职业院校技能大赛风光互补发电系统安装与调试高职组样题.docx

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职业院校技能大赛风光互补发电系统安装与调试高职组样题

2015年全国高职技能大赛

“康尼杯”

风光互补发电系统安装与调试赛项

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6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-WP01型风光互补发电实训系统”为载体，该设备由光伏供电装置、光伏供电系统、风力供电装置、风力供电系统、逆变与负载系统和监控系统组成，如图1所示。

（a）（b）（c）（d）（e）（f）

图1KNT-WP01型风光互补发电实训系统外形图

（a）光伏供电装置（b）风力供电装置（c）光伏供电系统

（d）风力供电系统（e）逆变与负载系统（f）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、蓄电池组、可调电阻、断路器、开关电源、应用软件、接线排、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．风力供电装置

风力供电装置主要由水平轴永磁同步风力发电机、塔架和基础、测速仪、测速仪支架、轴流风机、轴流风机支架、轴流风机框罩、单相交流电动机、电容器、风场运动机构箱、护栏、连杆、滚轮、万向轮、微动开关和接近开关等设备与器件组成。

如图3所示是风力供电装置示意图，风场运动机构箱运动方向的定义已在图中标明。

水平轴永磁同步风力发电机由叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵、侧风偏航机械传动机构组成，除了叶片、轮毂、尾舵之外，其他部件已安装完成。

另外，测速仪没有安装在测速仪支架上。

图3风力供电装置示意图

4．风力供电系统

风力供电系统主要由风电电源控制单元、风电输出显示单元、触摸屏、风力供电控制单元、DSP控制单元、接口单元、西门子S7-200CPU224PLC、变频器、继电器组、可调电阻、断路器、应用软件、开关电源、接线排、网孔架等组成。

风力供电系统的风力供电控制单元没有接线且从网孔架上拆除、西门子S7-200CPU224PLC除了AC220V电源线、接地线以及Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1的接线外，其他接线已拆除。

5．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。

6．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的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．简述问题

（1）请根据表1记录的光伏电池组件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-WP01型风光互补发电实训系统的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。

4．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。

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，I0.0连接功能模块输出，有关功能模块输出的描述请见任务七第1条第

（2）、（3）项的内容。

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

功能模块输出

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PLC的输入输出配置，请在图4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。

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。

图4绘制S7-200CPU226输入输出接口图

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

略

0.3mm2蓝色

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，S7-200CPU226PLC可以进行灯1和灯2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，S7-200CPU226PLC执行光伏电池组件跟踪光源的自动控制程序。

（2）S7-200CPU226PLC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）S7-200CPU226PLC处在手动控制状态时，按下灯1按钮或灯2按钮，灯1按钮或灯2按钮的指示灯亮，灯1或灯2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）S7-200CPU226PLC处在手动控制状态时，按下东西按钮，东西按钮指示灯亮，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。

摆杆由东向西方向运动和由西向东方向运动在程序上采取互锁关系。

（5）S7-200CPU226PLC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（也可能不经过垂直位置而到达限位位置）停止移动。

当光伏电池组件跟踪结束时，摆杆由东向西方向移动，光伏电池组件又进行对光跟踪。

摆杆向西移动经过垂直位置到达限位位置时停止移动，当光伏电池组件跟踪结束时，摆杆由西向东方向移动，光伏电池组件再次进行对光跟踪。

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中记录的电压测量值和电流测量值，在图5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5光伏电池组件输出功率曲线

9．简述问题

在某光照度下，KNT-WP01型风光互补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，如果光照度适当增强，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）30W光伏路灯系统设计。

设计条件：

路灯功率30W，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：

风力供电装置

1．叶片、轮毂、尾舵的安装。

要求：

将叶片、导流罩、尾舵正确地安装在风力发电机上，紧固件不松动。

2．测速仪的安装

要求：

将测速仪安装在测速仪支架上，紧固件不松动。

3．接插座CON10的接线

比赛工位提供了连接偏航机械传动机构部位和CON10XP侧的电缆线和接插座。

要求：

（1）完成接插座CON10的XP侧的接线，可靠无松动。

（2）电缆线与侧风偏航机械传动机构部位的直流电动机、侧风偏航传感器的接线焊接可靠。

任务四：

风力供电系统

1．西门子S7-200CPU224PLC的配置

要求：

西门子S7-200CPU224PLC的输入输出配置如表8所示。

表8S7-200CPU224PLC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

侧风偏航初始位开关

15

Q0.0

逆时按钮指示灯

2

I0.1

侧风偏航45°到位开关

16

Q0.1

侧风偏航按钮指示灯

3

I0.2

侧风偏航90°到位开关

17

Q0.2

恢复按钮指示灯

4

I0.3

风场机构顺时到位开关

18

Q0.3

启动按钮指示灯

5

I0.4

风场机构逆时到位开关

19

Q0.4

停止按钮指示灯

6

I0.5

旋转开关自动挡

20

Q0.5

顺时按钮指示灯

7

I0.6

启动按钮

21

Q0.6

继电器KA9线圈

8

I0.7

急停按钮

22

Q0.7

继电器KA10线圈

9

I1.0

顺时按钮

23

Q1.0

继电器KA11线圈

10

I1.1

逆时按钮

24

Q1.1

继电器KA12线圈

11

I1.2

侧风偏航按钮

25

1M

0V

12

I1.3

恢复按钮

26

2M

0V

13

I1.4

停止按钮

27

1L

+24V

14

I1.5

风速检测信号

28

2L

+24V

2．西门子S7-200CPU224PLC的布线与接线

要求：

根据表8西门子S7-200CPU224PLC的配置，完成西门子S7-200CPU224PLC的布线与接线，接线的线径和颜色要求见表9。

赛场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9要求一致。

在进行西门子S7-200CPU224PLC的布线与接线时，不改变风力供电控制单元的按钮、旋钮、急停按钮的功能。

表9S7-200CPU224PLC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

17

I1.0

略

0.3mm2蓝色

2

N

接线排N

0.75mm2黑色

18

I1.1

略

0.3mm2蓝色

3

GND

接线排PE

0.75mm2黄绿色

19

I1.2

略

0.3mm2蓝色

4

1M

略

0.3mm2白色

20

I1.3

略

0.3mm2蓝色

5

2M

略

0.3mm2白色

21

I1.4

略

0.3mm2蓝色

6

1L

略

0.3mm2红色

22

I1.5

略

0.3mm2蓝色

7

2L