張連壯 劉福裕 田皓宇 韓冰 王雪偉 顏安

摘要：隨著能源危機(jī)加劇，太陽能發(fā)電為主可再生能源得到迅速發(fā)展。在沙漠地區(qū)水源缺乏，現(xiàn)有的人工清掃和機(jī)械化清掃，都不宜發(fā)展。

關(guān)鍵詞：PLC;自動(dòng)避障

1.研究背景

巨大光伏需求的背后，是龐大的光伏板和太陽能板清潔市場。因?yàn)榛覊m在不同環(huán)境中有時(shí)呈酸性，有時(shí)呈堿性，對(duì)光伏板和太陽能板的腐蝕使得太陽輻射透過率減小，面板上的光照強(qiáng)度減弱，發(fā)電量減少。積塵受風(fēng)速風(fēng)向、降水強(qiáng)度、空氣污染、灰塵性質(zhì)、面板放置的地點(diǎn)、面板傾角等因素的影響，風(fēng)速與灰塵沉積成正比;降水強(qiáng)度越大對(duì)灰塵沉積的沖刷效果也越大;霧霾天氣造成灰塵沉積增加;不同性質(zhì)的灰塵會(huì)對(duì)光伏板和太陽能板的清洗難度有很大影響;光伏板和太陽能板傾角越大，灰塵越難在其表面滯留和附著。這就對(duì)光伏板和太陽能板清潔設(shè)備提出了更高的要求。

2.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

為了擁有先進(jìn)的技術(shù)裝備，滿足國內(nèi)市場的需求，國內(nèi)不少城市從20世紀(jì)60年代就著手組織科技力量研制清掃車。我國研制生產(chǎn)清掃車已有50多年的歷史。但相對(duì)于國外發(fā)達(dá)國家，我國清掃車從技術(shù)水平、操作性能、清掃效果等方面都存在一定的差距。

目前的光伏板清潔器主要有兩種：一種是光伏板板清潔車，體型龐大，且需要利用大量的水資源，在水資源缺乏的荒漠地區(qū)難以使用;另一種是安裝在光伏板上的清潔器，安裝復(fù)雜，成本較高，難以推廣。

3.光伏板清潔器的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1光伏板清潔器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光伏板清潔器控制系統(tǒng)的原理相當(dāng)簡單，它是利用西門子S7-200為控制核心，來達(dá)到整體控制系統(tǒng)。利用接觸器控制四個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)車體的避障，采用兩個(gè)圓型毛刷和四個(gè)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板的清潔，為主要清潔部分。采用24V鋰電池來給裝置持續(xù)供電。利用人機(jī)界面監(jiān)控車輛的運(yùn)行情況。

智能清潔車控制系統(tǒng)的組成部分有控制核心;車輪;控制保護(hù)部分;能源裝置;清潔裝置。

3.2光伏板清潔器整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是采用西門子S7-200系列為核心的處理器，選擇CPU224模塊，利用STEP7對(duì)PLC進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)光伏板清潔器的整體控制、清潔部分和避障處理。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過組態(tài)畫面與PLC的控制，進(jìn)行對(duì)光伏板清潔器進(jìn)行啟動(dòng)控制。

整體設(shè)計(jì)主要由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)組成。硬件設(shè)計(jì)要綜合考慮光伏板清潔器的工作環(huán)境，所選用的硬件要具有在惡劣環(huán)境工作的條件。也必須符合本設(shè)計(jì)所需達(dá)到的一些性能需求。軟件的設(shè)計(jì)要考慮到所選取硬件的型號(hào)，通過軟件的設(shè)計(jì)，對(duì)硬件進(jìn)行控制，使清潔器能夠避障、自動(dòng)啟停、人機(jī)的監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)利用西門子S7-200PLC為控制核心部分。驅(qū)動(dòng)部分利用直流電動(dòng)機(jī)。避障采用觀感傳感器，各個(gè)機(jī)構(gòu)的限位利用電感式傳感器。采用直流鋰電池為電能電源。中間控制部分利用繼電器控制。

清掃結(jié)構(gòu)為機(jī)器人的工作裝置。為保證工作時(shí)的穩(wěn)定，本裝置運(yùn)用了三角形原理?；瑝K結(jié)構(gòu)，所述滑塊結(jié)構(gòu)運(yùn)用的是滾珠絲杠滑塊，安裝在車本體上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊的運(yùn)動(dòng)?；瑝K結(jié)構(gòu)為兩個(gè)，下面所述滑塊結(jié)構(gòu)13、滑塊結(jié)構(gòu)11（滑塊結(jié)構(gòu)13在滑塊結(jié)構(gòu)11上方，為橫向，滑塊結(jié)構(gòu)11在滑塊結(jié)構(gòu)13下方，為縱向?；瑝K結(jié)構(gòu)13、滑塊結(jié)構(gòu)11在同一水平面上）。滑塊結(jié)構(gòu)13、滑塊結(jié)構(gòu)11中又有滑塊15、滑塊16。

清掃結(jié)構(gòu)2利用三角形原理提高穩(wěn)定性。利用直角件、螺栓、螺母使兩個(gè)滑塊結(jié)構(gòu)固定在支撐桿9上，通過電機(jī)使滑塊結(jié)構(gòu)11、滑塊結(jié)構(gòu)12運(yùn)行，合金桿19一端固定在滑塊16上，另一端與拉桿12一段連接，拉桿12的另一端連接在滑塊15上，利用螺栓、螺母固與連接。通過改變滑塊15、滑塊16的位置進(jìn)行對(duì)清掃角度的調(diào)整。

限位17，所述限位為對(duì)滑塊移動(dòng)范圍的限制，運(yùn)用金屬感應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)，防止滑塊結(jié)構(gòu)超出使用范圍，造成損壞。

限位18，所述限位限制刷子接觸光伏板距離的范圍限制。

限位17與限位18相結(jié)合，達(dá)到自動(dòng)找尋光伏板進(jìn)行清潔的目的。

風(fēng)機(jī)與刷子，實(shí)現(xiàn)“吹-掃-吸”三位一體式工作，在不適用水資源的同時(shí)保證了清潔程度，實(shí)現(xiàn)在荒漠地區(qū)的使用。

3.3 PLC的選擇

PLC現(xiàn)已越來越被廣泛應(yīng)用到了現(xiàn)代化工業(yè)的設(shè)備和自動(dòng)化控制中，它具有能耗低、體積小、性價(jià)比高、功能強(qiáng)大、編程簡單、抵抗干擾能力強(qiáng)、和設(shè)備的可靠性較高等特點(diǎn)，使之成為我們現(xiàn)代化工廠設(shè)備和自動(dòng)化控制的一個(gè)良好選擇。西門子S7-200系列PLC的可編程計(jì)價(jià)控制器在計(jì)算機(jī)和電腦上的應(yīng)用中更是獲得了速度快、精確、穩(wěn)定的效果，S7-200系列PLC可以很方便地與其他車輛之間進(jìn)行通訊，這樣就彌補(bǔ)了PLC人機(jī)交互界面差的缺陷。有考慮的本設(shè)計(jì)采用的數(shù)字量和模擬量均設(shè)計(jì)，選用EM222（16I＼16Q）的數(shù)字量擴(kuò)展模塊，滿足設(shè)計(jì)需求。

總結(jié)

我們?cè)O(shè)計(jì)的一款基于PLC的光伏板清潔器，實(shí)現(xiàn)了在荒漠水資源短缺、環(huán)境惡劣情況下對(duì)光伏板的有效清潔。

經(jīng)費(fèi)來源2021年實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目