基于PLC的光伏板清洁器设计

张连壮 刘福裕 田皓宇 韩冰 王雪伟 颜安

摘要：随着能源危机加剧，太阳能发电为主可再生能源得到迅速发展。在沙漠地区水源缺乏，现有的人工清扫和机械化清扫，都不宜发展。

关键词：PLC;自动避障

1.研究背景

巨大光伏需求的背后，是庞大的光伏板和太阳能板清洁市场。因为灰尘在不同环境中有时呈酸性，有时呈碱性，对光伏板和太阳能板的腐蚀使得太阳辐射透过率减小，面板上的光照强度减弱，发电量减少。积尘受风速风向、降水强度、空气污染、灰尘性质、面板放置的地点、面板倾角等因素的影响，风速与灰尘沉积成正比;降水强度越大对灰尘沉积的冲刷效果也越大;雾霾天气造成灰尘沉积增加;不同性质的灰尘会对光伏板和太阳能板的清洗难度有很大影响;光伏板和太陽能板倾角越大，灰尘越难在其表面滞留和附着。这就对光伏板和太阳能板清洁设备提出了更高的要求。

2.国内外发展现状

为了拥有先进的技术装备，满足国内市场的需求，国内不少城市从20世纪60年代就着手组织科技力量研制清扫车。我国研制生产清扫车已有50多年的历史。但相对于国外发达国家，我国清扫车从技术水平、操作性能、清扫效果等方面都存在一定的差距。

目前的光伏板清洁器主要有两种：一种是光伏板板清洁车，体型庞大，且需要利用大量的水资源，在水资源缺乏的荒漠地区难以使用;另一种是安装在光伏板上的清洁器，安装复杂，成本较高，难以推广。

3.光伏板清洁器的系统总体设计

3.1光伏板清洁器控制系统的结构

光伏板清洁器控制系统的原理相当简单，它是利用西门子S7-200为控制核心，来达到整体控制系统。利用接触器控制四个直流电动机，利用光电传感器实现车体的避障，采用两个圆型毛刷和四个风机实现对光伏板的清洁，为主要清洁部分。采用24V锂电池来给装置持续供电。利用人机界面监控车辆的运行情况。

智能清洁车控制系统的组成部分有控制核心;车轮;控制保护部分;能源装置;清洁装置。

3.2光伏板清洁器整体设计方案

本设计是采用西门子S7-200系列为核心的处理器，选择CPU224模块，利用STEP7对PLC进行软件编程实现光伏板清洁器的整体控制、清洁部分和避障处理。

在系统设计中，通过组态画面与PLC的控制，进行对光伏板清洁器进行启动控制。

整体设计主要由硬件设计和软件设计组成。硬件设计要综合考虑光伏板清洁器的工作环境，所选用的硬件要具有在恶劣环境工作的条件。也必须符合本设计所需达到的一些性能需求。软件的设计要考虑到所选取硬件的型号，通过软件的设计，对硬件进行控制，使清洁器能够避障、自动启停、人机的监控。

本设计利用西门子S7-200PLC为控制核心部分。驱动部分利用直流电动机。避障采用观感传感器，各个机构的限位利用电感式传感器。采用直流锂电池为电能电源。中间控制部分利用继电器控制。

清扫结构为机器人的工作装置。为保证工作时的稳定，本装置运用了三角形原理。滑块结构，所述滑块结构运用的是滚珠丝杠滑块，安装在车本体上，由电机驱动，实现滑块的运动。滑块结构为两个，下面所述滑块结构13、滑块结构11（滑块结构13在滑块结构11上方，为横向，滑块结构11在滑块结构13下方，为纵向。滑块结构13、滑块结构11在同一水平面上）。滑块结构13、滑块结构11中又有滑块15、滑块16。

清扫结构2利用三角形原理提高稳定性。利用直角件、螺栓、螺母使两个滑块结构固定在支撑杆9上，通过电机使滑块结构11、滑块结构12运行，合金杆19一端固定在滑块16上，另一端与拉杆12一段连接，拉杆12的另一端连接在滑块15上，利用螺栓、螺母固与连接。通过改变滑块15、滑块16的位置进行对清扫角度的调整。

限位17，所述限位为对滑块移动范围的限制，运用金属感应传感器实现，防止滑块结构超出使用范围，造成损坏。

限位18，所述限位限制刷子接触光伏板距离的范围限制。

限位17与限位18相结合，达到自动找寻光伏板进行清洁的目的。

风机与刷子，实现“吹-扫-吸”三位一体式工作，在不适用水资源的同时保证了清洁程度，实现在荒漠地区的使用。

3.3 PLC的选择

PLC现已越来越被广泛应用到了现代化工业的设备和自动化控制中，它具有能耗低、体积小、性价比高、功能强大、编程简单、抵抗干扰能力强、和设备的可靠性较高等特点，使之成为我们现代化工厂设备和自动化控制的一个良好选择。西门子S7-200系列PLC的可编程计价控制器在计算机和电脑上的应用中更是获得了速度快、精确、稳定的效果，S7-200系列PLC可以很方便地与其他车辆之间进行通讯，这样就弥补了PLC人机交互界面差的缺陷。有考虑的本设计采用的数字量和模拟量均设计，选用EM222（16I＼16Q）的数字量扩展模块，满足设计需求。

总结

我们设计的一款基于PLC的光伏板清洁器，实现了在荒漠水资源短缺、环境恶劣情况下对光伏板的有效清洁。

经费来源2021年实验室开放项目