈以及雙電源（市電與太陽能）互補的LED路燈之間的效益對比關(guān)系：市電供能的傳統(tǒng)鈉燈路燈：傳統(tǒng)路燈使用市電為交流負(fù)載供電，其最大優(yōu)點是一次投資費用低，但是缺點明顯，如：首先需要大量鋪設(shè)電纜、挖溝布管、回填等很多工程，其次路燈僅由市電供電，照明消耗傳統(tǒng)能源量巨大，無法實現(xiàn)當(dāng)今社會節(jié)能、環(huán)保理念的愿景。單一太陽能供電路燈：單一太陽能供電路燈系統(tǒng)僅僅依靠太陽能發(fā)電為負(fù)載供能，通過太陽能板、負(fù)載和蓄電池三者之間容量的匹配以達(dá)到無需外部電源的補給，單靠太陽能發(fā)電滿足負(fù)載用電。其最大的優(yōu)點就是：就地供電，系統(tǒng)簡單，單一太陽能的供電無需外部電量補給，使系統(tǒng)節(jié)能、環(huán)保；但是存在問題是：單單靠太陽能板、蓄電池和負(fù)載三者的匹配存在很大問題，考慮到環(huán)境因素連續(xù)幾天陰雨天氣，對設(shè)備的選型無疑要擴(kuò)容好幾倍，對于系統(tǒng)的造價和安裝維護(hù)是不利的。由上文我們可知，在有外部補給的情況下只需考慮負(fù)載一天的消耗電量，所選型是：太陽能電池開路電壓72V，短路電流3A，功率216W，蓄電池為24V/9.6AH三個串聯(lián)，72W的LED負(fù)載。假定廣州連續(xù)陰雨天為5天，所需要的組件容量將會是現(xiàn)在的5倍多，即太陽能電池需要1000W以上的容量，蓄電池需要48AH以上，選型容量的增加，造價也隨之增加數(shù)倍以上。如此巨大的容量對于機(jī)械的安裝維護(hù)以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)無疑是巨大挑戰(zhàn)。而且采用單一太陽能供電的路燈，上文所述連續(xù)5天陰雨天氣僅僅是經(jīng)驗值的保守估計，倘若遇到極端天氣，超過5天甚至更長時間的無陽光環(huán)境，單一太陽能供電的方案將無法保證路燈照明系統(tǒng)正常運行的穩(wěn)定性與可靠性。雙電源