光伏追踪的MODBUS局域网广播式控制系统

MODBUS LAN broadcast control system for photovoltaic tracking

摘要

提出一种光伏追踪的MODBUS局域网广播式控制系统，系统采用西门子1200系列PLC作为MODBUS局域网追踪系统的主站，主站对太阳高度角的追踪是一个实时连续的过程，主站判断光照强度满足发电条件与否。若满足发电条件，则主站广播式发出控制指令，指示从站控制器驱动光伏板运行到最强光照角度位置；若主站判定为不满足发电条件，则主站不向从站发送控制指令，从站光伏板保持不动。西门子1200系列PLC主站控制器单一完成太阳高度角的测算、追踪，不负责驱动光伏板，基本属于零负载运行。该系统降低了光伏板的追踪成本，提高了追踪精度，消除了从站光伏板不满足发电条件的太阳追踪能耗。

Abstract

A photovoltaic tracking MODBUS LAN broadcast control system was proposed， and Siemens 1200 series PLC was used as the host of MODBUS LAN tracking system.The tracking of the solar altitude angle by the master station was a real-time continuous process， and the master station judged whether the light intensity meted the conditions for power generation or not. If the conditions for power generation were met， the master station broadcasted a control command to instruct the slave station to drive the PV panels to the position of the strongest light angle； If power generation conditions were not met， then the master station did not send control commands to the slave station， and the slave PV panels remained motionless.The Siemens 1200 series PLC master controller completed the measurement and tracking of the solar altitude angle， and was not responsible for driving the PV panel， which basically belongs to zero-load operation. This system reduced the tracking cost of PV panels， improved the tracking accuracy， and eliminated the solar tracking energy consumption of slave PV panels that do not meet the power generation conditions.

Graphical abstract

关键词

光伏追踪 / 局域网 / MODBUS广播式 / 时控方式 / 太阳高度角

Key words

photovoltaic tracking / LAN / MODBUS broadcast / time control method / solar altitude angle

0 引言

目前国内外一般都采用光控系统和时控系统两种方法或这两种方法结合来控制实现光伏板对太阳的追踪^［1］。传统的光控系统方式中，在太阳光照良好的情况下，采用光敏感器件感测太阳光照度来实现追踪功能是可行的。但是当天空突然飘过来一片云时，使得光敏感器件获取不到正确的数据，从而引发太阳光追踪系统不停地驱动电机转动，带动光敏感器件转动，寻找太阳的位置。只要遮挡光伏板及光敏感器件的云彩不散去，则追踪太阳光照系统就会不断地启动追踪控制过程，而这时所有的追踪操作都是徒劳的，大量的电能被消耗。在阴雨天时，也同样会发生这样的情况，因此该方式存在较大缺陷。

时控系统就是根据现代天文学的研究成果，依据光伏板安放点的地球经纬度，计算出该地点的实时太阳高度角。此方式存在一个问题，在阴雨天特别是连续的阴雨天，所有时控系统的电机都保持工作状态，如果有成千上万个太阳能光伏板及其组件的驱动电机持续运行的话，就需要消耗大量的电能^［2］。

鉴于此，本文提出光伏追踪的MODBUS局域网广播式控制系统，零光伏板负载的主站只负责太阳高度角的测算，并发出指令使得从站控制系统实时追踪太阳高度角；从站光伏板驱动系统的运行受控于主站，从站驱动器控制机械装置带动光伏板追踪太阳运转。此种局域网控制方式较此前控制方式，既提高了控制精度，又减少了能耗。

1 控制系统的实现概述

系统采用西门子1200PLC作为MODBUS局域网的主站控制器，局域网主站采用时控与光控方式结合，光控方式为主，时控方式为辅。主站不配装光伏板组件，主站的二自由度电机只用来驱动底部配装一光敏电阻的遮光管（此处光敏电阻用来检测光照强度是否满足发电条件），主站的驱动负载近似为零，耗能极小。主站控制器以较高成本保证太阳高度角测算的连续、精准、稳定的特殊要求。在实时太阳高度角连续追踪下，二自由度电机实现当前的太阳高度角下直射光线与遮光管的中心轴线平行，当特定光照度的光线照射到遮光管底部的光敏电阻时，光敏电阻的阻值倾向最小，角度传感器记录此时主站机械系统运转的经向和纬向的绝对转角，这两个转角值是MODBUS局域网广播发布的实际参数值。

用STM32作为驱动光伏板运行的从站控制器，从站不配设自主的时控方式或光控方式太阳追踪功能，另外，自由度驱动电机运行与否受控于MODBUS主站广播信号。从站控制器在没有接收到主站广播驱动使能信号时，从站驱动光伏板电机保持静止状态。当主站检测到光照度满足光伏板发电条件时，局域网主站控制器西门子1200PLC以广播的形式发布主站的经度方向和纬度方向转角值，从机STM32控制器按此经、纬度值驱动从机光伏板运转到与太阳高度角对应的位置，接受太阳的最强光照。

2 系统的工作过程

图1为光伏追踪的MODBUS局域网广播式控制系统拓扑结构图，MODBUS局域网主站采用西门子1200PLC为核心控制器，从站控制器为STM32F103C-8T6，以LORA无线通信为传输媒介，也可以采用屏蔽双绞线或光纤通信组网来提高通信的抗干扰能力和电磁兼容性。

采用经纬度测试仪测出光伏站安装位置的经纬度值，并将此经纬度值存入西门子1200PLC，作为太阳高度角计算的参考基准。在给定光伏发电站经纬度的前提下，1200PLC根据连续多年的电子万年历，通过天文学太阳高度角的计算公式计算相应年份每一天白天每一时刻的太阳高度角^［3］。在当前时刻的太阳光照度满足光伏板的发电条件下，通过LORA无线通信以MODBUS广播方式向局域网络中的从站控制器发布太阳高度角的信息。光伏支架从站控制器STM32（MODBUS局域网的从机）收到太阳高度角的实时数值后，能驱动电机，通过调整经度向驱动电机和纬度向驱动电机二自由度运行，将光伏板调整到指定的太阳高度角对应的位置，保证光伏板在满足光伏发电条件下的任意时刻都可以接收到太阳光的直射。

电子万年历指示时间为夜晚时，西门子1200PLC广播发布指令，让从站光伏板回到凌晨的原始位置，并保持静止；若在白天遇到阴雨天气，太阳光照度不满足发电条件，西门子1200PLC主站控制器不发布从机电机运转的指令，则从站光伏组件板处于静止状态，可以节约电能。

3 机械系统结构及功能

3.1 光伏追踪的主机机械结构分析

为实现光伏追踪的MODBUS局域网广播式控制系统的基本功能，对光伏追踪局域网的主站机械结构做如图2设计。

主站机械结构主要是完成遮光管对实时太阳高度角的追踪，假定当地光伏板的发电时长为6 h，则机械系统驱动实现遮光管在此期间内一直平行于太阳光。不管当时的太阳光强弱或是被乌云遮挡，遮光管与实际存在的太阳光平行，受机械运行步长的限制，遮光管与太阳光的平行度有时会略有偏差。

机械结构的整体安装于整体托架之上，向心推力轴承承载整个经度向运动支架，减速电机拖动主驱动齿轮、从动齿轮带动经度向运动支架作经度方向运行，按照当地的太阳能光伏板的发电时长为6 h，则太阳高度角追踪的经向角度为360°/4=90°（6 h是24 h的1/4），旋转编码器2记录90°运转当中的绝对位置值。从动齿轮的旋转为机械系统的第一个自由度^［4］。

如图2中从动齿轮与经度向运动支架相对位置固定不变，组装成一体，由第一个自由度机构实现这一整体的经向旋转。遮光管的纬度方向的运动依赖于如图3所示的曲柄滑块机构实现的，曲柄滑块的主驱动部分是滚珠丝杠的螺母组成的滑块机构，此为主站机械系统的第二自由度。

由于本曲柄滑块机构的主驱动是滑块，滑块运动的线性位移与曲柄旋转的角度呈非线性关系。为了便于测出曲柄及遮光管纬度向旋转的准确角度，可将图2中旋转编码器1安装于图3中旋转编码器，安装修正位置，直接测量遮光管的纬度向旋转角度。此纬度方向角度与图2中旋转编码器1测得的经度向旋转角度反馈给主控制器西门子1214CPLC，形成闭环控制，控制器驱动二自由度系统微调至遮光管底部光敏电阻的阻值为实时最小，以实现遮光管与太阳光线的精准平行。

为进一步降低功耗，可选遮光管的长度为0.5 m以内，图2中2个直流减速电机的驱动功率总和不超过20 W。

3.2 光伏追踪的从机机械结构分析

图4为光伏追踪局域网的从站机械结构，其机械结构与主站的类似。但是由于主站遮光管与从站光伏板的安装位置相对垂直，所以图4中经向运动支架与图2中经向运动支架呈左右对调安装。

当从站控制器接收到主站控制器的运转驱动指令时，从站机械结构的经向与纬向转角和主站机械结构的运动转角方向正好相反。

因从站机械结构及电机驱动系统需要驱动光伏板追踪太阳光运行，所需的带载能力要相对较大，所以直流减速电机的运动功率及机械传动机构可根据所载光伏板的面积或重量作适当的调整。从降低光伏发电站的整体成本而言，可逐步形成从站电机及机械驱动系统的国内标准，从力学的角度优化机械结构，机械与电气控制一体化设计，使光伏发电的电能达到最大效率的利用^［5］。

4 主站电气系统结构及部件功能分析

4.1 主站工作过程

为满足主站控制系统的实际需求，设计如图5所示的MODBUS局域网主站电路图结构图，图中西门子1200PLC和西门子CM1241串口485模块组成主站控制器，主站系统在白天的发电时段内连续运行（不论阴雨天与否），机械载荷小，耗能极少^［6］。CM1241将PLC要发布的太阳高度角信息发送给LORA无线模组，以实现广播式信息发布。CM1241对外为485接口，匹配485口LORA模块。

对于太阳高度角追踪需要闭环的二自由度机械驱动系统，分别调整经度角和纬度角，一个电机只能保证光伏组件板的一个自由度运行，所以主站追踪系统、从站光伏组件的驱动系统都需要2个直流电机驱动，保证二维定位的需要。

直流减速电机选定为二输出轴，二输出轴的一轴用于驱动机械结构，另一轴接旋转编码器，旋转编码器从零起始位置开始，记录驱动减速电机的旋转角度，经、纬度方向的协调运动实现光伏板对太阳高度角的精准追踪。

因为MODBUS主站控制器的二自由度机械驱动系统是连续运行的，要保证6 h走完经度方向的90°角，直流减速电机的经向平均角速度可设定为0.25°/min。纬度方向定位驱动可采用直流减速电机和滚珠丝杠实现，系统可根据功率需要采用与经向驱动相同或类似的直流减速电机和旋转编码器。

为检测当前太阳高度角下的太阳光照度是否满足光伏板的发电条件，需要在MODBUS局域网主站二自由度机械系统上配装一光敏电阻，光敏电阻安装于遮光管的底部，光敏电阻的电压输出端接到西门子1200PLC的模拟量AI0输入端，光照度越强光敏电阻阻值越小，光敏电阻的电压输出端所分得的电压值就越小，当此电压值小于一个特定值，认为是满足了光伏板的发电条件，其接线电路如图５所示。

1214C DC/DC/DC PLC的外围设备接线分为输入端子接线和输出端子接线，西门子1200系列PLC输入端子接线有2种接线方式^［7］。

第一种输入接线方式是漏型接法，或者说是共阴极接法，需要说明的是，这里共阴极的“共阴”指的是公共端“1M”接电源的“-”极。第二种输入接线方式是源型接线，或者称为共阳极接线，同样，需要说明的是，这里共阳极的“共阳”指的是公共端“1M”接电源的“+”极。

S7-1200 24 V直流输出只有一种输出形式，即PNP型输出，也就是常说的高电平输出。

4.2 西门子CM1241串口模块与LORA模块

因为MODBUS局域网主站控制器西门子S7-1214-C PLC自身不带485通信串口，所以需要扩展CM1241串口模块，CM1241串口模块的接口为DB9接头，DB9的针脚定义如表1所示。

从表1可以看出，作485接口通信时CM1241的DB-9头只用到了第3脚和第8脚，其他各引脚可以不接。为便于查看CM1241发出的串口数据是否满足需要，可采用艾莫迅USB转422/485串口转换器将数据传给PC机的串口调试助手，查看数据的有效性。艾莫迅USB转422/485串口转换器与DB9头的接线引脚图如图6所示，图6为485接线方式。

MODBUS主站控制器所发出的关于实时太阳高度角的信息可通过双绞线、光纤、射频无线介质来传输，系统选用LORA模块实现数据的无线传输。CM1241的DB9与带485接口的LORA模块的接线图如图7所示。CM1241与LORA模块以约定的速率交换数据（如：9600 Baud/s），数据经LORA模块再以433 MHz无线发布。LORA模块HD-805的引脚定义如表2所示。

4.3 直流减速电机驱动及其转角测量

地球上不同经纬度位置白天满足发电条件的太阳高度角、时长是不一样的。以北京为例，太阳高度角的最大值和最小值大约相差47°。这是因为北京位于北纬39°左右，太阳在夏至（6月21日左右）正午时刻的高度角大约为73°，而在冬至（12月21日左右）正午时刻的高度角大约为26°左右，两者相差47°，太阳追踪的纬度角在北京最大为47°^［8］。但是这个47°的纬度角为北京全年的变化值，所以一天当中，光伏追踪板的纬度角变化可以近似认为是零，可以按照实际情况将图2中的减速电机1和图4中减速电机2的启动调节频率设为一天调节一次，则图3中安装在修正位置的旋转编码器每天的旋转角度为：47°/（365/2）≈0.257 5°，除以2表示太阳一年要在赤道上往复2次。

若北京一天可以发电的时长为6 h，则太阳追踪的经度角变化值在北京最大为360°/（24/6）=　90°。若电机以10 s为步长转动，6 h需要走216步，每步转角约为0.417°，0.417°需要在10 s内走完，则经向转角速度最小为2.5 r/min。可规定为每10 s MODBUS局域网的主站控制器向从站发一次控制指令，从站控制器根据主站发送过来的太阳高度的经纬度值对从站的光伏板做一次位置修正。若直流电机的空载转速为3000 r/min，则直流电机的减速比需要控制在1200以内。

由于直流减速电机的减速比存在实际的梯度，其驱动光伏板对太阳高度角的追踪就会有一定的角度偏差，为提高追踪的精准度可提高直流减速电机运行的减速细分度，对直流减速电机采用PWM调速控制^［9］。同时追踪系统存在控制电机正反转的需求，所以直流电机需要配设匹配的电机驱动器，驱动器的功率可根据实际需要来选择。如图8所示为直流电机驱动器的引脚图，表3为驱动器引脚功能表。

追踪系统经度向和纬度向转角与直流减速电机输出轴的转角成正向比例，为达到闭环控制，实时向控制器反馈追踪的经纬度转角值，系统采用旋转编码器测量电机输出轴的转角，所以电机需要选用双输出轴的直流减速电机，其中一轴用于驱动，另一轴对接旋转编码器，以检测电机输出轴的旋转角度。本系统选用的双输出轴直流减速电机如图9所示，可根据实际驱动光伏板的重量大小适当调节直流电机的额定功率。

因追踪系统存在正反转，作为检测装置，旋转编码器也需要有正反转的反馈。本系统选用编码器为E6B2-CWZ6C，旋转编码器实物图如图10所示，旋转编码器结构原理图如图11所示。

从图11中可以看出，编码器E6B2-CWZ6C有6根接线，其信号输出线为：黑、白、橙三根，且为NPN型集电极开路输出，所以原则上需要在编码器的信号输出脚接上拉电阻，如图5所示上拉电阻的接线方式。

图12为旋转编码器输出的时序图，编码器轴正转与反转A、B相信号的输出时序不同。编码器轴旋转一周A、B相信号输出5000个脉冲，C相信号输出1个脉冲。如果A相信号超前B相信号90°，则表示CW方向旋转；若B相信号超前A相信号90°，则表示CCW方向旋转，图中CW表示旋转编码器从轴侧看为右转；CCW表示旋转编码器从轴侧看为左转。

以光伏站点在北京为例，其追踪的经向变化值为90°，纬度向变化值为47°，则图2中旋转编码器2在一天中输出的脉冲数为5000/4=1250个脉冲数，每步输出约5.79个脉冲。纬度向的运动是以年为单位，所以主站控制器可以按照电子万年历，通过测算纬度向位置经验值，建立位置验值表和万年历的对应关系，定期给从站发布对应的位置修正值，这个修正值实际可以转换为图2减速电机1和图4减速电机2的旋转的圈数。

4.4 光敏电阻

西门子1200PLC按照天体物理太阳高度角的时域追踪算法计算出地球上特定经、纬度点的太阳高度角的值，是否通过广播方式向从站控制器发布光伏板位置修正指令，取决于图2中遮光管底部光敏电阻对光照度的检测，光敏电阻的实际安放如图13所示。

遮光管尺寸可选长度为0.5 m以内，内径为6~10 mm，只有太阳光与遮光管的轴线平行，光线直射遮光管的底部，光敏电阻的阻值才会倾向减小。如果太阳光光照度不足，即使光敏电阻受到直射，光敏电阻的阻值依然很大，仍不满足光伏板发电条件。

将光敏电阻安装于遮光管底部的另一个作用是：为安装主站机械结构时提供追踪系统经、纬度起始零点的参考标准。可在遮光管的顶端配装防水、尘透光盖。

5 从站电气系统结构及部件功能分析

5.1 从站工作过程

MODBUS局域网从站控制系统的电路结构如图14所示，控制系统电路适配于从站机械系统结构。其机械结构与主站的类似，从站控制器受控于主站西门子1200PLC，并驱动光伏板追踪直射太阳光，所带负载较大，当光伏板整体较重时可以适当增加直流减速电机的功率。

Modbus局域网络上只能有一个主站存在，主站在Modbus网络上没有地址，每个从站必须有唯一的地址，从站的地址范围为0~247，但是0为广播地址^［10］，如果主站以广播形式发送信息，那么从站的数量将不受247的限制，理论上可以为无穷多个。当同一区域点的光伏组件板的数量较多时，同一时刻每个光伏板因安装位置偏差较大而造成太阳高度角会有偏差，此时需要考虑从机驱动板经、纬度的修正，及太阳高度角偏差的矫正。

当太阳光光强满足光伏板发电的条件时，这里所说的满足光伏发电的条件是指：光伏板所产发的电能在减去从站机械运动的能耗、逆变器转换的能耗及其他部分的能耗后，仍然有有效剩余，经验参数是光伏板的发电量要大于100 W/m²算是满足发电条件。

在满足光伏发电条件下，主站控制器就会给从站控制器定期（此处选择10 s为间隔）发送太阳高度角位置追踪修正指令，从站控制器在收到主站控制器发送过来的指令后，读取旋转编码器反馈过来的位置信息，经此信息与接收的指令信息相比较，并控制直流减速电机正转或反转，驱动从站机械结构动作，使得从站光伏板到达指定太阳高度角的位置，接受最强光照。

MODBUS局域网从站光伏板太阳高度角追踪的流程图如图15所示，从流程图中可以看出，主站西门子1200PLC追踪系统持续运行，从站光伏板处于受控的条件运行，从而达到提高系统稳定性，消除光伏板非发电运行的能耗，达到节能降耗的目的。

5.2 从站控制器与LORA模块的接口说明

从站控制器选用STM32F103C8T6，该款单片机具备以下特性：

采用ARM 32位的Cortex-M3核心，72MHz，1.25 DMips/MHz（Dhrystone2.1），0等待周期的存储器，单周期乘法和硬件除法^［11］。

存储器128 K字节的闪存程序存储器，20 K字节的SRAM；串行线调试（SWD）和JTAG接口，方便系统的调试运行；具有低功耗，睡眠、停机和待机模式等^［12］。

有3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道，可满足直流减速电机的调速控制。

STM32F103C8T6控制器有3个USART串行接口，是有别于CM1241的485接口的TTL电平，其接线如图16所示。LORA选用TTL通信串口模块，其波特率必须与STM32单片机通信串口的波特率一致，通常选用：9600 Baud/s。

6 结束语

本系统有效利用主站控制器西门子1200PLC运行的可靠性、时域分析计算的稳定性，保证了主机24 h对太阳高度角无误差实时追踪，以主站控制从站运行，减少能耗，光伏板系统追踪太阳效果良好。

实验操作表明，光伏追踪的MODBUS局域网广播式控制系统运行稳定可靠，主、从站太阳高度角的追踪精准。主站西门子1200PLC电子万年历走时零误差，并可实现实时在线时间更新，为太阳高度角计算提供准确的时间基准。

为提高广播式控制指令在从机站上接收的可靠性，主站控制器西门子1200PLC可以将已经确定的太阳高度角数值在固定的时段内（如以10 s为时间单元）多次重复发布，从站控制器消除固定时段内接收多次数据中的异常值，以重复多次的数据为主站发布的最终值来修正从站光伏板的位置。

如果光伏发电站的电磁干扰较强，或主、从站控制器间距较大，可将MODBUS无线局域网改为有线方式，最好为屏蔽双绞线，对于个别离主站较远的从站控制器可改用光纤通信。

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基金资助

河南省基础与前沿技术研究计划项目(142300410446)