GZ010光伏发电设备安装与调试中职组样题.docx

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GZ010光伏发电设备安装与调试中职组样题

2015年全国中职技能大赛

“康尼杯”

光伏发电设备安装与调试赛项

任务书（样题）

选手须知

（1）任务书如果出现缺页、字迹不清等问题，请及时向裁判示意，进行任务书的更换。

（2）竞赛内容包括系统安装、布线与接线、程序设计、测试、分析、设计、答题、焊接和提交成果。

竞赛时间共4小时，参赛队应在规定的时间内完成任务书规定内容。

参赛选手在竞赛过程中根据任务书要求，将各系统的运行记录或程序文件存储到指定的计算机的盘目录下，未存储到指定位置的运行记录或程序文件不予给分。

（3）参赛选手提交的试卷不得写上姓名或与身份有关的信息，否则成绩无效。

（4）参赛选手认定竞赛设备的器件有故障可提出更换，器件经现场裁判测定完好属参赛选手误判时，每次扣该参赛队3分。

（5）竞赛过程中，参赛选手要遵守操作规程，确保人身及设备安全，并接受裁判员的监督和警示。

竞赛过程中由于参赛选手人为原因造成的器件损坏，不予更换。

竞赛过程中由于参赛选手人为原因造成贵重器件损坏，停止该队比赛，竞赛成绩作为零分。

（6）在竞赛过程中，参赛选手如有舞弊、不服从裁判判决、扰乱赛场秩序等行为，裁判按照规定扣减相应分数。

情节严重的取消竞赛资格，竞赛成绩记为零分。

（7）竞赛结束时，参赛选手要清洁工位。

一、竞赛设备描述

竞赛设备以“KNT-SPV02光伏发电实训系统”为载体，该设备由光伏供电装置、光伏供电系统、逆变与负载系统和监控系统组成，如图1所示。

（a）（b）（c）（d）

图1KNT-SPV02光伏发电实训系统外形图

（a）光伏供电装置（b）光伏供电系统（c）逆变与负载系统（d）监控系统

1．光伏供电装置

光伏供电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。

光伏供电装置的光伏电池组件偏移方向的定义和摆杆移动方向的定义如图2所示，靠近摆杆的投射灯定义为投射灯1（简称灯1），另1盏投射灯定义为投射灯2（简称灯2）。

型号、参数相同的4块光伏电池组件和光线传感器没有安装在光伏供电装置上。

2．光伏供电系统

光伏供电系统主要由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、光伏供电控制单元、DSP核心单元、信号处理单元、接口单元、西门子S7-200CPU226PLC、继电器组、接线排、蓄电池组、可调电阻、断路器、开关电源、应用软件、网孔架等组成。

光伏供电系统的光伏供电控制单元没有接线且从网孔架上拆除、西门子S7-200CPU226PLC除了AC220V电源线和接地线外，其他接线已拆除；继电器组接线已拆除。

图2光伏供电装置外形图及方向定义

3．逆变与负载系统

逆变与负载系统主要由逆变电源控制单元、逆变输出显示单元、DSP核心单元、DC-DC升压单元、单相桥逆变单元、变频器、三相交流电机、发光管舞台灯光模块、警示灯、接线排、断路器、网孔架等组成。

逆变与负载系统的接线均完成。

4．监控系统

监控系统主要由计算机、组态软件、接线排、网孔架等组成。

二、竞赛任务

任务一：

光伏供电装置

1．光伏电池组件、光线传感器的安装

要求：

（1）将4块光伏电池组件正确地安装在光伏供电装置上，紧固件不松动。

（2）将光线传感器安装在4块光伏电池组件的中部位置，紧固件不松动。

2．光伏电池组件开路电压和短路电流的测量

要求：

（1）分别在关闭灯1和灯2、灯1亮、灯1和灯2亮的三种情况下，用万用表测量光伏供电装置中任意1块光伏电池组件的开路电压和短路电流，在表1中记录该光伏电池组件的开路电压值和短路电流值。

（2）将2块光伏电池组件串联连接。

分别在关闭灯1和灯2、灯1亮、灯1和灯2亮的三种情况下，用万用表测量该串联连接的光伏电池组件的开路电压和短路电流，在表1中记录该串联连接的光伏电池组件开路电压值和短路电流值。

（3）将2块光伏电池组件并联连接。

分别在关闭灯1和灯2、灯1亮、灯1和灯2亮的三种情况下，用万用表测量该并联连接的光伏电池组件的开路电压和短路电流，在表1中记录该并联连接的光伏电池组件的开路电压值和短路电流值。

表1光伏电池组件开路电压和短路电流的测量数据

光伏电池组件

关闭灯1和灯2

灯1亮

灯1和灯2亮

开路电压（V）

短路电流（A）

开路电压（V）

短路电流（A）

开路电压（V）

短路电流（A）

1块

2块串联

2块并联

3．光伏电池组件接线

要求：

光伏电池组件的开路电压和短路电流测量结束后，请将4块光伏电池组件并联连接，焊接连接线并用胶带缠绕包扎。

4．简述下列问题

（1）请根据表1记录的开路电压值和短路电流值，简述型号和参数相同的光伏电池组件的串联、并联的开路电压值和短路电流值与单块光伏电池组件开路电压值和短路电流值之间的关系。

（2）在实训中，同学将KNT-SPV02光伏发电实训系统的2块光伏电池组件并联，灯1和灯2关闭，用性能良好的万用表测量该并联光伏电池组件的输出电压值为-2.8V；打开灯1，用性能良好的万用表测量该并联光伏电池组件的输出电压值为+0.7V。

请叙述可能的原因。

任务二：

光伏供电系统

1．西门子S7-200CPU226PLC的配置

要求：

西门子S7-200CPU226PLC的输入输出配置如表2所示。

表2S7-200CPU226PLC的输入输出配置表

序号

输入输出

配置

序号

输入输出

配置

1

I0.0

不使用

23

I2.6

摆杆西东向限位开关

2

I0.1

灯1按钮

24

I2.7

不使用

3

I0.2

灯2按钮

25

Q0.0

启动按钮指示灯

4

I0.3

东西按钮

26

Q0.1

向东按钮指示灯

5

I0.4

西东按钮

27

Q0.2

向西按钮指示灯

6

I0.5

停止按钮

28

Q0.3

向北按钮指示灯

7

I0.6

向北按钮

29

Q0.4

向南按钮指示灯

8

I0.7

向南按钮

30

Q0.5

灯1按钮指示灯、KA7线圈

9

I1.0

旋转开关自动挡

31

Q0.6

灯2按钮指示灯、KA8线圈

10

I1.1

启动按钮

32

Q0.7

东西按钮指示灯

11

I1.2

急停按钮

33

Q1.0

西东按钮指示灯

12

I1.3

向东按钮

34

Q1.1

停止按钮指示灯

13

I1.4

向西按钮

35

Q1.2

继电器KA3线圈

14

I1.5

光线传感器（光伏组件）向东信号

36

Q1.3

继电器KA4线圈

15

I1.6

光线传感器（光伏组件）向西信号

37

Q1.4

继电器KA5线圈

16

I1.7

光线传感器（光伏组件）向北信号

38

Q1.5

继电器KA6线圈

17

I2.0

光线传感器（光伏组件）向南信号

39

Q1.6

继电器KA1线圈

18

I2.1

摆杆接近开关垂直限位

40

Q1.7

继电器KA2线圈

19

I2.2

光伏组件向东、向西限位开关

41

1M

0V

20

I2.3

光伏组件向北限位开关

42

2M

0V

21

I2.4

光伏组件向南限位开关

43

1L

DC24V

22

I2.5

摆杆东西向限位开关

44

2L

DC24V

2．绘制S7-200CPU226输入输出接口图

依据表2定义的S7-200CPU226PLC的输入输出配置，请在图3上绘制S7-200CPU226输入输出接口图。

要求：

（1）S7-200CPU226输入的有关端口分别画出按钮、开关、传感器等符号图形，注明各按钮、开关、传感器的去向。

（2）输出的有关端口分别画出所接的指示灯、继电器线圈等符号图形，注明各指示灯、继电器线圈的去向。

（3）输出接口图中相关继电器要反映互锁关系。

图3绘制S7-200CPU226输入输出接口图

3．西门子S7-200CPU226PLC的布线与接线

要求：

根据表2西门子S7-200CPU226PLC的配置，完成西门子S7-200CPU226PLC的布线与接线，接线的线径和颜色要求见表3。

比赛工位提供了设备出厂时的线标套管，接线的线标套管号码与表2要求一致。

在进行西门子S7-200CPU226PLC的布线与接线时，不改变光伏供电控制单元的按钮、旋钮、急停按钮的功能。

表3S7-200CPU226PLC接线的线径和颜色要求

序号

起始端

结束端

线型

序号

起始端

结束端

线型

1

L1

接线排L

0.75mm2红色

25

I2.0

略

0.3mm2蓝色

2

N

接线排N

0.75mm2黑色

26

I2.1

略

0.3mm2蓝色

3

GND

接线排PE

0.75mm2黄绿色

27

I2.2

略

0.3mm2蓝色

4

1M

略

0.3mm2白色

28

I2.3

略

0.3mm2蓝色

5

2M

略

0.3mm2白色

29

I2.4

略

0.3mm2蓝色

6

1L

略

0.3mm2红色

30

I2.5

略

0.3mm2蓝色

7

2L

略

0.3mm2红色

31

I2.6

略

0.3mm2蓝色

8

3L

略

0.3mm2红色

32

I2.7

9

I0.0

33

Q0.0

略

0.3mm2蓝色

10

I0.1

略

0.3mm2蓝色

34

Q0.1

略

0.3mm2蓝色

11

I0.2

略

0.3mm2蓝色

35

Q0.2

略

0.3mm2蓝色

12

I0.3

略

0.3mm2蓝色

36

Q0.3

略

0.3mm2蓝色

13

I0.4

略

0.3mm2蓝色

37

Q0.4

略

0.3mm2蓝色

14

I0.5

略

0.3mm2蓝色

38

Q0.5

略

0.3mm2蓝色

15

I0.6

略

0.3mm2蓝色

39

Q0.6

略

0.3mm2蓝色

16

I0.7

略

0.3mm2蓝色

40

Q0.7

略

0.3mm2蓝色

17

I1.0

略

0.3mm2蓝色

41

Q1.0

略

0.3mm2蓝色

18

I1.1

略

0.3mm2蓝色

42

Q1.1

略

0.3mm2蓝色

19

I1.2

略

0.3mm2蓝色

43

Q1.2

略

0.3mm2蓝色

20

I1.3

略

0.3mm2蓝色

44

Q1.3

略

0.3mm2蓝色

21

I1.4

略

0.3mm2蓝色

45

Q1.4

略

0.3mm2蓝色

22

I1.5

略

0.3mm2蓝色

46

Q1.5

略

0.3mm2蓝色

23

I1.6

略

0.3mm2蓝色

47

Q1.6

略

0.3mm2蓝色

24

I1.7

略

0.3mm2蓝色

48

Q1.7

略

0.3mm2蓝色

4．光伏供电控制单元的安装、布线与接线

要求：

（1）将光伏供电控制单元安装在光伏供电系统的网孔架上，紧固件不松动。

（2）完成光伏供电控制单元的布线与接线。

光伏供电控制单元与DC24V电源有关的接线线径、颜色、线标套管的要求见表4。

表4光伏供电控制单元与DC24V电源有关的接线的线径和颜色要求

序号

起始端

结束端

线型

1

DT5.1

略

0.3mm2红色

2

DT6.6

略

0.3mm2白色

5．继电器组的配置、布线与接线

要求：

（1）继电器KA1、KA2用于摆杆偏转电机的控制，继电器KA3、KA4用于光伏组件东西方向偏转电机的控制，继电器KA5、KA6用于光伏组件南北方向偏转电机的控制，继电器KA7用于投射灯1的控制，继电器KA8用于投射灯2的控制。

（2）正确布线与接线，K01-K20套管号码是继电器组用于硬件互锁标记。

6．光伏电池组件跟踪光源的PLC程序设计与测试

要求：

（1）光伏供电控制单元的选择开关有两个状态，选择开关拨向手动控制状态时，PLC可以进行灯1和灯2的状态控制、光伏电池组件跟踪光源、摆杆运动的手动控制。

选择开关拨向自动控制状态时，按下启动按钮，PLC执行光伏电池组件跟踪光源的自动控制程序。

（2）PLC处在手动控制状态时，按下向东按钮，向东按钮的指示灯亮，光伏电池组件向东偏转。

在光伏电池组件向东偏转的过程中，再次按下向东按钮或按下停止按钮或按下急停按钮时，向东按钮的指示灯熄灭，光伏电池组件停止偏转运动。

光伏电池组件向东偏转处于限位位置时，向东按钮的指示灯熄灭，光伏电池组件停止偏转运动。

如果按下向西按钮，向西按钮的指示灯亮，光伏电池组件向西偏转。

在光伏电池组件向西偏转的过程中，再次按下向西按钮或按下停止按钮或按下急停按钮时，向西按钮的指示灯熄灭，光伏电池组件停止偏转运动。

光伏电池组件向西偏转处于限位位置时，向西按钮的指示灯熄灭，光伏电池组件停止偏转运动。

光伏电池组件向东偏转和向西偏转在程序上采取互锁关系。

向北按钮和向南按钮的作用与向东按钮和向西按钮的功能相同，光伏电池组件向北偏转和向南偏转在程序上采取互锁关系。

（3）PLC处在手动控制状态时，按下灯1按钮或灯2按钮，灯1和灯1按钮指示灯或者灯2和灯2按钮指示灯亮。

再次按下灯1按钮或灯2按钮或按下停止按钮或按下急停按钮时，灯1按钮指示灯或灯2按钮指示灯熄灭，灯1或灯2熄灭。

（4）PLC处在手动控制状态时，按下东西按钮，东西按钮的指示灯亮，摆杆由东向西方向移动。

在摆杆由东向西方向移动的过程中，再次按下东西按钮或按下停止按钮或按下急停按钮时，东西按钮的指示灯熄灭，摆杆停止运动。

摆杆由东向西方向移动经过垂直位置到达限位位置时（也可能不经过垂直位置而到达限位位置），东西按钮的指示灯熄灭，摆杆停止移动。

如果按下西东按钮，西东按钮的指示灯亮，摆杆由西向东方向移动。

在摆杆由西向东方向移动的过程中，再次按下西东按钮或按下停止按钮或按下急停按钮时，西东按钮的指示灯熄灭，摆杆停止运动。

摆杆由西向东方向移动经过垂直位置到达限位位置时（也可能不经过垂直位置而到达限位位置），西东按钮的指示灯熄灭，摆杆停止移动。

摆杆由东向西方向移动和摆杆由西向东方向移动在程序上采取互锁关系。

（5）PLC处在自动控制状态，按下启动按钮，灯1和灯2亮，摆杆向东移动，光伏电池组件进行对光跟踪。

摆杆向东移动经过垂直位置到达限位位置时停止移动（也可能不经过垂直位置而到达限位位置），当光伏电池组件对光跟踪结束时，摆杆由东向西方向移动，光伏电池组件又进行对光跟踪。

摆杆到达垂直接近开关位置时停止移动，光伏电池组件对光跟踪结束时，灯1和灯2熄灭，自动程序结束。

光伏电池组件处于对光跟踪的过程中，按下停止按钮或按下急停按钮时，自动程序结束。

7．光伏电池组件的输出特性测试

将光伏供电控制单元的选择开关拨向手动控制状态，调节光伏供电装置的摆杆处于垂直状态，调节光伏电池组件正对着灯1或灯2。

要求：

（1）调节光伏供电系统的可调变阻器，阻值从0Ω逐渐变化到1000Ω。

依次记录灯1和灯2不亮时光伏电池组件输出所对应的电压测量值和电流测量值，填写在表5中，每次记录的对应的电压值和电流值为一组，记录12组。

（2）调节光伏供电系统的可调变阻器，阻值从0Ω逐渐变化到1000Ω。

依次记录点亮灯1时光伏电池组件输出所对应的电压测量值和电流测量值，填写在表6中，每次记录的对应的电压值和电流值为一组，记录12组。

（3）调节光伏供电系统的可调变阻器，阻值从0Ω逐渐变化到1000Ω。

依次记录同时点亮灯1和灯2时光伏电池组件输出所对应的电压测量值和电流测量值，填写在表7中，每次记录的对应的电压值和电流值为一组，记录12组。

表5灯1和灯2不亮时的光伏电池组件输出电压和输出电流的测量值

组号

电压U/V

电流I/A

组号

电压U/V

电流I/A

1

7

2

8

3

9

4

10

5

11

6

12

表6点亮灯1时的光伏电池组件输出电压和输出电流的测量值

组号

电压U/V

电流I/A

组号

电压U/V

电流I/A

1

7

2

8

3

9

4

10

5

11

6

12

表7同时点亮灯1和灯2时的光伏电池组件输出电压和输出电流测量值

组号

电压U/V

电流I/A

组号

电压U/V

电流I/A

1

7

2

8

3

9

4

10

5

11

6

12

8．绘制光伏电池组件的输出功率曲线

要求：

根据表5、表6和表7中记录的数据，在图4的光伏电池组件输出特性曲线图上绘制3条光伏电池组件的输出功率曲线，并标明坐标的参数单位和计量单位。

图4光伏电池组件输出功率曲线

9．简述问题

在某光照度下，KNT-SPV02光伏发电实训系统中的可调变阻器获取了光伏电池组件的最大输出功率，如果光照度适当降低，要求可调变阻器仍然获取光伏电池组件的最大输出功率，那么如何调整可调变阻器的阻值？

并说明理由。

10．设计光伏路灯系统

（1）50W光伏路灯系统设计。

设计条件：

路灯功率50W，路灯工作电压12V，每天工作时间6h，保证连续7个阴雨天能正常工作。

光伏电池安装地区峰值日照时数为3.5h。

光伏电池组件工作电压为18V，光伏电池组件综合损失系数为1.05，蓄电池充电效率为0.85。

（可以适当补充设计条件，但不能更改现有的设计条件）。

（2）画出设计的光伏路灯系统框图。

11．正确地设置直流电压表和直流电流表的参数

任务三：

逆变与负载系统

1．示波器的使用

要求：

利用监控系统有关的界面，设置逆变器输出频率为60Hz、输出幅度为AC220V、逆变器死区为1500ns，利用示波器的FFT测量功能测量逆变器的输出波形。

截图保存在U盘和手提电脑的桌面，文件名：

60Hz波形。

2．变频器的参数设置

要求：

变频器从30Hz开始，每1秒上升1Hz，到了40Hz之后每1秒下降1Hz，降到30Hz后重复循环。

3．分析

请分析图5单相逆变主电路的工作原理。

图5单相逆变主电路原理图

4．正确地设置交流电压表和交流电流表的参数

任务四：

监控系统

1．设计光源跟踪界面

要求：

（1）设计光源跟踪界面，界面中的各控件名称与光伏供电系统中的光伏供电控制单元的按钮、旋钮、急停按钮、指示灯的名称要对应、功能要一致。

（2）在光源跟踪界面中设计摆杆限位开关控件和摆杆限位指示灯控件，要求与实际的摆杆限位开关功能一致。

当摆杆到达限位时，相应的摆杆限位指示灯控件亮。

（3）在界面中设计光伏电池组件限位开关控件和限位指示灯控件，要求与实际的光伏电池组件限位开关功能一致。

当光伏电池组件到达限位时，相应的光伏电池组件限位指示灯控件亮。

（4）在光源跟踪界面中设计一个光伏电池组件输出功率指示灯控件，在灯1和灯2点亮的情况下，当光伏电池组件输出功率达到最大输出功率的90%以上时，该指示灯亮。

（5）S7-200CPU226PLC处在手动控制状态时，点击手动控制控件可以进行任务二第6条第

（2）～（4）项灯1和灯2工作状态、摆杆运动状态、光伏电池组件跟踪的遥测、遥控的手动操作。

（遥测是指光源跟踪界面能够检测投射灯、摆杆、光伏电池组件和光伏供电控制单元的工作状态；遥控是指通过光源跟踪界面来控制投射灯、摆杆、光伏电池组件的运动）

（6）S7-200CPU226PLC处在自动控制状态时，分别点击自动控制控件和启动按钮控件，启动按钮指示灯控件点亮、光伏供电控制单元的启动按钮指示灯亮，S7-200CPU226PLC执行任务二第6条第（5）项的自动控制程序。

2．设计逆变与负载系统界面

要求：

（1）逆变与负载系统界面设置死区时间下拉框，下拉框中有300、600、900、1200、1500、1800、2100、2400、2700、3000共10项数据，时间单位：

ns。

这些数据是逆变器死区时间，供选择和测量死区波形使用。

（2）逆变与负载系统界面设置调制比窗，调制比为0.7-1，分辨率为0.1。

例如：

选择调制比为1时，逆变器输出电压幅度为AC220V×1=AC220V；选择调制比为0.7时，逆变器输出电压幅度为AC220V×0.7=AC154V。

调制比是供选择和测量逆变器输出电压幅度波形使用。

（3）逆变与负载系统界面设置基波窗，基波频率在50Hz至60Hz之间可调，分辨率为1Hz，基波窗是供选择和测量逆变器的输出频率使用。

3．设计监控系统的光伏发电采集报表

采集报表采集数据不少于8次，3分钟记录一次光伏电池组件的输出电压和输出电流。

4．设计光伏电池组件输出功率曲线图

实时采集光伏电池组件随可调变阻器阻值变化的输出电压和电流值，自动绘制在灯1和灯2点亮、灯1或灯2点亮、灯1和灯2不亮时的光伏电池组件输出功率曲线，截图保存在U盘和手提计算机桌面，文件名分别为：

灯1和灯2点亮的功率曲线、灯1或灯2点亮的功率曲线、灯1和灯2不亮的功率曲线。

任务五：

焊接

1．温度检测电路模块焊接

每个竞赛工位提供了温度检测电路模块套件：

PCB板及托板架、CPU芯片（已装入程序）和插座、相关的元器件。

温度检测电路模块电原理图如图6所示，表8是温度检测电路模块元器件清单。

要求：

（1）焊接温度检测电路模块，焊接后安装在逆变与负载系统接线排的导轨上。

（2）检测无误后，接入DC24V电源后电路模块应正常工作。

图6温度检测电路模块电原理图

表8温度检测电路模块元器件清单

器件名称

型号

标号

封装

数量

独石电容

0.1μF

C1,C2,C3,C4,C5,C7

RAD-0.2

6

电解电容

470μF/35V

C6

RB.2/.4

1

独石电容

33pF

C8

RAD-0.2

1

电解电容

10μF/25V

C9

RB.1/.2

1

2芯接线端子

JK127-500-2

COM,POWER

JK127-500-2

2

二极管

UF4007

D1,D2

DO-41

2

发光二极管（绿）

LED-GREEN

D3,D4,D5

Φ3mm

3

自恢复保险丝

PPTC020

F1

C60X020

1

液晶LCD

LCD1602

LCD1

LCD1602

1

电阻

4.7K

R1

AXIAL-0.4

1

电阻

1.2K

R2,R4

AXIAL-0.4

2

电阻

120

R3

AXIAL-0.4

1

电阻

10K

R5,R8

AXIAL-0.4

2

电阻

330

R6,R7,R9

AX