سلة التسوق الخاصة بك فارغة حاليًا!
اكتشف عجائب PLC الكهربائية في أنظمة الطاقة المتجددة
1. المقدمة
1.1 خلفية البحث وأهميته
مع استمرار تقدم عملية التصنيع العالمية، تشهد الطاقة، باعتبارها حجر الزاوية في التنمية، نموًا متسارعًا في الطلب. ولطالما اعتمد البشر بشكل مفرط على مصادر الطاقة الأحفورية التقليدية، كالفحم والنفط والغاز الطبيعي، مما تسبب في سلسلة من المشاكل الخطيرة. ومن منظور الموارد، تُعدّ هذه المصادر موارد غير متجددة ذات احتياطيات محدودة. وبالمعدل الحالي للاستهلاك، من المتوقع أن يحافظ النفط والغاز الطبيعي على إمدادات فعالة لبضعة عقود فقط، بينما لا يمكن استخراج الفحم إلا لمئات السنين. وقد دق هذا بلا شك ناقوس الخطر بشأن مستقبل التنمية البشرية، وها هي أزمة الطاقة تلوح في الأفق.
من منظور بيئي، تُطلق أنواع الوقود الأحفوري التقليدية كميات كبيرة من الملوثات أثناء الاحتراق، مثل ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين والجسيمات الدقيقة. تُعدّ هذه الملوثات السبب الرئيسي للمشاكل البيئية، مثل تلوث الهواء والأمطار الحمضية، وتُهدد بشكل خطير صحة الإنسان وتوازن النظام البيئي. في الوقت نفسه، أدت الكميات الكبيرة من غازات الدفيئة، مثل ثاني أكسيد الكربون، الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري إلى تفاقم ظاهرة الاحتباس الحراري، مما تسبب في سلسلة من الكوارث البيئية العالمية، مثل ذوبان الأنهار الجليدية وارتفاع منسوب مياه البحار، وتكرار الظواهر المناخية المتطرفة.
في مواجهة التحديات المزدوجة المتمثلة في أزمة الطاقة والتدهور البيئي، أصبح تطوير الطاقة المتجددة إجماعًا عالميًا وخيارًا حتميًا لتحقيق التنمية المستدامة. فالطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة المائية وطاقة الكتلة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية وغيرها، لا تنضب، ولا تُنتج أي ملوثات أو انبعاثات غازات دفيئة تقريبًا أثناء استخدامها، مما يُضر بالبيئة. ويمكن للتطوير الحثيث للطاقة المتجددة أن يُقلل بشكل فعال من الاعتماد على الطاقة الأحفورية التقليدية، ويُقلل من مخاطر إمدادات الطاقة، ويضمن أمن الطاقة. وفي الوقت نفسه، يُمكن أن يُساعد في التخفيف من التلوث البيئي ومشاكل تغير المناخ، ويُعزز التنمية المُنسقة للاقتصاد والمجتمع والبيئة.
في أنظمة الطاقة المتجددة، تلعب تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) الكهربائية دورًا محوريًا وهامًا. وبصفتها نظامًا إلكترونيًا لتشغيل الحوسبة الرقمية، صُممت خصيصًا لتطبيقات البيئات الصناعية، تتميز PLC بخصائص مهمة مثل الموثوقية العالية والمرونة وسهولة البرمجة والصيانة، كما أنها قادرة على التكيف مع بيئة التشغيل المعقدة والمتغيرة والمتطلبات الصارمة لأنظمة الطاقة المتجددة.
في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، يُمكن لـ PLC مراقبة جهد وتيار خرج الألواح الشمسية لحظيًا، وضبط الخوارزمية المتقدمة لضمان عمل الألواح الشمسية دائمًا بأقصى طاقة، مما يُحسّن كفاءة توليد الطاقة بشكل كبير. كما يُمكن لـ PLC التحكم بدقة في عملية شحن وتفريغ البطارية لضمان عملها ضمن نطاق آمن، وتحسين استراتيجية الشحن والتفريغ لإطالة عمرها وتقليل تكاليف النظام. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لـ PLC جمع بيانات آنية لنظام توليد الطاقة الشمسية، مثل توليد الطاقة وحالة المعدات، وتحقيق المراقبة والإدارة عن بُعد عبر شبكة الاتصالات، مما يُمكّن موظفي التشغيل والصيانة من فهم حالة تشغيل النظام في الوقت المناسب، واكتشاف المشكلات وحلها في الوقت المناسب، وتحسين استقرار النظام وموثوقيته.
في نظام توليد طاقة الرياح، يتصل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بمستشعرات سرعة واتجاه الرياح لمراقبة حالة الرياح لحظيًا، وتوفير بيانات دقيقة تدعم تشغيل توربينات الرياح. ووفقًا لتغيرات سرعة واتجاه الرياح، يمكن لجهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) ضبط زاوية ميل وانحراف توربين الرياح بسرعة، لضمان تشغيل الوحدة ضمن نطاق سرعة الرياح الآمن وتحقيق أقصى إنتاج للطاقة، مما يحسن كفاءة استخدام طاقة الرياح. وفي الوقت نفسه، يراقب جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) مختلف معلمات توربين الرياح لحظيًا، ويكتشف الأعطال ويعالجها في الوقت المناسب، ويضمن التشغيل الآمن والمستقر للوحدة، ويقلل من معدل أعطال المعدات وتكاليف الصيانة.
في نظام توليد الطاقة الكهرومائية، يتصل نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بمستشعرات مستوى وتدفق المياه لمراقبة مستوى وتدفق المياه في الخزان أو النهر آنيًا، مما يوفر بيانات أساسية لتشغيل مولد الطاقة الكهرومائية. ووفقًا لتغيرات مستوى وتدفق المياه، يتحكم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة في فتح البوابة وسرعة التوربين، مما يضمن كفاءة تشغيل نظام توليد الطاقة الكهرومائية وتحسين كفاءة تحويل الطاقة المائية. بالإضافة إلى ذلك، يجمع نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة بيانات آنية لنظام توليد الطاقة الكهرومائية، ويحقق المراقبة والإدارة عن بُعد عبر شبكة الاتصالات. وفي الوقت نفسه، يمكن دمجه مع أنظمة إدارة الطاقة الأخرى، مما يمهد الطريق لبناء شبكات الطاقة الصغيرة الذكية وإنترنت الطاقة.
باختصار، يُمكن لتطبيق تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) الكهربائية في أنظمة الطاقة المتجددة أن يُحسّن كفاءة تحويل الطاقة بشكل فعّال، ويُخفّض تكاليف التشغيل، ويُعزّز استقرار النظام وموثوقيته، ويُعزّز تطوير الطاقة المتجددة واستخدامها على نطاق واسع. وللبحث المُعمّق في تطبيق تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) الكهربائية في أنظمة الطاقة المتجددة أهمية نظرية بالغة وقيمة تطبيقية عملية تُسهم في تطوير صناعة الطاقة المتجددة، والتخفيف من أزمات الطاقة والمشاكل البيئية، وتحقيق أهداف التنمية المستدامة.
1.2 حالة البحث الحالية في الداخل والخارج
في السنوات الأخيرة، أصبح تطبيق التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة الطاقة المتجددة مجالًا بحثيًا هامًا محليًا ودوليًا. وقد أجرى العديد من الباحثين ومؤسسات البحث أبحاثًا موسعة ومعمقة حول هذا الموضوع، وحققوا نتائج مثمرة.
في الخارج، تحتل الدول المتقدمة مثل الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا واليابان مكانة رائدة في مجال أبحاث التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) المطبقة على أنظمة الطاقة المتجددة بفضل تقنياتها المتقدمة وقوة بحثها العلمي الراسخة. في مجال توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، تستخدم الولايات المتحدة الأمريكية تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) لتحقيق تحكم دقيق وإدارة فعالة لمحطات الطاقة الكهروضوئية واسعة النطاق. من خلال المراقبة والتحكم الفوري لعدد كبير من الألواح الكهروضوئية، يتم ضمان أن تحافظ كل لوحة كهروضوئية على حالة توليد الطاقة المثلى في ظل ظروف الإضاءة ودرجات الحرارة المختلفة، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة توليد الطاقة الكلية لمحطة الطاقة الكهروضوئية. تُظهر الأبحاث ذات الصلة أن كفاءة توليد الطاقة في محطات الطاقة الكهروضوئية التي يتم التحكم فيها بواسطة تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) تزداد بمقدار 15% - 20% مقارنةً بطرق التحكم التقليدية. في الوقت نفسه، تطبق الولايات المتحدة الأمريكية أيضًا تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في الأبحاث المتعلقة بتكامل الشبكات الذكية والطاقة المتجددة. تُتيح أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مراقبة وتوزيع موارد الطاقة الموزعة في الوقت الفعلي، مما يُسهم بفعالية في حل تأثير انقطاع وتذبذب توليد الطاقة المتجددة على استقرار الشبكة، ويعزز قدرتها على استيعاب الطاقة المتجددة.
حققت ألمانيا إنجازات ملحوظة في أبحاث تطبيقات التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في مجال توليد طاقة الرياح. تستخدم مزارع الرياح الألمانية أنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) على نطاق واسع لتحقيق تحكم ذكي في توربينات الرياح. يتم ربط أجهزة استشعار مختلفة، مثل سرعة الرياح واتجاهها ودرجة الحرارة، من خلال نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، لجمع بيانات تشغيل توربينات الرياح في الوقت الفعلي، وضبط زاوية الميلان والانحراف وسرعة الدوران وغيرها من معلمات الوحدة بدقة بناءً على هذه البيانات، لضمان تشغيل توربينات الرياح في مختلف الظروف المعقدة. يمكنها العمل بثبات في ظل الظروف الجوية وتحقيق أقصى قدر من التقاط الطاقة. تُظهر الأبحاث أن توليد الطاقة من توربينات الرياح التي يتم التحكم فيها بواسطة نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) يزيد بمقدار 10% - 15% مقارنةً بطرق التحكم التقليدية، وينخفض معدل أعطال المعدات بمقدار 30% - 40%. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم ألمانيا أيضًا نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) لتحقيق تحكم منسق في مزارع الرياح وأنظمة تخزين الطاقة، مما يُخفف بشكل فعال من تقلبات طاقة الرياح الناتجة، ويحسن استقرارها وموثوقيتها.
تُركز اليابان على الابتكار التكنولوجي وتوسيع نطاق التطبيقات في أبحاث دمج الطاقة المتجددة مع التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC). وقد طورت اليابان نظامًا منزليًا صغيرًا لتوليد الطاقة الشمسية يعتمد على التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، والذي لا يقتصر على التحكم الفعال في الألواح الشمسية فحسب، بل يتميز أيضًا بوظائف إدارة طاقة ذكية، تُمكّن من ضبط استراتيجيات توليد الطاقة واستهلاكها تلقائيًا وفقًا لطلب المنزل على الكهرباء، بما يحقق الاستخدام الأمثل للطاقة. وفي الوقت نفسه، تُطبق اليابان أيضًا نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة توليد طاقة الكتلة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية، مُحققةً تحكمًا دقيقًا ورصدًا دقيقًا لعملية توليد الطاقة من خلاله، مما يُحسّن كفاءة تحويل الطاقة واستقرار تشغيل النظام.
في الصين، مع تزايد التركيز على تطوير الطاقة المتجددة، أحرزت أبحاث تطبيقات التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة الطاقة المتجددة تقدمًا كبيرًا. وقد أجرت العديد من الجامعات ومؤسسات البحث العلمي أبحاثًا ذات صلة، وحققت سلسلة من النتائج مع حقوق ملكية فكرية مستقلة في مجالات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية وغيرها من مصادر الطاقة المتجددة.
في مجال توليد الطاقة الشمسية، أجرى الباحثون المحليون أبحاثًا وتطبيقاتٍ لاستراتيجيات التحكم PLC لأنظمة توليد الطاقة الشمسية بمختلف أحجامها. ومن خلال تحسين خوارزمية التحكم PLC، يتم تحقيق أقصى تحكم في تتبع نقطة الطاقة للألواح الشمسية، مما يُحسّن كفاءة توليد الطاقة الشمسية. وفي الوقت نفسه، يُستخدم PLC لتحقيق وظائف المراقبة عن بُعد وتشخيص الأعطال في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، مما يُسهّل على موظفي التشغيل والصيانة فهم حالة تشغيل النظام في الوقت المناسب، واستكشاف الأعطال وإصلاحها بسرعة، وتحسين موثوقية النظام واستقراره. كما دمجت بعض الشركات تقنية PLC مع تقنية إنترنت الأشياء لتطوير نظام ذكي لإدارة توليد الطاقة الشمسية، مما يُحقق مراقبة مركزية وإدارة موحدة لمحطات الطاقة الشمسية الموزعة المتعددة، ويُحسّن كفاءة ومستوى ذكاء إدارة الطاقة.
في مجال توليد طاقة الرياح، أجرى الباحثون المحليون أبحاثًا متعمقة حول أنظمة التحكم في طاقة الرياح القائمة على PLC. من خلال تحسين خوارزمية التحكم PLC، يتم تحقيق تحكم دقيق في توربينات الرياح، وتحسين كفاءة استخدام طاقة الرياح واستقرار تشغيل الوحدات. في الوقت نفسه، استجابةً لمشكلة التحكم العنقودي في مزارع الرياح، استخدم الباحثون PLC لبناء نظام تحكم موزع، مما يحقق التحكم المنسق والجدولة الموحدة لتوربينات الرياح المتعددة، مما يحسن بشكل فعال الكفاءة التشغيلية الشاملة ومستوى الإدارة لمزارع الرياح. بالإضافة إلى ذلك، أجرت الصين أيضًا أبحاثًا حول تطبيق PLC في مجال توليد طاقة الرياح البحرية. استجابةً للظروف البيئية القاسية في البحر، تم تطوير نظام تحكم PLC يتميز بموثوقية عالية وقدرات مضادة للتداخل، مما يوفر الدعم الفني لتطوير طاقة الرياح البحرية.
في مجال توليد الطاقة الكهرومائية، يُستخدم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في الصين لتحقيق تحكم ذكي وتوزيع مُحسَّن للتوربينات في محطات الطاقة الكهرومائية. من خلال ربط مستشعرات مستوى المياه، والتدفق، والضغط، وغيرها من خلال نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة، تتم مراقبة ظروف تشغيل محطة الطاقة الكهرومائية آنيًا، ويتم ضبط فتحة ريشة التوجيه، والسرعة، وغيرها من معلمات التوربين تلقائيًا وفقًا لهذه البيانات، مما يحقق كفاءة تحويل الطاقة المائية، ويضمن التشغيل الآمن والمستقر لمعدات توليد الطاقة. وفي الوقت نفسه، يُستخدم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة لتحقيق تحكم مُنسَّق في محطات الطاقة الكهرومائية وشبكات الكهرباء، وتحسين استقرار وموثوقية توليد الطاقة الكهرومائية، وضمان التشغيل الآمن والمستقر لشبكة الكهرباء.
على الرغم من الإنجازات العديدة التي تحققت في مجال أبحاث تطبيقات PLC في أنظمة الطاقة المتجددة محليًا ودوليًا، إلا أنه لا تزال هناك بعض أوجه القصور والمجالات الفارغة التي تحتاج إلى مزيد من البحث. أولًا، هناك نقص في التنسيق والتكامل الفعالين بين استراتيجيات التحكم PLC لمختلف أنواع أنظمة الطاقة المتجددة، مما يجعل من الصعب تحقيق الاستخدام التكميلي والتحكم الأمثل الشامل لمصادر الطاقة المتجددة المتعددة. ثانيًا، في التعامل مع مشاكل توليد الطاقة المتجددة المتقطعة والمتقلبة، على الرغم من إمكانية تعديل تقنية التحكم PLC الحالية إلى حد ما، إلا أنها لا تزال غير قادرة على تلبية المتطلبات الصارمة للشبكات الذكية لاستقرار الطاقة وموثوقيتها. بالإضافة إلى ذلك، فإن البحث في موثوقية PLC ومنع تداخلها في أنظمة الطاقة المتجددة في البيئات المعقدة ليس متعمقًا بما فيه الكفاية، ويحتاج البحث والتطوير وتطبيق التقنيات ذات الصلة إلى مزيد من التعزيز. وأخيرا، لا تزال هناك بعض النواقص في معايير ومواصفات تكامل أنظمة PLC وأنظمة الطاقة المتجددة، مما يسبب إزعاجا في تصميم وتركيب وتشغيل وصيانة النظام، ويقيد الترويج على نطاق واسع وتطبيق PLC في مجال الطاقة المتجددة.
2. نظرة عامة على تكنولوجيا PLC الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة
2.1 مبادئ وخصائص تكنولوجيا PLC الكهربائية
وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، هي نظام إلكتروني رقمي للحوسبة والتشغيل، مصمم للبيئات الصناعية. يعتمد مبدأ عملها الأساسي على التحكم بالبرامج المخزنة، حيث تُخزن البرامج التي يكتبها المستخدم في الذاكرة الداخلية، ثم تُنفذ تعليمات البرنامج بترتيب مُحدد، مما يُحقق تحكمًا دقيقًا بالأجهزة الخارجية.
تتضمن عملية تشغيل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ثلاث مراحل رئيسية: أخذ عينات الإدخال، وتنفيذ برنامج المستخدم، وتحديث المخرجات. في مرحلة أخذ عينات الإدخال، تفحص وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة جميع أطراف الإدخال وتخزن حالة إشارات الإدخال الخارجية (0 أو 1) في سجل صورة الإدخال. تشبه هذه العملية جمع معلومات من البيئة الخارجية لفهم حالة التشغيل الحالية لمختلف الأجهزة. على سبيل المثال، في نظام توليد الطاقة الشمسية، تحصل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة على معلومات مثل جهد وتيار الألواح الشمسية من خلال أخذ عينات الإدخال، بالإضافة إلى بيانات مثل درجة الحرارة المحيطة وشدة الإضاءة التي ترصدها أجهزة استشعار مختلفة.
بعد اكتمال عملية أخذ العينات المدخلة، تبدأ مرحلة تنفيذ برنامج المستخدم. في هذه المرحلة، يقرأ جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) البيانات من سجل صورة الإدخال والسجلات الداخلية الأخرى وفقًا لمنطق البرنامج الذي كتبه المستخدم، ويُجري عمليات منطقية وحسابية وتحكمًا تسلسليًا مُتنوعًا. وكما هو الحال في العقل الذكي، يتخذ الجهاز قرارات مُناسبة بناءً على قواعد مُحددة مسبقًا ومعلومات مُجمعة. على سبيل المثال، في نظام توليد طاقة الرياح، بناءً على بيانات الإدخال مثل سرعة الرياح واتجاهها، يحسب جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) قيم ضبط زاوية الميلان وزاوية الانحراف لتوربين الرياح وفقًا لخوارزمية التحكم في برنامج المستخدم، لضمان تشغيل الوحدة بكفاءة واستقرار.
وأخيرًا، مرحلة تحديث المخرجات. ينقل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) نتائج تشغيل برنامج المستخدم من سجل صورة المخرجات إلى مزلاج المخرجات، ثم يُشغّل الحمل الخارجي للتحكم في الجهاز الخارجي. يشبه هذا نقل عملية اتخاذ القرار من الدماغ إلى أجزاء الجسم المختلفة، مما يُمكّنها من تنفيذ الإجراءات المقابلة. على سبيل المثال، في نظام توليد الطاقة الكهرومائية، يتحكم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في فتح البوابة وسرعة دوران التوربين من خلال تحديث المخرجات، مما يُحقق تحويلًا فعالًا للطاقة المائية وتشغيلًا مستقرًا لمعدات توليد الطاقة.
السبب وراء استخدام PLC على نطاق واسع في مجال التحكم الصناعي، وخاصة في أنظمة الطاقة المتجددة، هو بسبب سلسلة من الميزات المميزة.
تُعد الموثوقية العالية إحدى أبرز ميزات وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). من حيث تصميم الأجهزة، تعتمد وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مجموعة متنوعة من إجراءات منع التداخل. على سبيل المثال، تعتمد قناة الإدخال/الإخراج تقنية العزل الكهروضوئي لقطع الاتصال الكهربائي بين مصدر التداخل الخارجي والدائرة الداخلية بفعالية، مما يمنع تأثير التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي على الإشارة الداخلية لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). تُستخدم أشكال مختلفة من دوائر الترشيح، مثل ترشيح LC وترشيح π، لإمدادات الطاقة والخطوط، والتي يمكنها القضاء على تداخل الترددات العالية أو قمعه بفعالية وضمان استقرار ونقاء مصدر الطاقة. يتم تغليف المكونات المهمة، مثل وحدة المعالجة المركزية (CPU)، بمواد موصلة ومغناطيسية جيدة لتقليل تأثير التداخل الكهرومغناطيسي الفضائي على عملها الطبيعي. من حيث البرمجيات، تعتمد وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وضع المسح الضوئي لتقليل الأعطال الناتجة عن التداخل البيئي الخارجي. في الوقت نفسه، توجد برامج للكشف عن الأعطال والتشخيص الذاتي في برنامج النظام، والتي يمكنها مراقبة حالة دائرة أجهزة النظام في الوقت الفعلي. بمجرد اكتشاف أي عطل، يُمكن حجب المعلومات المهمة الحالية فورًا، ومنع أي عمليات قراءة وكتابة غير مستقرة، وإطلاق إشارة إنذار بوجود عطل. عند عودة البيئة الخارجية إلى وضعها الطبيعي، يُمكنها العودة تلقائيًا إلى حالة ما قبل حدوث العطل ومواصلة العمل الأصلي. تُمكّن هذه الموثوقية العالية وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) من العمل بثبات لفترة طويلة في البيئات المعقدة والقاسية لأنظمة الطاقة المتجددة، مما يضمن استمرارية واستقرار إنتاج الطاقة.
المرونة ميزة مهمة أخرى لـ PLC. يعتمد PLC تصميمًا معياريًا. يمكن للمستخدمين اختيار وحدات ذات وظائف مختلفة بمرونة لدمجها وفقًا لاحتياجات التحكم الفعلية، مثل وحدات الإدخال والإخراج والاتصالات والوظائف الخاصة، إلخ. هذا الهيكل المعياري يجعل توسيع النظام وترقيته أمرًا في غاية السهولة. يمكن للمستخدمين إضافة أو استبدال الوحدات في أي وقت وفقًا للتغيرات في حجم النظام وزيادة المتطلبات الوظيفية دون الحاجة إلى إعادة تصميم واسعة النطاق للنظام بأكمله. في الوقت نفسه، تتميز طريقة برمجة PLC بمرونة عالية وتدعم لغات برمجة متعددة، مثل مخطط السلم، ومخطط كتلة الوظيفة، والنص المنظم، إلخ. لغة مخطط السلم مرئية وبديهية، تشبه مخطط دائرة التحكم الكهربائية، وهي سهلة الاستخدام للغاية للمهندسين ذوي الخبرة في التحكم الكهربائي؛ لغة مخطط كتلة الوظيفة أكثر ملاءمة لوصف علاقات التحكم المنطقية المعقدة، والتي يسهل فهمها وصيانتها؛ تتميز لغة النص المنظم بكفاءة برمجة أعلى ومناسبة لكتابة خوارزميات معقدة وبرامج معالجة البيانات. يمكن للمستخدمين اختيار لغة البرمجة الأكثر ملاءمة للبرمجة وفقًا لعاداتهم ومتطلبات المشروع لتحقيق منطق التحكم المعقد المتنوع.
تُعد قدرات معالجة البيانات القوية ميزةً رئيسيةً لـ PLC. مع التطور المستمر لتكنولوجيا المعالجات الدقيقة، تحسنت سرعة الحوسبة وسعة تخزين البيانات في PLC بشكل كبير. تستطيع PLC الحديثة معالجة عدد كبير من الإشارات الرقمية والتناظرية بسرعة لتنفيذ خوارزميات تحكم معقدة ومهام معالجة بيانات. على سبيل المثال، في أنظمة الطاقة المتجددة، يلزم رصد وتحليل كميات كبيرة من بيانات الطاقة في الوقت الفعلي، مثل توليد الطاقة، ومعامل القدرة، واستهلاك الطاقة، وغيرها. يمكن لـ PLC الحصول على هذه البيانات بسرعة من خلال وحدات اكتساب بيانات عالية السرعة، واستخدام قوتها الحاسوبية الداخلية القوية لتحليل ومعالجة البيانات في الوقت الفعلي، مما يوفر دعمًا دقيقًا للبيانات لإدارة الطاقة والتحكم الأمثل. في الوقت نفسه، تتميز PLC أيضًا بوظائف تخزين البيانات، والتي يمكنها تخزين البيانات التاريخية في الذاكرة الداخلية أو أجهزة التخزين الخارجية، مما يُسهّل على المستخدمين الاستعلام عن البيانات وتحليلها إحصائيًا، ويوفر أساسًا للتشغيل الأمثل وتشخيص أعطال النظام.
بالإضافة إلى ذلك، يتميز نظام PLC بسهولة البرمجة والصيانة، والأداء اللحظي القوي، وقابلية التوسع الجيدة. برمجته بسيطة وسهلة الفهم، ويمكن حتى لغير المتخصصين إتقانها بسرعة. أما فيما يتعلق بالصيانة، فبفضل تصميمه المعياري وخاصية التشخيص الذاتي للأعطال، يمكن لفريق الصيانة تحديد موقع الوحدة المعطوبة واستبدالها بسرعة عند تعطل النظام، مما يُقلل وقت الصيانة بشكل كبير. أما فيما يتعلق بالأداء اللحظي، فيستطيع PLC الاستجابة بسرعة للتغيرات في الإشارات الخارجية وإشارات التحكم في الإخراج في الوقت المناسب، وذلك لتلبية المتطلبات الصارمة لأنظمة الطاقة المتجددة للتحكم اللحظي. كما تُمكّن قابلية التوسع PLC من التواصل والتكامل بسهولة مع الأجهزة الأخرى، مثل تفاعل البيانات مع أجهزة الكمبيوتر المضيفة، وشاشات اللمس، وأجهزة الاستشعار، والمحركات، وغيرها من الأجهزة، لتحقيق وظائف نظام تحكم أكثر تعقيدًا.
2.2 تصنيف وحالة تطوير أنظمة الطاقة المتجددة
إن أنظمة الطاقة المتجددة غنية ومتنوعة، وتغطي بشكل رئيسي الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية، وطاقة الكتلة الحيوية، والطاقة الحرارية الأرضية، وطاقة المحيطات، وغيرها. وهذه المصادر للطاقة كلها مستدامة وصديقة للبيئة، وهي القوى الرئيسية لتعزيز تحول هيكل الطاقة وتحقيق التنمية المستدامة.
تحتل الطاقة الشمسية، باعتبارها طاقة نظيفة لا تنضب، مكانة مهمة في مجال الطاقة المتجددة. تُحقق أنظمة الطاقة الشمسية تحويل الطاقة والاستفادة منها بشكل رئيسي من خلال طريقتين: توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية والاستخدام الحراري الشمسي. يعتمد مبدأ عمل توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية على التأثير الكهروضوئي، أي عندما يضيء ضوء الشمس على الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من مواد شبه موصلة، تتفاعل الفوتونات مع الإلكترونات في شبه الموصل، بحيث تحصل الإلكترونات على طاقة كافية لتوليد أزواج من الإلكترونات والفجوات. تتحرك هذه الإلكترونات والفجوات في اتجاه معين تحت تأثير المجال الكهربائي لتكوين تيار، مما يؤدي إلى التحويل المباشر للطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. مع التقدم المستمر في التكنولوجيا، ازدادت كفاءة توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية تدريجيًا، وانخفضت تكلفتها باستمرار، واتسع نطاق تطبيقها بشكل متزايد. من أنظمة توليد الطاقة خارج الشبكة في المناطق النائية، وتوفير الدعم الكهربائي للمناطق التي لا تستطيع الوصول إلى شبكات الطاقة التقليدية، إلى مشاريع توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة في المدن، مثل تركيب وحدات كهروضوئية على أسطح وجدران المباني، وتحقيق التوليد والاستخدام الذاتي، وربط فائض الطاقة بالشبكة، فقد قلل هذا الاعتماد بشكل فعال من الاعتماد على الطاقة التقليدية وخفض انبعاثات الكربون. ووفقًا لإحصاءات وكالة الطاقة الدولية (IEA)، نمت القدرة العالمية المركبة لتوليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية على مدار العقد الماضي بمعدل سنوي متوسط يزيد عن 25%. وفي عام 2023، وصلت القدرة العالمية المركبة لتوليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية إلى 1470 جيجاوات، وهو ما يمثل 37.33% من إجمالي القدرة العالمية المركبة للطاقة المتجددة.
يعتمد استخدام الطاقة الشمسية الحرارية على امتصاص حرارة أشعة الشمس عبر المجمعات الشمسية وتحويلها إلى طاقة حرارية تُستخدم في التدفئة وتسخين المياه والإنتاج الصناعي وغيرها من المجالات. تُعد سخانات المياه الشمسية الشائعة تطبيقات نموذجية لاستخدام الطاقة الشمسية الحرارية. تستخدم هذه السخانات مجمعات مسطحة أو مجمعات أنبوبية مفرغة لجمع الطاقة الشمسية وتسخين المياه وتخزينها لتلبية احتياجات المياه الساخنة في المنازل أو الأماكن التجارية. كما تُستخدم أنظمة التدفئة الشمسية على نطاق واسع في بعض المناطق الباردة. بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية، يتم تدفئة المباني وتقليل الاعتماد على التدفئة التقليدية بالطاقة الأحفورية. بالإضافة إلى ذلك، تشهد تكنولوجيا توليد الطاقة الشمسية الحرارية تطورًا مستمرًا. باستخدام الطاقة الحرارية عالية الحرارة التي تولدها المجمعات الشمسية لتشغيل توربينات البخار لتوليد الكهرباء، يتم تحقيق التحويل غير المباشر للطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. على الرغم من أن توليد الطاقة الشمسية الحرارية يُمثل حاليًا نسبة صغيرة نسبيًا من هيكل الطاقة العالمي، إلا أنه يتمتع بإمكانيات تطوير كبيرة مع تطور التكنولوجيا وانخفاض التكاليف.
طاقة الرياح هي مصدر مهم للطاقة المتجددة، وتتميز بانتشارها الواسع ونظافتها وخلوها من التلوث. تعتمد أنظمة طاقة الرياح بشكل أساسي على تحويل الطاقة والاستفادة منها من خلال توليدها. يعتمد توليد طاقة الرياح على استخدام طاقة الرياح لدفع شفرات توربينات الرياح إلى الدوران، مما يدفع دوار المولد إلى الدوران، مما يقطع خطوط القوة المغناطيسية لتوليد الكهرباء. هناك أنواع مختلفة من توربينات الرياح، بما في ذلك توربينات الرياح ذات المحور الأفقي وتوربينات الرياح ذات المحور الرأسي، ومن بينها توربينات الرياح ذات المحور الأفقي الأكثر استخدامًا. وفقًا لعدد الشفرات، يمكن تقسيمها إلى توربينات ثنائية الشفرات، وثلاثية الشفرات، وأنواع أخرى مختلفة. أصبحت توربينات الرياح ثلاثية الشفرات المنتجات السائدة في السوق نظرًا لاستقرارها الجيد وكفاءتها العالية.
من حيث حالة التطوير، تُظهر صناعة توليد طاقة الرياح العالمية اتجاهًا سريعًا للتطور. مع الابتكار والتحسين المستمر لتكنولوجيا توليد طاقة الرياح، تستمر سعة الوحدة الواحدة لتوربينات الرياح في الزيادة، وتستمر الكفاءة في التحسن، وتنخفض التكلفة تدريجيًا. بصفتها اتجاهًا مهمًا لتطوير توليد طاقة الرياح، أحرزت طاقة الرياح البحرية تقدمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. موارد طاقة الرياح البحرية وفيرة، وسرعة الرياح مستقرة، ولا تشغل موارد الأرض، لذلك لديها إمكانات تطوير كبيرة. اعتبارًا من عام 2023، وصلت القدرة العالمية المركبة لطاقة الرياح البحرية إلى 60 جيجاوات، وهو ما يمثل 12.3% من إجمالي قدرة طاقة الرياح المثبتة في العالم. في بعض الدول الأوروبية، مثل الدنمارك والمملكة المتحدة وألمانيا، أصبحت طاقة الرياح البحرية أحد مصادر الطاقة المهمة. في الوقت نفسه، تستمر طاقة الرياح البرية في التطور وتستخدم على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم. وفقًا لبيانات المجلس العالمي لطاقة الرياح (GWEC)، ستبلغ سعة طاقة الرياح المُركّبة حديثًا في العالم 90 جيجاواط في عام 2023، وسيصل إجمالي السعة المُركّبة إلى 488 جيجاواط. ومن بين هذه السعة، تُصنّف الصين والولايات المتحدة والهند ودول أخرى من بين الأفضل عالميًا في سعة طاقة الرياح المُركّبة.
الطاقة الكهرومائية مصدر طاقة متجددة ناضج نسبيًا ذو تاريخ طويل من الاستخدام. يحقق نظام الطاقة الكهرومائية بشكل رئيسي تحويل الطاقة والاستفادة منها من خلال توليد الطاقة الكهرومائية. يتمثل مبدأ توليد الطاقة الكهرومائية في استغلال انخفاض ارتفاع المسطحات المائية مثل الأنهار والبحيرات لتحويل الطاقة الكامنة للماء إلى طاقة حركية، ودفع دوران التوربين، ثم تشغيل المولد لتوليد الكهرباء. وفقًا لحجم ونوع محطات الطاقة الكهرومائية، يمكن تقسيمها إلى محطات طاقة كهرومائية كبيرة ومحطات طاقة كهرومائية متوسطة ومحطات طاقة كهرومائية صغيرة. تتميز محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة عادةً بسعة تركيبية كبيرة وتوليد طاقة مستقر، مما يضمن تلبية الطلب على الكهرباء على نطاق واسع؛ بينما تتميز محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة بقصر مدة البناء، وانخفاض تكلفة الاستثمار، وانخفاض التأثير البيئي. وهي مناسبة للبناء في بعض المناطق النائية أو المناطق ذات الموارد المائية المتفرقة لتوفير الدعم الكهربائي للسكان المحليين والشركات.
العالم غني بموارد الطاقة الكهرومائية. ووفقًا لإحصاءات الرابطة الدولية للطاقة الكهرومائية (IHA)، فإن الكمية القابلة للاستغلال من الناحية الفنية لموارد الطاقة الكهرومائية العالمية تبلغ حوالي 44.8 تريليون كيلوواط/ساعة سنويًا. في الوقت الحاضر، تم تشغيل العديد من محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة في جميع أنحاء العالم، مثل محطة الطاقة الكهرومائية Three Gorges في الصين، وهي واحدة من أكبر محطات الطاقة الكهرومائية في العالم، بسعة إجمالية مثبتة تبلغ 22.5 مليون كيلوواط وتوليد طاقة سنوي يزيد عن 100 مليار كيلوواط/ساعة، مما يلعب دورًا داعمًا مهمًا في إمدادات الطاقة والتنمية الاقتصادية في الصين. بالإضافة إلى ذلك، تمتلك البرازيل والولايات المتحدة وكندا ودول أخرى أيضًا كمية كبيرة من موارد الطاقة الكهرومائية والعديد من محطات الطاقة الكهرومائية. في عام 2023، ستصل القدرة العالمية المثبتة للطاقة الكهرومائية إلى 1380 جيجاواط، وهو ما يمثل 35.1% من إجمالي القدرة المثبتة للطاقة المتجددة في العالم. ومع ذلك، يواجه تطوير الطاقة الكهرومائية أيضًا بعض التحديات. على سبيل المثال، قد يكون لبناء محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة تأثير معين على البيئة الإيكولوجية، بما في ذلك التأثير على النظم الإيكولوجية للأنهار، وهجرة الأسماك، وغمر الأراضي، وما إلى ذلك، ويجب مراعاة متطلبات الحماية البيئية والتنمية المستدامة بشكل كامل أثناء عملية التطوير.
تشير طاقة الكتلة الحيوية إلى الطاقة التي تستخدم الكتلة الحيوية (مثل الخشب وقش المحاصيل ونفايات الغابات وبراز الإنسان والحيوان والنفايات العضوية الحضرية والريفية) كمواد خام وتحولها إلى حرارة أو كهرباء أو وقود حيوي من خلال الاحتراق والتغويز والتسييل وما إلى ذلك. تشمل الطرق الرئيسية لاستخدام طاقة الكتلة الحيوية توليد طاقة الكتلة الحيوية وتسخين الكتلة الحيوية ووقود الكتلة الحيوية وما إلى ذلك. توليد طاقة الكتلة الحيوية هو الطاقة الحرارية الناتجة عن احتراق وقود الكتلة الحيوية، مما يدفع المولد لتوليد الكهرباء من خلال دورة حرارية؛ تسخين الكتلة الحيوية هو الاستخدام المباشر للحرارة الناتجة عن احتراق الكتلة الحيوية لتوفير الطاقة الحرارية للمباني أو الإنتاج الصناعي؛ تشمل وقود الكتلة الحيوية الديزل الحيوي وإيثانول الوقود وما إلى ذلك، والتي يمكن استخدامها كطاقة نظيفة لتحل محل الوقود الأحفوري التقليدي وتستخدم في النقل وغيرها من المجالات.
فيما يتعلق بحالة التنمية، تُستخدم طاقة الكتلة الحيوية على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، وخاصة في بعض الدول الغنية بالموارد الزراعية والحرجية. على سبيل المثال، في السويد، تُمثل طاقة الكتلة الحيوية نسبة عالية في هيكل استهلاك الطاقة، ويتم تلبية جزء كبير من الطلب على الطاقة من خلال التدفئة وتوليد الطاقة من الكتلة الحيوية. في البرازيل، يُستخدم وقود الإيثانول، باعتباره شكلاً هاماً من وقود الكتلة الحيوية، على نطاق واسع في مجال النقل، مما يقلل الاعتماد على النفط. ووفقاً لبيانات وكالة الطاقة الدولية (IEA)، سيصل توليد طاقة الكتلة الحيوية العالمي إلى 1400 تيراواط/ساعة في عام 2023، وهو ما يمثل 6.81 تيراواط/ساعة من إجمالي توليد الطاقة المتجددة العالمية. ومع ذلك، يواجه تطوير طاقة الكتلة الحيوية أيضاً بعض المشاكل، مثل ارتفاع تكلفة جمع ونقل المواد الخام للكتلة الحيوية، وحاجة كفاءة تكنولوجيا تحويل طاقة الكتلة الحيوية إلى مزيد من التحسين، والتلوث البيئي الذي قد ينتج عن استخدام طاقة الكتلة الحيوية. وتحتاج هذه المشاكل إلى حل من خلال الابتكار التكنولوجي ودعم السياسات.
الطاقة الحرارية الأرضية هي الطاقة الحرارية المخزنة في باطن الأرض. تُستخدم في التدفئة وتوليد الطاقة والإنتاج الصناعي وغيرها من المجالات، وذلك باستخراج الماء الساخن أو البخار من باطن الأرض عبر آبار حرارية أرضية. يشمل استخدام الطاقة الحرارية الأرضية بشكل رئيسي توليد الطاقة الحرارية الأرضية والاستخدام المباشر لها. يستخدم توليد الطاقة الحرارية الأرضية الطاقة الحرارية للمياه الساخنة أو البخار الجوفية لتشغيل توربينات البخار لتوليد الكهرباء، مما يُحوّل الطاقة الحرارية الأرضية إلى طاقة كهربائية. أما الاستخدام المباشر للطاقة الحرارية الأرضية فيستخدمها مباشرةً في التدفئة وإمدادات المياه الساخنة وزراعة البيوت الزجاجية والاستحمام بالينابيع الساخنة وغيرها من المجالات، مما يتميز بكفاءته العالية وحماية البيئة وتوفير الطاقة.
العالم غني بموارد الطاقة الحرارية الأرضية. تشير التقديرات إلى أن إجمالي كمية موارد الطاقة الحرارية الأرضية العالمية يعادل 49.3 مليار طن من الفحم القياسي سنويًا. في بعض البلدان الغنية بموارد الطاقة الحرارية الأرضية، مثل أيسلندا ونيوزيلندا والولايات المتحدة، تم تطوير الطاقة الحرارية الأرضية واستخدامها على نطاق واسع. تُعد أيسلندا واحدة من أكثر الدول تطوراً في استخدام الطاقة الحرارية الأرضية في العالم. يأتي أكثر من 80% من طاقتها من الطاقة الحرارية الأرضية. من خلال التدفئة وتوليد الطاقة الحرارية الأرضية، حققت أيسلندا الاكتفاء الذاتي من الطاقة وخفضت بشكل كبير انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. في عام 2023، ستصل قدرة توليد الطاقة الحرارية الأرضية العالمية إلى 15 جيجاواط، وستصل القدرة المركبة للطاقة الحرارية الأرضية المباشرة إلى 85 جيجاواط. ومع ذلك، يواجه تطوير الطاقة الحرارية الأرضية أيضًا بعض التحديات، مثل التكلفة العالية لاستكشاف وتطوير موارد الطاقة الحرارية الأرضية، والصعوبة التقنية الأكبر، والتأثير المحتمل لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية على موارد المياه الجوفية والبيئة الجيولوجية. ومن الضروري تعزيز البحث والتطوير التقني وتدابير حماية البيئة أثناء عملية التطوير.
تشير طاقة المحيطات إلى استخدام الطاقة الموجودة في المحيط، مثل طاقة المد والجزر، وطاقة الأمواج، وطاقة فرق درجة الحرارة، وطاقة فرق الملوحة، وطاقة تيارات المحيطات، لتحويلها إلى طاقة كهربائية أو أشكال أخرى من الطاقة. تتميز طاقة المحيطات بانخفاض كثافة الطاقة، وانتشارها الواسع، وقدرتها العالية على التجدد، إلا أنها يصعب تطويرها والاستفادة منها. تستخدم طاقة المد والجزر الطاقة الحركية أو الطاقة الكامنة الناتجة عن تغيرات منسوب مياه المد والجزر لتشغيل التوربينات لتدويرها وتوليد الكهرباء؛ وتستخدم طاقة الأمواج تقلبات أمواج المحيط لتحويلها إلى طاقة كهربائية من خلال أجهزة تحويل طاقة الأمواج؛ وتستخدم طاقة فرق درجة الحرارة فرق درجة الحرارة بين سطح المحيط ومياهه العميقة لتشغيل المولدات لتوليد الكهرباء من خلال الدورات الحرارية؛ وتستخدم طاقة فرق الملوحة فرق الملوحة بين مياه البحر والمياه العذبة لتوليد الكهرباء من خلال العمليات الكيميائية؛ وتستخدم طاقة تيارات المحيطات تيارات المحيط لتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء.
في الوقت الحاضر، لا يزال تطوير واستخدام طاقة المحيطات في مرحلة التطوير. وعلى الرغم من إجراء أبحاث ومشاريع تجريبية ذات صلة في بعض البلدان والمناطق، إلا أن التطبيق التجاري واسع النطاق لم يتحقق بعد بشكل عام. على سبيل المثال، في المملكة المتحدة، تم بناء بعض محطات طاقة المد والجزر، مثل محطة سيفرن إستواري لتوليد طاقة المد والجزر، وأُجريت استكشافات عملية لتوليد طاقة المد والجزر؛ وفي النرويج، أُجريت أبحاث وتجارب على توليد طاقة الأمواج، وتحققت بعض النتائج التقنية. ومع ذلك، يواجه تطوير طاقة المحيطات العديد من الصعوبات التقنية، مثل انخفاض كفاءة تحويل الطاقة، وضعف موثوقية المعدات، وارتفاع تكاليف البناء والصيانة. من الضروري مواصلة تعزيز البحث والتطوير والابتكار التكنولوجي لتحسين جدوى تطوير طاقة المحيطات واستخدامها اقتصاديًا.
على الرغم من أن مختلف أنواع أنظمة الطاقة المتجددة قد حققت إنجازات تنموية ملحوظة حول العالم، إلا أنها لا تزال تواجه العديد من التحديات خلال عملية التطوير. أولًا، تبرز مشكلة تقطع وتقلب الطاقة المتجددة. يعتمد توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية على ظروف الإضاءة، حيث لا يمكن توليد الكهرباء إلا عند وجود ضوء الشمس خلال النهار، ويتذبذب توليد الطاقة تبعًا لشدة الإضاءة وتغيرات الطقس. يعتمد توليد طاقة الرياح على سرعة الرياح واتجاهها، حيث يؤثر عدم استقرار سرعة الرياح على إنتاج توربينات الرياح، مما يؤدي إلى تذبذب كبير في الطاقة. وقد أدى هذا التقطع والتقلب إلى تحديات هائلة للتشغيل المستقر لنظام الطاقة، والتي يجب حلها من خلال تقنيات تخزين الطاقة، وبناء الشبكات الذكية، والتكامل بين مصادر الطاقة المتعددة.
ثانيًا، لا تزال تكلفة تطوير الطاقة المتجددة واستخدامها مرتفعة نسبيًا. على الرغم من أن تكلفة الطاقة المتجددة، كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح، تتناقص تدريجيًا مع تقدم التكنولوجيا، إلا أنها لا تزال تفتقر إلى القدرة التنافسية الكافية مقارنةً بالطاقة الأحفورية التقليدية. على سبيل المثال، تُعد التكلفة الاستثمارية الأولية لتوليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية مرتفعة نسبيًا، بما في ذلك تكاليف شراء وتركيب الوحدات الكهروضوئية، والعاكسات، والأقواس، وغيرها من المعدات، بالإضافة إلى تكاليف الصيانة اللاحقة؛ كما أن تكاليف تصنيع وتركيب وتشغيل وصيانة معدات توليد طاقة الرياح مرتفعة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، يواجه تطوير الطاقة المتجددة قيودًا على موارد الأراضي والمياه وغيرها من الجوانب، مما يزيد من تكلفة التطوير.
علاوة على ذلك، لا بد من تعزيز الابتكار التكنولوجي وتدريب الكفاءات في مجال الطاقة المتجددة. على الرغم من تحقيق سلسلة من الإنجازات التكنولوجية في هذا المجال، لا تزال هناك العديد من القضايا التقنية الرئيسية التي تحتاج إلى مزيد من التطوير، مثل تقنية الخلايا الشمسية عالية الكفاءة، وتقنية تخزين الطاقة ذات السعة الكبيرة، وتقنية الشبكات الذكية، وغيرها. في الوقت نفسه، ومع التطور السريع لصناعة الطاقة المتجددة، يتزايد الطلب على الكوادر المهنية والتقنية. ومع ذلك، فإن نظام التدريب الحالي للكفاءات ذات الصلة ليس مثاليًا بما يكفي، ومشكلة نقص الكفاءات تُعيق تطوير صناعة الطاقة المتجددة.
بالإضافة إلى ذلك، لا يزال دعم السياسات وآلية السوق للطاقة المتجددة بحاجة إلى مزيد من التحسين. على الرغم من أن الحكومات قد وضعت سلسلة من السياسات لتشجيع تطوير الطاقة المتجددة، مثل سياسات الدعم وسياسات تسعير الكهرباء المتصلة بالشبكة، إلا أن تنفيذ هذه السياسات لا يزال يواجه بعض المشاكل، مثل ضعف تطبيق أموال الدعم، وعدم استقرار السياسات واستدامتها، وغيرها. كما أن آلية المنافسة في سوق الطاقة المتجددة ليست مثالية بما فيه الكفاية، وهناك مشاكل مثل ارتفاع عوائق الوصول إلى السوق وضعف الرقابة على السوق، مما أثر على التطور السليم لصناعة الطاقة المتجددة.
2.3 التوافق بين أنظمة PLC وأنظمة الطاقة المتجددة
يعتبر PLC متوافقًا للغاية مع أنظمة الطاقة المتجددة في العديد من الجوانب الرئيسية، ويمكنه تلبية احتياجات التحكم في أنظمة الطاقة المتجددة بشكل فعال، ويلعب دورًا حيويًا في تحسين استقرار النظام وكفاءته.
فيما يتعلق بتلبية متطلبات التحكم، تتطلب أنظمة الطاقة المتجددة تحكمًا دقيقًا ومرنًا نظرًا لخصائص مصادر الطاقة. على سبيل المثال، تتغير العوامل البيئية، مثل شدة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة، باستمرار، مما يتطلب من النظام ضبط حالة عمل الألواح الكهروضوئية لحظيًا لتحقيق أقصى إنتاج للطاقة. بفضل عملياته المنطقية القوية وقدراته على معالجة البيانات، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ربط أجهزة استشعار مختلفة، مثل مستشعرات الضوء ودرجة الحرارة، لجمع البيانات البيئية لحظيًا، وحسابها بدقة بناءً على خوارزميات معقدة مُعدّة مسبقًا، مثل خوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT). يتم حساب جهد وتيار التشغيل الأمثل للألواح الكهروضوئية، وضبط معلمات العاكس والمعدات الأخرى بحيث تعمل الألواح الكهروضوئية دائمًا بالقرب من نقطة القدرة القصوى، مما يُحسّن كفاءة توليد الطاقة بشكل كبير. ووفقًا لأبحاث ذات صلة، يمكن زيادة كفاءة توليد الطاقة لأنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية التي يتم التحكم فيها بواسطة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بمقدار 10% إلى 20% مقارنةً بطرق التحكم التقليدية.
في أنظمة توليد طاقة الرياح، يُعد عدم استقرار سرعة الرياح واتجاهها عاملاً رئيسياً يؤثر على كفاءة توليد الطاقة وسلامة المعدات. بعد توصيل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بمستشعرات سرعة الرياح واتجاهها، يمكنها رصد تغيرات ظروف الرياح في الوقت الفعلي. عندما تكون سرعة الرياح عالية جدًا أو منخفضة جدًا، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ضبط زاوية ميل توربين الرياح بسرعة، وتغيير الزاوية بين الشفرات واتجاه الرياح، وبالتالي ضبط القوة على الشفرات بحيث تعمل الوحدة بثبات ضمن نطاق سرعة الرياح الآمن؛ وعندما يتغير اتجاه الرياح، تتحكم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) في نظام الانحراف لضبط اتجاه توربين الرياح بحيث يواجه دائمًا اتجاه الرياح لتحقيق أقصى قدر من التقاط الطاقة. يمكن أن يؤدي هذا التحكم الدقيق إلى تحسين كفاءة استخدام طاقة الرياح بشكل فعال، مع تقليل خطر تلف المعدات بسبب القوة غير المتساوية وإطالة عمر الخدمة للمعدات.
في أنظمة توليد الطاقة الكهرومائية، تؤثر تقلبات منسوب المياه وتدفقها بشكل كبير على كفاءة توليد الطاقة واستقرار تشغيل المعدات. يتصل نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بأجهزة استشعار منسوب المياه وتدفقها لمراقبة بيانات منسوب المياه وتدفقها في الخزانات أو الأنهار آنيًا. بناءً على هذه البيانات، يتحكم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة بدقة في فتح البوابة وسرعة التوربين. عندما يكون منسوب المياه مرتفعًا وتدفق المياه كبيرًا، يتم زيادة فتح البوابة بشكل مناسب وزيادة سرعة التوربين للاستفادة الكاملة من طاقة المياه؛ وعندما يكون منسوب المياه منخفضًا وتدفق المياه منخفضًا، يتم تقليل فتح البوابة بشكل معقول وتعديل سرعة التوربين لضمان التشغيل الآمن للمعدات وتحقيق تشغيل فعال ومستقر لنظام توليد الطاقة الكهرومائية.
فيما يتعلق بتحسين استقرار النظام، تلعب وظيفة الموثوقية العالية وتشخيص الأعطال في PLC دورًا رئيسيًا. عادةً ما يتم تركيب أنظمة الطاقة المتجددة في بيئات قاسية نسبيًا، مثل مزارع الرياح في المناطق الجبلية النائية ومحطات الطاقة الشمسية في المناطق الصحراوية. تواجه المعدات العديد من التحديات مثل ارتفاع درجة الحرارة والرطوبة العالية والتداخل الكهرومغناطيسي القوي. يعتمد PLC سلسلة من إجراءات مكافحة التداخل المتقدمة في الأجهزة والبرمجيات، مثل العزل الكهروضوئي، ودوائر الترشيح، وتكنولوجيا التدريع في الأجهزة، ووضع عمل المسح، وبرامج الكشف عن الأعطال والتشخيص الذاتي في البرامج، وما إلى ذلك، والتي يمكن أن تعمل بثبات لفترة طويلة في البيئات القاسية لضمان استمرارية إنتاج الطاقة. في حالة تعطل النظام، يمكن لبرنامج التشخيص الذاتي لـ PLC اكتشاف نقطة العطل بسرعة وإرسال معلومات العطل إلى موظفي التشغيل والصيانة في الوقت المناسب عبر شبكة الاتصالات. في الوقت نفسه، يتم اتخاذ تدابير الحماية المقابلة مثل إيقاف التشغيل والإنذار لتجنب توسع الأعطال وضمان سلامة النظام. على سبيل المثال، في مزرعة رياح كبيرة، بعد اعتماد نظام التحكم PLC، تم تقليل معدل فشل المعدات بمقدار 30%-40% مقارنة بنظام التحكم التقليدي، مما أدى إلى تحسين استقرار التشغيل وموثوقية مزرعة الطاقة بشكل كبير.
فيما يتعلق بتحسين كفاءة النظام، تتميز برمجة PLC المرنة وقدرات التحكم الذكي بمزايا هامة. فمن خلال كتابة برامج تحكم فعّالة، يُمكن لـ PLC تحقيق التعاون بين مختلف الأجهزة في نظام الطاقة المتجددة وتحسين عملية إنتاج ونقل الطاقة. في نظام توليد الطاقة التكميلي للطاقة الشمسية وطاقة الرياح، يُوزّع PLC بشكل معقول نسبة توليد الطاقة الشمسية وتوليد طاقة الرياح بناءً على بيانات شدة الضوء وسرعة الرياح في الوقت الفعلي. فعندما يكون الضوء كافيًا وسرعة الرياح منخفضة، تُعطى الأولوية لتوليد الطاقة الشمسية؛ وعندما يكون الضوء غير كافٍ وسرعة الرياح عالية، يُزيد من نسبة توليد طاقة الرياح، ويُحقق المزايا التكاملية لمصدري الطاقة، ويُحسّن الكفاءة الإجمالية لتوليد الطاقة في النظام. وفي الوقت نفسه، يُمكن لـ PLC أيضًا إدارة تخزين الطاقة وتوزيعها بذكاء، والتحكم بشكل معقول في عملية شحن وتفريغ البطارية بناءً على الطلب على الطاقة وإنتاجها، وتخزين الطاقة الكهربائية الزائدة، وإطلاقها عند نقص إمدادات الطاقة لضمان استقرار إمدادات الطاقة وتحسين كفاءة الطاقة بشكل أكبر.
بالإضافة إلى ذلك، تتميز وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بقدرات اتصال ممتازة، ويمكنها التواصل والتكامل بسهولة مع الأجهزة والأنظمة الأخرى. في أنظمة الطاقة المتجددة، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة تبادل البيانات مع أجهزة الكمبيوتر المضيفة، وأنظمة المراقبة، والشبكات الذكية، وغيرها، لتحقيق المراقبة عن بُعد، وتحليل البيانات، وجدولة الطاقة، وغيرها من الوظائف. من خلال المراقبة عن بُعد، يمكن لموظفي التشغيل والصيانة فهم حالة تشغيل النظام آنيًا، واكتشاف المشكلات ومعالجتها في الوقت المناسب، وتحسين كفاءة التشغيل والصيانة. ومن خلال تحليل البيانات، يمكن تقييم أداء تشغيل النظام وتحسينه لزيادة استقراره وكفاءته. ومن خلال التكامل مع الشبكات الذكية، يمكن دمج أنظمة الطاقة المتجددة بشكل أفضل في شبكة الكهرباء، وتحقيق توزيع معقول للطاقة واستخدام فعال لها، ووضع الأساس لبناء نظام طاقة ذكي.
3. تطبيق PLC في نظام توليد الطاقة الشمسية
3.1 التحكم في تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)
في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، يعد التحكم في تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) تقنية أساسية لتحسين كفاءة توليد الطاقة، ويلعب PLC دورًا مهمًا في تحقيق التحكم في MPPT بفضل قدراته القوية في التحكم والحوسبة.
3.1.1 خوارزمية التحكم MPPT
في الوقت الحاضر، تتضمن خوارزميات التحكم MPPT الشائعة بشكل أساسي طريقة ملاحظة الاضطراب، وطريقة زيادة التوصيل، وطريقة التحكم المنطقي الضبابي، وما إلى ذلك. ولكل خوارزمية مبادئها وخصائصها الفريدة.
طريقة مراقبة الاضطرابات هي خوارزمية MPPT شائعة الاستخدام، ذات مبدأ بسيط نسبيًا. يتمثل مبدأها الأساسي في تطبيق اضطراب طفيف دوريًا على جهد أو تيار تشغيل المصفوفة الكهروضوئية، ثم ملاحظة التغيرات في طاقة خرج المصفوفة. إذا زادت الطاقة، استمر في الاضطراب في نفس الاتجاه؛ وإذا انخفضت، غيّر اتجاه الاضطراب. لنأخذ اضطراب الجهد كمثال، وبافتراض أن جهد تشغيل المصفوفة الكهروضوئية في اللحظة الحالية هو V_k، يُطبّق اضطراب طفيف في الجهد \Delta V للحصول على جهد تشغيل جديد V_{k + 1} = V_k +\Delta V. ثم قارن طاقة خرج المصفوفة الكهروضوئية P_k وP_{k + 1} قبل الاضطراب وبعده. إذا كانت P_{k + 1}>P_k، فإن الاضطراب التالي لا يزال \Delta V؛ وإذا كانت P_{k + 1}
تعتمد طريقة زيادة الموصلية على المنحنى المميز للخلايا الكهروضوئية، وتستخدم العلاقة المشتقة بين القدرة والجهد لتحقيق تتبع أقصى نقطة قدرة. في خصائص خرج الخلايا الكهروضوئية، تكون المشتقة من الدرجة الأولى للقدرة إلى الجهد عند أقصى نقطة قدرة صفرًا، أي أن dP=0. ووفقًا لقانون أوم P=VI، يمكن استنتاج أن dP=1 + V=0. عند أقصى نقطة قدرة، يكون I + V=0، أي أن dI=1 = -1. تكتشف طريقة زيادة الموصلية الجهد والتيار I لمصفوفة الخلايا الكهروضوئية آنيًا، وتحسب زيادة الموصلية الحالية dI=1، ثم تقارنها بـ -1. عندما يكون dI>dV>-IV، فهذا يعني أن نقطة التشغيل الحالية تقع على الجانب الأيسر من نقطة القدرة القصوى، ويجب زيادة جهد التشغيل؛ وعندما يكون dI>dV<-IV>، فهذا يعني أن نقطة التشغيل الحالية تقع على الجانب الأيمن من نقطة القدرة القصوى، ويجب خفض جهد التشغيل؛ وعندما يكون dI>dV>=-IV>، يُعتبر أن المصفوفة الكهروضوئية تعمل بالفعل عند نقطة القدرة القصوى. بالمقارنة مع طريقة مراقبة الاضطراب، تتميز طريقة زيادة الموصلية بدقة تتبع أعلى وسرعة استجابة أسرع. يمكنها تتبع التغيرات في شدة الضوء ودرجة الحرارة بشكل أسرع وتقليل فقد الطاقة. ومع ذلك، تتطلب هذه الخوارزمية عمليات رياضية أكثر تعقيدًا ولها متطلبات عالية على قوة الحوسبة للأجهزة. في التطبيقات العملية، بسبب تأثير عوامل مثل أخطاء قياس المستشعر، قد تنخفض دقة التتبع.
التحكم المنطقي الضبابي هو خوارزمية تحكم ذكية مبنية على نظرية الرياضيات الضبابية. يحاكي هذا النظام طريقة تفكير الإنسان، ويحول كمية الإدخال الدقيقة إلى كمية ضبابية، ثم يتخذ استنتاجات ويتخذ قرارات وفقًا لقواعد ضبابية محددة مسبقًا. وأخيرًا، يتم تحويل المخرج الضبابي إلى مخرج دقيق لتحقيق التحكم في النظام. في نظام التحكم MPPT، يستخدم أسلوب التحكم المنطقي الضبابي عادةً تغير الجهد \Delta V وتغير القدرة \Delta P لمصفوفة الخلايا الكهروضوئية كمتغيرات إدخال، وتعديل الجهد \Delta V_{adj} كمتغير إخراج. أولًا، يتم تضبيط متغيرات الإدخال والمخرجات وتقسيمها إلى مجموعات فرعية ضبابية مختلفة، مثل سالب كبير، سالب متوسط، سالب صغير، صفر، موجب صغير، موجب متوسط، موجب كبير، إلخ، ويتم تحديد دالة العضوية لكل مجموعة فرعية ضبابية. بعد ذلك، يتم صياغة القواعد الضبابية بناءً على خبرة الخبراء أو البيانات التجريبية. على سبيل المثال، إذا كانت قيمة \Delta V موجبة وصغيرة وقيمة \Delta P موجبة وصغيرة، فإن قيمة \Delta V_{adj} تساوي صفرًا؛ وإذا كانت قيمة \Delta V موجبة وصغيرة وقيمة \Delta P سالبة وصغيرة، فإن قيمة \Delta V_{adj} سالبة وصغيرة، وهكذا. وأخيرًا، ومن خلال الاستدلال الضبابي ومعالجة إزالة الضبابية، يتم الحصول على ضبط دقيق للجهد \Delta V_{adj} لضبط جهد التشغيل لمصفوفة الخلايا الكهروضوئية. تتمثل مزايا طريقة التحكم المنطقي الضبابي في أنها لا تتطلب نماذج رياضية معقدة للنظام، ويمكنها التكيف مع البيئات المعقدة والمتغيرة، وتتميز بمتانة وقدرة عالية على التكيف، ويمكنها مع ذلك الحفاظ على أداء تتبع جيد عند تغير شدة الضوء ودرجة الحرارة بشكل كبير. ومع ذلك، فإن صياغة القواعد الضبابية لهذه الخوارزمية تتطلب خبرة واسعة وكمية كبيرة من البيانات التجريبية الداعمة، كما أن عقلانية القواعد تؤثر بشكل مباشر على تأثير التحكم. إذا لم تتم صياغة القواعد بشكل معقول، فقد ينخفض أداء التحكم.
3.1.2 مبدأ التحكم MPPT الذي يتم تنفيذه بواسطة PLC
عملية تحقيق PLC للتحكم في MPPT هي عملية تجمع بشكل وثيق بين الأجهزة والبرامج لإعطاء اللعب الكامل لقدرات معالجة البيانات والتحكم المنطقي. على مستوى الأجهزة، يحتاج PLC إلى إنشاء اتصالات مع أجهزة استشعار ومشغلات مختلفة للحصول على بيانات دقيقة في الوقت الفعلي وتحقيق التحكم الدقيق في المعدات ذات الصلة. من خلال الاتصال بمستشعر الضوء، يمكن لـ PLC الحصول على معلومات شدة الضوء في الوقت الفعلي. شدة الضوء هي أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على طاقة خرج اللوحة الشمسية. تحت شدة الضوء المختلفة، ستتغير نقطة العمل المثلى للوحة الشمسية أيضًا وفقًا لذلك؛ مع درجة الحرارة يمكن لاتصال المستشعر مراقبة درجة الحرارة المحيطة في الوقت الفعلي، لأن درجة الحرارة لها أيضًا تأثير كبير على أداء الألواح الشمسية. مع زيادة درجة الحرارة، سينخفض جهد الدائرة المفتوحة للوحة الشمسية وسيزداد تيار الدائرة القصيرة قليلاً، مما يؤثر على طاقة خرجها.
بالإضافة إلى ذلك، يجب توصيل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بمستشعر الجهد والتيار لجمع جهد وتيار خرج اللوحة الشمسية في الوقت الفعلي. تنقل هذه المستشعرات الإشارات التناظرية المجمعة إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، التي تُحوّل الإشارات التناظرية إلى إشارات رقمية عبر وحدة الإدخال التناظرية الداخلية الخاصة بها للمعالجة والتحليل اللاحقين. من حيث المحركات، تتحكم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بشكل أساسي في حالة تشغيل العاكس. يُعد العاكس جهازًا رئيسيًا في نظام توليد الطاقة الشمسية. تتمثل وظيفته في تحويل طاقة التيار المستمر الصادرة عن اللوحة الشمسية إلى طاقة تيار متردد لاستخدامها في الحمل أو لتوصيلها بشبكة الطاقة. تضبط وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) جهد وتيار تشغيل اللوحة الشمسية من خلال التحكم في تردد التبديل ودورة العمل وغيرها من معلمات العاكس، مما يحقق التحكم في MPPT.
على مستوى البرنامج، يكتب PLC البرنامج المقابل وفقًا لخوارزمية التحكم MPPT المحددة. باستخدام طريقة مراقبة الاضطراب كمثال، يقرأ برنامج PLC أولاً جهد الخرج V_k والتيار I_k للوحة الشمسية الحالية التي يجمعها المستشعر، ويحسب طاقة الخرج الحالية P_k = V_kI_k. بعد ذلك، وفقًا لحجم خطوة الاضطراب المحدد مسبقًا \Delta V، يتم إزعاج جهد التشغيل للحصول على جهد جديد V_{k + 1} = V_k +\Delta V، ويتم التحكم في اللوحة الشمسية للعمل بالجهد الجديد عن طريق التحكم في العاكس. اقرأ جهد الخرج V_{k + 1} والتيار I_{k + 1} مرة أخرى، واحسب طاقة الخرج الجديدة P_{k + 1} = V_{k + 1}I_{k + 1}. قارن حجم P_{k + 1} وP_k. إذا كان P_{k + 1}>P_k، فهذا يعني أن اتجاه الاضطراب الحالي صحيح، وسيستمر الاضطراب في نفس الاتجاه في المرة القادمة. إذا كان P_{k + 1}
بالنسبة لطريقة زيادة التوصيل، بعد قراءة بيانات الجهد والتيار، سيحسب برنامج PLC زيادة توصيل التيار \frac{dI}{dV} و-\frac{I}{V} ويقارنهما. وفقًا لنتائج المقارنة، يتم ضبط جهد تشغيل اللوحة الشمسية عن طريق التحكم في العاكس لجعله قريبًا من أقصى نقطة طاقة. إن التنفيذ البرمجي لطريقة التحكم المنطقي الضبابي أكثر تعقيدًا. يجب برمجة PLC وفقًا لخطوات التشويش والاستدلال الضبابي وإزالة التشويش. أولاً، يتم تشويش تغيير جهد الدخل \Delta V وتغيير الطاقة \Delta P، ويتم تحديد عضويتهم في كل مجموعة فرعية ضبابية وفقًا لدالة العضوية المحددة مسبقًا؛ ثم تُستخدم القواعد الضبابية للاستدلال للحصول على الناتج الضبابي؛ وأخيرًا، يتم تحويل الناتج الضبابي إلى تعديل دقيق للجهد \Delta V_{adj} من خلال إزالة التشويش، ويتم ضبط جهد تشغيل اللوحة الشمسية عن طريق التحكم في العاكس.
3.1.3 التأثير على تحسين كفاءة توليد الطاقة الشمسية
تلعب تقنية التحكم MPPT التي يتم تنفيذها بواسطة PLC دورًا مهمًا في تحسين كفاءة توليد الطاقة الشمسية، وهو ما ينعكس بشكل أساسي في الجوانب التالية.
يُعد تحسين استخدام الطاقة أهم وأبرز أدوارها. في عملية توليد الطاقة الشمسية، تتغير العوامل البيئية، مثل شدة الضوء ودرجة الحرارة، باستمرار، مما يؤدي إلى تغير مستمر في أقصى نقطة طاقة للوح الشمسي. إذا لم تتمكن الألواح الشمسية من العمل دائمًا عند أقصى نقطة طاقة، فلن تتمكن من تحويل كمية كبيرة من الطاقة الشمسية بفعالية إلى طاقة كهربائية، مما يؤدي إلى هدر الطاقة. من خلال التحكم في MPPT، يمكن لـ PLC تتبع أقصى نقطة طاقة للوح الشمسي في الوقت الفعلي وضبط حالة تشغيله في الوقت المناسب وفقًا للتغيرات البيئية لضمان توليد الطاقة الكهربائية بأعلى كفاءة ممكنة. تُظهر الأبحاث ذات الصلة وبيانات التطبيق العملي أن كفاءة توليد الطاقة لنظام توليد الطاقة الشمسية باستخدام PLC لتحقيق التحكم في MPPT يمكن زيادتها بمقدار 10% - 30% مقارنةً بنظام بدون التحكم في MPPT. على سبيل المثال، في مشروع توليد الطاقة الشمسية، عند عدم استخدام التحكم في MPPT، كان متوسط كفاءة توليد الطاقة للألواح الشمسية 15%. بعد إدخال التحكم MPPT الذي تم تنفيذه بواسطة PLC، زادت كفاءة توليد الطاقة إلى 20%، وتحسن معدل استخدام الطاقة بشكل كبير.
يُعدّ خفض تكاليف النظام من أهم مزايا التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) لتحقيق التحكم بتقنية MPPT. فمن جهة، بفضل تحسين كفاءة توليد الطاقة، يُمكن تقليل عدد الألواح الشمسية المستخدمة مع تلبية نفس الطلب على الطاقة. تُعدّ الألواح الشمسية العنصر الرئيسي في تكلفة أنظمة توليد الطاقة الشمسية، ويُسهم تقليل استخدامها بشكل مباشر في خفض تكلفة الاستثمار الأولية للنظام. من جهة أخرى، يُتيح توليد الطاقة بكفاءة توليد المزيد من الكهرباء في الوقت نفسه، مما يُقلل الاعتماد على مصادر الطاقة الاحتياطية الأخرى، ويُقلل تكاليف شراء الطاقة ومتطلبات سعة معدات تخزين الطاقة، ويُقلل بالتالي من التكلفة الإجمالية للنظام.
لا ينبغي تجاهل تعزيز استقرار وموثوقية النظام. في أنظمة توليد الطاقة الشمسية التقليدية، نظرًا لصعوبة تتبع نقطة القدرة القصوى آنيًا، تتقلب طاقة خرج اللوحة الشمسية بشكل كبير عند تغير العوامل البيئية، مثل شدة الضوء ودرجة الحرارة، مما يؤثر سلبًا على التشغيل العادي للحمل، وقد يتسبب أيضًا في تلف المعدات الأخرى في النظام. يستجيب نظام التحكم MPPT المُدار بواسطة PLC بسرعة للتغيرات البيئية، ويضبط حالة عمل اللوحة الشمسية في الوقت المناسب، ويحافظ على استقرار طاقة الخرج نسبيًا، ويقلل بشكل فعال من تأثير تقلبات الطاقة على النظام، ويحسن استقراره وموثوقيته. في الوقت نفسه، تُراقب وظائف تشخيص الأعطال والحماية في PLC حالة تشغيل النظام آنيًا. عند اكتشاف أي عطل، يمكن اتخاذ تدابير الحماية المناسبة في الوقت المناسب، مثل إيقاف التشغيل والإنذار، لتجنب تفاقم العطل وضمان التشغيل الآمن للنظام.
3.2 إدارة تخزين طاقة البطارية
في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، تعد إدارة تخزين طاقة البطارية رابطًا رئيسيًا لضمان إمدادات الطاقة المستقرة وتحسين كفاءة استخدام الطاقة، ويلعب PLC دورًا حيويًا في هذه العملية.
3.2.1 يتحكم PLC في عملية شحن وتفريغ البطارية
يُعد التحكم في شحن وتفريغ البطارية بواسطة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) عمليةً دقيقةً وذكيةً للغاية، تتضمن روابط رئيسيةً ونقاطًا تقنيةً متعددة. أثناء عملية الشحن، يحصل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أولًا على معلومات الحالة الحالية للبطارية آنيًا من خلال مستشعرات متصلة متنوعة، مثل مستشعرات الجهد والتيار ودرجة الحرارة، بما في ذلك معلمات جهد البطارية والتيار والسعة المتبقية (SOC) ودرجة الحرارة. تُعد هذه المعلمات أساسيةً لتقييم حالة شحن البطارية بدقة، وضمان سلامة وكفاءة عملية الشحن.
وفقًا لمعلومات حالة البطارية المُكتسبة، يتحكم PLC بدقة في حالة عمل معدات الشحن (مثل الشاحن أو العاكس) بناءً على استراتيجية وخوارزمية الشحن المُحددة مسبقًا. تشمل استراتيجيات الشحن الشائعة الشحن بالتيار المستمر، والشحن بالجهد الثابت، والشحن المرحلي. في مرحلة الشحن بالتيار المستمر، يتحكم PLC في معدات الشحن لشحن البطارية بتيار ثابت، ويزداد جهد البطارية تدريجيًا؛ وعندما يصل جهد البطارية إلى قيمة معينة، تدخل مرحلة الشحن بالجهد الثابت، ويضبط PLC معدات الشحن للحفاظ على ثبات جهد الشحن، وينخفض تيار الشحن تدريجيًا حتى يتم شحن البطارية بالكامل. تجمع استراتيجية الشحن المرحلي بين مزايا الشحن بالتيار المستمر والجهد الثابت، وتُقسّم عملية الشحن إلى مراحل متعددة، وتتكيف بمرونة وفقًا لحالات البطارية المختلفة لتحسين كفاءة الشحن وإطالة عمرها.
على سبيل المثال، عندما يكتشف PLC أن جهد البطارية منخفض والطاقة المتبقية منخفضة، فإنه سيتحكم في جهاز الشحن لشحن سريع بتيار ثابت كبير لتجديد البطارية في أسرع وقت ممكن؛ عندما يقترب جهد البطارية من حالة الشحن الكامل، سيتحول PLC تلقائيًا إلى وضع الشحن بالجهد الثابت لتقليل تيار الشحن، وتجنب الشحن الزائد للبطارية، وحماية أدائها وعمرها الافتراضي. في الوقت نفسه، أثناء عملية الشحن، سيراقب PLC درجة حرارة البطارية في الوقت الفعلي. إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فسيتخذ PLC تدابير التبريد المقابلة، مثل تقليل تيار الشحن أو تعليق الشحن، لضمان شحن البطارية ضمن نطاق درجة حرارة آمنة.
أثناء عملية التفريغ، يلعب PLC أيضًا دورًا رئيسيًا في التحكم. فهو يراقب جهد وتيار خرج البطارية ومتطلبات الطاقة للحمل في الوقت الفعلي. بناءً على هذه المعلومات، يتحكم PLC في العاكس والمعدات الأخرى لتحويل طاقة التيار المستمر المخزنة في البطارية إلى طاقة تيار متردد وإخراجها إلى الحمل. ولضمان تفريغ آمن للبطارية وإطالة عمرها، يتحكم PLC بدقة في عمق تفريغ البطارية (DOD). يشير عمق التفريغ إلى نسبة كمية تفريغ البطارية إلى سعتها المقدرة. سيؤدي عمق التفريغ العالي جدًا إلى تسريع شيخوخة البطارية وتلفها. لذلك، عندما يتم تفريغ البطارية إلى حد معين، سيتخذ PLC التدابير المقابلة وفقًا لعتبة عمق التفريغ المحددة مسبقًا، مثل مطالبة المستخدم بالشحن أو الحد من استهلاك طاقة الحمل أو التبديل إلى طرق أخرى لإمداد الطاقة.
بالإضافة إلى ذلك، سيضبط PLC طاقة تفريغ البطارية ديناميكيًا وفقًا لتغيرات الحمل. عندما يكون الطلب على الحمل كبيرًا، سيتحكم PLC في البطارية لإخراج طاقة أكبر لتلبية طلب طاقة الحمل؛ عندما يكون الطلب على الحمل صغيرًا، سيقلل PLC طاقة تفريغ البطارية لتجنب التفريغ المفرط للبطارية وتحسين كفاءة الطاقة. على سبيل المثال، خلال فترة انخفاض استهلاك الطاقة ليلاً، إذا كان الطلب على الحمل صغيرًا، سيقلل PLC طاقة تفريغ البطارية ويخزن الكهرباء الزائدة للاستخدام لاحقًا؛ وخلال فترة ذروة استهلاك الطاقة خلال النهار، عندما يكون توليد الطاقة الشمسية غير كافٍ والطلب على الحمل كبير، سيتحكم PLC في البطارية لزيادة طاقة التفريغ لضمان التشغيل العادي للحمل.
3.2.2 التأثير على إطالة عمر البطارية
يتمتع PLC بالعديد من التأثيرات الإيجابية في إطالة عمر البطارية، وخاصة في تجنب الشحن الزائد والإفراط في التفريغ، وتحسين استراتيجيات الشحن والتفريغ، والمراقبة والحماية في الوقت الفعلي.
يُعد تجنب الشحن الزائد والتفريغ الزائد أحد العوامل الرئيسية لإطالة عمر البطارية، ويمكن لـ PLC تجنب هذه المشكلة بفعالية من خلال التحكم الدقيق. أثناء عملية الشحن، عندما يصل جهد البطارية إلى قيمة جهد الشحن الكامل المحددة، يتحكم PLC فورًا في جهاز الشحن لإيقاف الشحن ومنع الشحن الزائد. يُسبب الشحن الزائد خللًا في التفاعل الكيميائي داخل البطارية، ويولد حرارة زائدة، ويُسرّع من شيخوخة وتلف ألواح البطارية، ويقصر عمرها. أثناء عملية التفريغ، عندما ينخفض جهد البطارية إلى الحد الأدنى المحدد لقيمة جهد التفريغ، يقطع PLC دائرة التفريغ فورًا لتجنب التفريغ الزائد. يؤدي التفريغ الزائد إلى ترسب الكبريتيد على ألواح البطارية، مما يقلل من سعتها وأدائها، وقد يؤدي إلى تلفها في الحالات الشديدة. من خلال التحكم الدقيق لـ PLC، يمكن ضمان عمل البطارية دائمًا ضمن نطاق شحن وتفريغ آمن، مما يُطيل عمرها بفعالية.
يُعد تحسين استراتيجية الشحن والتفريغ وسيلةً مهمةً أخرى لـ PLC لإطالة عمر البطارية. تختلف أنواع البطاريات باختلاف خصائصها وظروف الشحن والتفريغ المثالية. يمكن لـ PLC صياغة وتنفيذ استراتيجيات شحن وتفريغ مُخصصة وفقًا لنوع البطارية (مثل بطارية الرصاص الحمضية، بطارية الليثيوم، إلخ) وظروف الاستخدام. بالنسبة لبطاريات الرصاص الحمضية، تُعتمد استراتيجية شحن مُتدرجة، تبدأ بالشحن السريع بتيار عالٍ، ثم تُخفض التيار تدريجيًا، وأخيرًا تُعاد شحنها بالشحن البطيء، مما يُحسّن كفاءة الشحن ويُقلل من حرارة البطارية ويُطيل عمرها. بالنسبة لبطاريات الليثيوم، ونظرًا لحاجتها العالية لدقة جهد وتيار الشحن، يعتمد PLC استراتيجية شحن أكثر دقةً بتيار وجهد ثابت للتحكم الدقيق في تغيرات الجهد والتيار أثناء عملية الشحن لضمان سلامة وأداء بطاريات الليثيوم. في الوقت نفسه، يُضبط PLC استراتيجية الشحن والتفريغ ديناميكيًا وفقًا لعوامل مثل معدل استخدام البطارية ودرجة الحرارة المحيطة لتحسين أدائها وعمرها الافتراضي بشكل أكبر.
تُعدّ المراقبة والحماية الآنية من أهم وظائف وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) لضمان عمر البطارية. فمن خلال توصيل أجهزة استشعار مختلفة، يُمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مراقبة جهد البطارية، والتيار، ودرجة الحرارة، والطاقة المتبقية، وغيرها من المعلمات آنيًا، وتحليل هذه البيانات ومعالجتها. عند حدوث أي خلل في حالة البطارية، مثل ارتفاع أو انخفاض الجهد، أو ارتفاع التيار، أو ارتفاع درجة الحرارة، وما إلى ذلك، تُصدر وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) إنذارًا فوريًا وتتخذ الإجراءات الوقائية اللازمة، مثل إيقاف الشحن والتفريغ، وتشغيل جهاز تبديد الحرارة، وغيرها. على سبيل المثال، عند اكتشاف ارتفاع درجة حرارة البطارية، تُخفّض وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) تيار الشحن أو تُوقفه تلقائيًا، وتُشغّل مروحة التبريد لتبريد البطارية لتجنب تلفها بسبب ارتفاع درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تُسجّل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بيانات تاريخ شحن وتفريغ البطارية، ومن خلال تحليل هذه البيانات، تُتنبأ بحالة البطارية وعمرها المتبقي، وتُوفر أساسًا لصيانتها واستبدالها، وتُتخذ إجراءات مُسبقة لتجنب تأثير أعطالها على تشغيل النظام.
3.2.3 تحسين إدارة تخزين الطاقة
تلعب PLC دورًا مهمًا في تحسين إدارة تخزين الطاقة، وخاصة في تنسيق توزيع الطاقة، وتحسين كفاءة استخدام الطاقة، وتحقيق المراقبة والجدولة الذكية.
فيما يتعلق بتنسيق توزيع الطاقة، يمكن لـ PLC تحقيق توزيع وجدول زمني معقول للطاقة بناءً على توليد الطاقة في الوقت الفعلي لنظام توليد الطاقة الشمسية، وحالة تخزين الطاقة للبطارية، والطلب على الطاقة للحمل. عندما تكون الشمس كافية خلال النهار، فإن الكهرباء المولدة من الألواح الشمسية لن تلبي فقط الطلب على الطاقة للحمل الحالي، ولكن سيتم التحكم في الكهرباء الزائدة بواسطة PLC وتخزينها في البطارية. عندما يكون توليد الطاقة الشمسية غير كافٍ أو لا يوجد ضوء شمس في الليل، سيتحكم PLC في البطارية لتفريغها وتوفير دعم الطاقة للحمل. في الوقت نفسه، يمكن لـ PLC أيضًا تحسين استراتيجية توزيع الطاقة وفقًا لسياسة أسعار الطاقة لشبكة الكهرباء وعادات استهلاك الطاقة للمستخدمين. خلال فترات انخفاض أسعار الكهرباء، تُستخدم شبكة الكهرباء لشحن البطارية أولاً؛ خلال فترات ارتفاع أسعار الكهرباء، تُستخدم الطاقة المخزنة في البطارية لتشغيل الحمل، مما يقلل من تكلفة الكهرباء للمستخدم.
يُعد تحسين كفاءة الطاقة هدفًا أساسيًا لـ PLC لتحسين إدارة تخزين الطاقة. من خلال التحكم الدقيق في عمليتي شحن وتفريغ البطارية، يُمكن لـ PLC تقليل هدر الطاقة أثناء التحويل والتخزين. أثناء عملية الشحن، يتم اعتماد استراتيجية شحن فعّالة لتقليل وقت الشحن وهدر الطاقة؛ وأثناء عملية التفريغ، يتم ضبط طاقة التفريغ ديناميكيًا وفقًا لطلب الحمل لتجنب هدر الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لـ PLC أيضًا تحقيق العمل المنسق لأنظمة توليد الطاقة الشمسية وأنظمة الطاقة الأخرى (مثل أنظمة توليد طاقة الرياح وأنظمة توليد طاقة الكتلة الحيوية، إلخ)، والاستفادة الكاملة من مزايا أنظمة الطاقة المختلفة، وتحقيق الاستخدام المتكامل للطاقة، وتحسين كفاءة استخدامها بشكل أكبر.
تُعدّ المراقبة والجدولة الذكيتان من الوظائف الرئيسية لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) لتحسين إدارة تخزين الطاقة. من خلال الاتصال بجهاز الكمبيوتر المضيف أو نظام المراقبة أو المنصة السحابية، يُمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) تحميل بيانات التشغيل اللحظية لنظام توليد الطاقة الشمسية ونظام تخزين طاقة البطاريات إلى مركز المراقبة لتحقيق المراقبة والإدارة عن بُعد. يستطيع موظفو التشغيل والصيانة فهم توليد الطاقة، وحالة البطارية، واستهلاك طاقة الحمل، وغيرها من المعلومات في الوقت الفعلي من خلال واجهة المراقبة، وإجراء التشغيل والجدولة عن بُعد وفقًا للوضع الفعلي. في الوقت نفسه، يُمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أيضًا تنفيذ وظيفة الجدولة الذكية وفقًا لقواعد وخوارزميات مُحددة مسبقًا. عند اكتشاف انخفاض طاقة البطارية وعدم كفاية توليد الطاقة الشمسية، تُشغّل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) تلقائيًا مصدر الطاقة الاحتياطي (مثل مولد الديزل، إلخ) لضمان إمداد الحمل بالطاقة بشكل طبيعي؛ وفي حالة تعطل النظام، تُصدر وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) إنذارًا في الوقت المناسب وتتخذ إجراءات الحماية اللازمة، وتُحمّل معلومات العطل إلى مركز المراقبة، مما يُسهّل على موظفي التشغيل والصيانة استكشاف الأخطاء وإصلاحها بسرعة.
3.3 جمع البيانات والمراقبة عن بعد
في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، يلعب PLC دورًا رئيسيًا في جمع البيانات والمراقبة عن بعد، مما يوفر دعمًا قويًا للتشغيل الفعال والمستقر للنظام.
3.3.1 جمع البيانات
يستطيع جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) جمع بيانات متعددة الأبعاد لنظام توليد الطاقة الشمسية آنيًا من خلال اتصال وثيق مع أجهزة استشعار مختلفة. تُعتبر هذه الأجهزة بمثابة "أجهزة استشعار" للنظام، حيث توفر معلومات غنية ودقيقة لجهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، مما يُمكّنه من فهم حالة تشغيل النظام بشكل كامل.
تُعدّ مستشعرات شدة الضوء جزءًا أساسيًا من جمع البيانات. فهي قادرة على قياس شدة ضوء الشمس بدقة، وهي أحد العوامل الرئيسية المؤثرة على كفاءة توليد الطاقة في الألواح الشمسية. تختلف الطاقة المُخرَجة للألواح الشمسية اختلافًا كبيرًا في شدة الضوء. من خلال جمع بيانات شدة الضوء، يُمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) تحديد حالة التشغيل الأمثل للألواح الشمسية بدقة بناءً على خوارزميات مُعدّة مسبقًا ومعايير أخرى، مثل درجة الحرارة والجهد والتيار، مما يُحقق تحكمًا دقيقًا بنقطة القدرة القصوى (MPPT) لضمان توليد الألواح الشمسية للكهرباء بأعلى كفاءة ممكنة.
مستشعرات درجة الحرارة ضرورية أيضًا. فدرجة الحرارة تؤثر بشكل كبير على أداء الألواح الشمسية. فمع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض جهد الدائرة المفتوحة للوحة الشمسية، ويزداد تيار الدائرة القصيرة بشكل طفيف، مما يؤدي إلى تغير طاقة خرجها. يراقب نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) درجة حرارة اللوحة الشمسية آنيًا من خلال توصيله بمستشعر درجة الحرارة. وعندما تتجاوز درجة الحرارة المعدل الطبيعي، يمكن لنظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة اتخاذ الإجراءات اللازمة، مثل تشغيل جهاز تبديد الحرارة، لتقليل تأثير درجة الحرارة على أداء اللوحة وضمان استقرار تشغيلها.
يُستخدم مستشعر الجهد والتيار لجمع جهد وتيار خرج اللوحة الشمسية في الوقت الفعلي. هذه البيانات ليست فقط المعلمات الرئيسية لحساب طاقة خرج اللوحة الشمسية، بل هي أيضًا أساس مهم لتقييم حالة تشغيلها. بناءً على بيانات الجهد والتيار المجمعة، بالإضافة إلى معلومات المستشعر الأخرى، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الكشف الفوري عن وجود عطل في اللوحة الشمسية، مثل الدائرة المفتوحة أو القصيرة، واتخاذ إجراءات الحماية المناسبة، مثل فصل الدائرة، وإطلاق إنذار، وما إلى ذلك، لتجنب تفاقم العطل وضمان التشغيل الآمن للنظام.
بالإضافة إلى ذلك، في أنظمة توليد الطاقة الشمسية المزودة بنظام تخزين طاقة البطارية، يتصل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بمستشعر حالة البطارية لجمع بيانات فورية، مثل جهد البطارية، والتيار، والسعة المتبقية (SOC)، ودرجة الحرارة. تُعد هذه البيانات أساسية للتحكم الدقيق في عملية شحن وتفريغ البطارية. ومن خلال مراقبة حالة البطارية لحظيًا، يُمكن لجهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) تعديل استراتيجية الشحن والتفريغ بشكل معقول وفقًا للسعة المتبقية للبطارية ومتطلبات الحمل، مما يضمن تشغيل البطارية في حالة آمنة، وإطالة عمرها، وضمان استقرار إمدادات الطاقة للنظام.
3.3.2 المراقبة عن بعد
أدى الجمع بين PLC ونظام المراقبة عن بعد إلى توفير راحة كبيرة لإدارة نظام توليد الطاقة الشمسية، وتحقيق التحكم في الوقت الحقيقي والتشغيل عن بعد لحالة تشغيل النظام.
فيما يتعلق بالاتصالات المادية، يتصل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بالشبكة عبر وحدة اتصال تدعم بروتوكولات اتصال متعددة، مثل Ethernet وRS485 وModbus، للتكيف مع بيئات الشبكة المختلفة ومتطلبات اتصال الأجهزة. من خلال اتصال Ethernet، يمكن لجهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) نقل البيانات المجمعة بسرعة وثبات إلى خادم مركز المراقبة عن بُعد؛ كما أن اتصال RS485 مناسب لبعض السيناريوهات التي تتطلب مسافة اتصال وتكلفة، ويمكنه تحقيق اتصال موثوق بين جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) وأجهزة التحكم عن بُعد المتعددة؛ أما بروتوكول Modbus، فهو بروتوكول اتصالات صناعي شائع الاستخدام، ويتميز بتوافقه وتعدد استخداماته، مما يُمكّن جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) من تبادل البيانات مع مختلف الأجهزة التي تدعم بروتوكول Modbus.
يتكون نظام المراقبة عن بُعد عادةً من حاسوب مضيف، وبرنامج مراقبة، ومنصة سحابية في مركز المراقبة. وباعتباره الجهاز الأساسي لنظام المراقبة، يتولى الحاسوب المضيف مسؤولية استقبال ومعالجة البيانات من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، وعرضها على فريق التشغيل والصيانة عبر واجهة استخدام سهلة الاستخدام. يوفر برنامج المراقبة وظائف متنوعة، مثل عرض البيانات في الوقت الفعلي، واستعلام البيانات التاريخية، وإنشاء التقارير، وإدارة الإنذارات، وغيرها. ويمكن لفريق التشغيل والصيانة الاطلاع على مختلف معلمات التشغيل لنظام توليد الطاقة الشمسية، مثل توليد الطاقة، والطاقة، والجهد، والتيار، وغيرها، بالإضافة إلى حالة عمل المعدات، مثل سلامة عمل الألواح الشمسية وثبات العاكس، وغيرها، من خلال واجهة برنامج المراقبة.
يُوسّع تطبيق منصة السحابة نطاق ووظائف المراقبة عن بُعد. من خلال منصة السحابة، يُمكن لموظفي التشغيل والصيانة الوصول إلى نظام المراقبة عبر الإنترنت في أي وقت ومن أي مكان، مما يُتيح لهم مراقبة وإدارة أنظمة توليد الطاقة الشمسية عن بُعد. سواءً في المكتب أو المنزل أو أثناء التنقل، وطالما توفر اتصال بالشبكة، يُمكن لموظفي التشغيل والصيانة استخدام الهواتف المحمولة أو الأجهزة اللوحية أو أجهزة الكمبيوتر وغيرها من الأجهزة لفهم تشغيل النظام فورًا، واكتشاف المشكلات ومعالجتها في الوقت المناسب. كما تُوفّر منصة السحابة أيضًا وظائف تخزين وتحليل البيانات، والتي تُمكّن من تخزين وتحليل كميات كبيرة من البيانات التاريخية، مما يُوفّر دعمًا للبيانات لتحسين تشغيل النظام والتنبؤ بالأعطال.
عند حدوث أي عطل في النظام، يُرسل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) معلومات الإنذار فورًا إلى نظام المراقبة عن بُعد. يُصدر برنامج المراقبة إنذارًا فورًا ويُذكّر موظفي التشغيل والصيانة عبر الصوت والنوافذ المنبثقة. في الوقت نفسه، تتضمن معلومات الإنذار وصفًا مُفصّلًا للعطل ووقته وموقعه، مما يُساعد موظفي التشغيل والصيانة على تحديد المشكلة وحلها بسرعة. يُمكن لموظفي التشغيل والصيانة تشغيل النظام عن بُعد بناءً على معلومات الإنذار، مثل عرض مُعاملات المُعدّات المُعطّلة بالتفصيل، وضبط حالة تشغيلها، وتشغيل أو إيقاف المُعدّات المُرتبطة، وما إلى ذلك، لاستعادة التشغيل الطبيعي للنظام في أسرع وقت ممكن.
3.3.3 أهمية إدارة النظام وصيانته
تتمتع وظائف جمع البيانات والمراقبة عن بعد بأهمية بعيدة المدى لإدارة وصيانة أنظمة توليد الطاقة الشمسية، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الإدارة ومستوى صيانة النظام.
يُعد تحسين كفاءة الإدارة أحد أهم مظاهرها. فمن خلال جمع البيانات الآنية والمراقبة عن بُعد، يُمكن لموظفي التشغيل والصيانة فهم حالة تشغيل نظام توليد الطاقة الشمسية بشكل كامل دون الحاجة إلى زيارة الموقع شخصيًا. وهذا يُمكّنهم من مواكبة المعلومات المهمة، مثل توليد الطاقة في النظام، وحالة المعدات، وتوزيع الطاقة، مما يُمكّنهم من اتخاذ القرارات وإدارة العمليات بكفاءة أكبر. على سبيل المثال، عند تغير شدة الإضاءة، يُمكن لموظفي التشغيل والصيانة تعديل حالة تشغيل الألواح الشمسية في الوقت المناسب وفقًا للبيانات الآنية لضمان استمرار كفاءة توليد الطاقة في النظام؛ وعند تغير الطلب على الحمل، يُمكن لموظفي التشغيل والصيانة توزيع الطاقة بشكل معقول وفقًا لحالة تخزين طاقة البطارية وتوليد الطاقة لضمان التشغيل الطبيعي للحمل. وفي الوقت نفسه، تُسهّل وظائف الاستعلام عن البيانات التاريخية وإنشاء التقارير التي يوفرها نظام المراقبة عن بُعد على موظفي التشغيل والصيانة تحليل بيانات تشغيل النظام وتلخيصها، مما يُوفر أساسًا لوضع استراتيجيات إدارة علمية.
يُعدّ خفض تكاليف الصيانة ميزةً مهمةً أيضًا لوظائف جمع البيانات والمراقبة عن بُعد. تتطلب طريقة الصيانة التقليدية لأنظمة توليد الطاقة الشمسية زياراتٍ دوريةً من موظفي التشغيل والصيانة للموقع للفحص والصيانة، مما يستهلك الكثير من القوى العاملة والموارد المادية والوقت، ويزيد من صعوبة صيانة أنظمة توليد الطاقة في بعض المناطق النائية. من خلال المراقبة عن بُعد، يمكن لموظفي التشغيل والصيانة مراقبة حالة تشغيل النظام آنيًا واكتشاف الأعطال المحتملة في الوقت المناسب. عند حدوث عطل، يمكن لموظفي التشغيل والصيانة تجهيز أدوات الصيانة وقطع الغيار مسبقًا بناءً على معلومات الأعطال التفصيلية التي يوفرها نظام المراقبة عن بُعد، وإجراء إصلاحاتٍ مُستهدفة، مما يُقلل بشكل كبير من وقت معالجة الأعطال، ويُقلل من عدد عمليات التفتيش غير الضرورية في الموقع، ويُخفّض تكاليف الصيانة.
يُعدّ تعزيز موثوقية النظام واستقراره من أهمّ وظائف جمع البيانات والمراقبة عن بُعد. فمن خلال جمع البيانات وتحليلها في الوقت الفعلي، يُمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الكشف الفوري عن أي خلل في النظام واتخاذ التدابير الوقائية اللازمة لتجنب حدوث الأعطال وتفاقمها. على سبيل المثال، عند ارتفاع درجة حرارة اللوح الشمسي بشكل كبير، يُشغّل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) جهاز تبديد الحرارة تلقائيًا لمنع تلف اللوح نتيجة ارتفاع درجة الحرارة؛ وعند ارتفاع جهد خرج العاكس بشكل غير طبيعي، تُقطع الدائرة الكهربائية في الوقت المناسب لحماية سلامة المعدات. وفي الوقت نفسه، تُمكّن وظيفة الإنذار في نظام المراقبة عن بُعد موظفي التشغيل والصيانة من معرفة أي عطل في النظام فورًا، ومعالجته في الوقت المناسب، وضمان استقرار تشغيل النظام، وتحسين موثوقية إمدادات الطاقة.
3.4 دراسة حالة: تطبيق PLC في محطة الطاقة الشمسية
لفهم تأثير التطبيق الفعلي والفوائد الاقتصادية لأنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة توليد الطاقة الشمسية بشكل أكثر بديهية وعمقًا، سيتناول هذا القسم محطة طاقة شمسية كمثال للتحليل المفصل. تقع هذه المحطة في [موقع جغرافي محدد]، وتغطي مساحة [س] متر مربع، وتبلغ قدرتها المركبة [س] ميجاوات، وهي أحد أهم مشاريع توليد الطاقة المتجددة المحلية.
في محطة الطاقة الشمسية هذه، يُستخدم PLC على نطاق واسع في العديد من الروابط الرئيسية ويلعب دورًا لا غنى عنه. من حيث التحكم في تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT)، يتم اعتماد خوارزمية التحكم في زيادة التوصيل MPPT القائمة على PLC. يحصل PLC على معلمات بيئة العمل والمعلمات الكهربائية الناتجة عن الألواح الشمسية في الوقت الفعلي من خلال الاتصال الوثيق بأجهزة استشعار الضوء وأجهزة استشعار درجة الحرارة وأجهزة استشعار الجهد وأجهزة استشعار التيار. في عملية التشغيل الفعلية، عندما تتغير شدة الضوء، يمكن لـ PLC الاستجابة بسرعة وحساب زيادة التوصيل \frac{dI}{dV} و-\frac{I}{V} بدقة وفقًا لبيانات الجهد والتيار المجمعة، ومقارنتها. على سبيل المثال، في لحظة معينة، تزداد شدة الضوء فجأة. بعد أن يكتشف PLC التغيير في الجهد والتيار، فإنه يحسب ويحدد أن نقطة العمل الحالية تقع على الجانب الأيسر من نقطة القدرة القصوى، وبالتالي فإنه يضبط معلمات التحكم في العاكس في الوقت المناسب لزيادة جهد عمل اللوحة الشمسية وجعلها قريبة من نقطة القدرة القصوى. ومن خلال طريقة التحكم الدقيقة هذه، تستطيع الألواح الشمسية لمحطة الطاقة الشمسية هذه الحفاظ دائمًا على كفاءة عالية في توليد الطاقة في ظل ظروف الإضاءة ودرجات الحرارة المختلفة.
بالمقارنة مع محطات الطاقة الشمسية المماثلة التي لا تستخدم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) للتحكم بتقنية MPPT، فقد تحسنت كفاءة توليد الطاقة في هذه المحطة بشكل ملحوظ. ووفقًا لإحصاءات بيانات التشغيل الفعلية، وفي ظل نفس ظروف الإضاءة والبيئة، زاد إنتاج الطاقة السنوي لهذه المحطة بنحو 15% مقارنةً بمحطة لا تستخدم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC-MPPT). وهذا يعني أن المحطة قادرة على استخدام عدد أقل من الألواح الشمسية لتلبية نفس الطلب على الطاقة، مما يقلل من تكلفة الاستثمار الأولية. وفي الوقت نفسه، وبفضل تحسن كفاءة توليد الطاقة، يتم توليد المزيد من الكهرباء في نفس الوقت، مما يقلل الاعتماد على مصادر الطاقة الاحتياطية الأخرى، ويخفض تكاليف شراء الطاقة بشكل أكبر.
يلعب PLC أيضًا دورًا رئيسيًا في إدارة تخزين طاقة البطارية. تم تجهيز محطة الطاقة بنظام تخزين طاقة بطارية كبير السعة لتخزين الكهرباء الزائدة لتلبية الطلب على الطاقة ليلاً أو عندما يكون هناك ضوء غير كافٍ. يتحكم PLC بدقة في عملية شحن البطارية وتفريغها من خلال المراقبة الفورية لمعلمات البطارية مثل الجهد والتيار والسعة المتبقية (SOC) ودرجة الحرارة. أثناء عملية الشحن، عندما يكون جهد البطارية منخفضًا والسعة المتبقية صغيرة، يتحكم PLC في معدات الشحن للشحن بسرعة بتيار ثابت كبير؛ عندما يكون جهد البطارية قريبًا من حالة الشحن الكامل، فإنه يتحول تلقائيًا إلى وضع الشحن بالجهد الثابت لتقليل تيار الشحن وتجنب الشحن الزائد للبطارية. أثناء عملية التفريغ، يضبط PLC طاقة تفريغ البطارية ديناميكيًا وفقًا لطلب طاقة الحمل والسعة المتبقية للبطارية لضمان عمل البطارية ضمن نطاق عمق تفريغ آمن وإطالة عمر البطارية.
بفضل التحكم الدقيق في PLC، تم إطالة عمر بطارية محطة الطاقة بفعالية. ووفقًا للإحصاءات، فقد تم تمديد دورة استبدال البطارية في هذه المحطة بحوالي 20% مقارنةً بمحطات الطاقة التي لا تستخدم تحكم PLC، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة استبدال البطارية. وفي الوقت نفسه، نظرًا لقدرة PLC على تحسين استراتيجية توزيع الطاقة وفقًا لسياسة أسعار الكهرباء في شبكة الكهرباء وعادات استخدام الكهرباء لدى المستخدم، فإنه سيعطي الأولوية لاستخدام طاقة الشبكة لشحن البطارية خلال فترات انخفاض أسعار الكهرباء؛ وفي فترات ارتفاع أسعار الكهرباء، سيستخدم الكهرباء المخزنة في البطارية لتشغيل الحمل، مما يقلل من تكاليف الكهرباء على المستخدم.
فيما يتعلق بجمع البيانات والمراقبة عن بُعد، يتصل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بالشبكة عبر وحدة اتصال، وتُنقل بيانات التشغيل المجمعة لنظام توليد الطاقة الشمسية، مثل شدة الإضاءة، ودرجة الحرارة، والجهد، والتيار، وتوليد الطاقة، وغيرها، إلى خادم مركز المراقبة عن بُعد في الوقت الفعلي. يتكون نظام المراقبة عن بُعد من جهاز الكمبيوتر المضيف، وبرنامج المراقبة، ومنصة سحابية لمركز المراقبة. يمكن لموظفي التشغيل والصيانة الاطلاع على حالة تشغيل محطة الطاقة في الوقت الفعلي من خلال واجهة برنامج المراقبة، واكتشاف المشكلات ومعالجتها في الوقت المناسب. على سبيل المثال، عند حدوث أي خلل في النظام، يُرسل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) معلومات الإنذار إلى نظام المراقبة عن بُعد في الوقت المناسب، ويُصدر برنامج المراقبة إنذارًا فورًا لتذكير موظفي التشغيل والصيانة. يمكن لموظفي التشغيل والصيانة تشغيل النظام عن بُعد وفقًا لمعلومات الإنذار، مثل الاطلاع على تفاصيل المعدات المعطلة، وتعديل حالة تشغيلها، وتشغيل أو إيقاف المعدات ذات الصلة، وما إلى ذلك، لاستعادة التشغيل الطبيعي للنظام في أسرع وقت ممكن.
بفضل وظائف جمع البيانات والمراقبة عن بُعد، تحسّنت كفاءة إدارة محطة الطاقة بشكل كبير، وانخفضت تكاليف الصيانة بشكل ملحوظ. لم يعد موظفو التشغيل والصيانة بحاجة إلى زيارة الموقع بشكل متكرر لإجراء عمليات التفتيش، مما قلل من هدر القوى العاملة والموارد المادية والوقت. وفي الوقت نفسه، من خلال تحليل البيانات التاريخية، يمكن لمديري محطة الطاقة تحسين استراتيجية تشغيل النظام، وزيادة كفاءة توليد الطاقة وكفاءة استخدام الطاقة.
باختصار، حققت إحدى محطات الطاقة الشمسية نتائج باهرة في كفاءة توليد الطاقة، وعمر البطارية، وكفاءة الإدارة، والفوائد الاقتصادية من خلال تطبيق تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC). وهذا يُثبت تمامًا أهمية تطبيق تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة توليد الطاقة الشمسية وآفاقها الواعدة، ويُشكل مرجعًا مفيدًا لبناء وتشغيل محطات الطاقة الشمسية الأخرى.
4. تطبيق PLC في نظام توليد طاقة الرياح
4.1 مراقبة سرعة الرياح واتجاهها والتحكم فيها
في أنظمة توليد طاقة الرياح، تُعدّ سرعة الرياح واتجاهها عاملين رئيسيين يؤثران على كفاءة توليد الطاقة وسلامة المعدات. يربط نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) المستشعرات لمراقبة سرعة الرياح واتجاهها بدقة، ويضبط معايير تشغيل توربين الرياح بمرونة بناءً على نتائج المراقبة، لضمان تشغيله بكفاءة واستقرار.
تُعدّ مراقبة سرعة الرياح واتجاهها أساس عملية التحكم بأكملها. عادةً ما تستخدم مراقبة سرعة الرياح مستشعرات سرعة الرياح. تشمل مستشعرات سرعة الرياح الشائعة السلك الساخن، والموجات فوق الصوتية، والدوار. تستخدم مستشعرات سرعة الرياح السلك الساخن العلاقة بين معدل تبديد الحرارة لعنصر التسخين وسرعة الرياح لقياس سرعة الرياح. عندما تتغير سرعة الرياح، يتغير معدل تبديد الحرارة لعنصر التسخين، مما يؤدي إلى تغير قيمة مقاومته. يمكن حساب سرعة الرياح عن طريق قياس التغير في قيمة المقاومة. يستخدم مستشعر سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية مبدأ أن انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء سيتأثر بسرعة الرياح لقياس سرعة الرياح. تُحسب سرعة الرياح عن طريق قياس فرق زمن انتشار الموجات فوق الصوتية في اتجاهات مختلفة. يتكون مستشعر سرعة الرياح الدوار عادةً من كأس رياح وعمود دوار. يدور كأس الرياح تحت تأثير قوة الرياح، وتتناسب سرعته مع سرعة الرياح. بقياس سرعة كأس الرياح، يمكن الحصول على سرعة الرياح بعد التحويل. تقوم أجهزة استشعار سرعة الرياح هذه بتحويل إشارة سرعة الرياح المقاسة إلى إشارة كهربائية، مثل إشارة جهد تناظرية أو إشارة نبضية، ثم تنقلها إلى وحدة الإدخال في PLC.
تعتمد مراقبة اتجاه الرياح بشكل أساسي على مستشعرات اتجاه الرياح. تشمل مستشعرات اتجاه الرياح الشائعة دوارة الرياح والبوصلة الإلكترونية. يحدد مستشعر اتجاه الرياح من نوع دوارة الرياح اتجاه الرياح من خلال اتجاه دوارة الرياح. تتصل دوارة الرياح بمقياس جهد أو مُشفِّر. عندما يتغير اتجاه الرياح، تدور دوارة الرياح، مما يدفع مقياس الجهد أو المُشفِّر إلى إخراج إشارة كهربائية مقابلة، والتي تتوافق مع زاوية اتجاه الرياح. يستخدم مستشعر اتجاه الرياح من نوع البوصلة الإلكترونية خصائص المجال المغناطيسي للأرض لقياس اتجاه الرياح. يكتشف المستشعر المغناطيسي المدمج اتجاه المجال المغناطيسي، ويحصل على معلومات اتجاه الرياح من خلال معالجة الإشارة وحساب الخوارزمية، ويحولها إلى إشارة كهربائية ويخرجها إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC).
بعد استقبال الإشارة من مستشعر سرعة واتجاه الرياح، يقوم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) أولاً بمعالجة الإشارة وتحويلها. بالنسبة للإشارات التناظرية، مثل إشارات الجهد التناظرية، يُحوّلها جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة إلى قيم رقمية عبر وحدات الإدخال التناظرية لإجراء الحسابات والمعالجة اللاحقة. أما بالنسبة لإشارات النبضات، فيقوم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة بحساب التردد وقياسه عبر وحدات وظيفية مثل عدادات السرعة العالية للحصول على بيانات ذات صلة بسرعة واتجاه الرياح. بعد ذلك، يضبط جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة معلمات تشغيل المروحة وفقًا لاستراتيجية وخوارزمية التحكم المُعدّة مسبقًا.
عندما تكون سرعة الرياح أقل من سرعة الرياح الأولية لتوربين الرياح، يكون توربين الرياح في وضع الاستعداد، ويتحكم PLC في زاوية ميل توربين الرياح للحفاظ على زاوية محددة لتقليل مقاومة الشفرات. في الوقت نفسه، فإنه يراقب التغير في سرعة الرياح وينتظر حتى تصل سرعة الرياح إلى ظروف البداية. عندما تصل سرعة الرياح إلى سرعة الرياح الأولية، يتحكم PLC في توربين الرياح لبدء التشغيل ويضبط زاوية الميل تدريجيًا بحيث تبدأ الشفرات في التقاط طاقة الرياح ودفع المولد للدوران وتوليد الكهرباء. في المناطق ذات سرعة الرياح المنخفضة، من أجل تحسين كفاءة استخدام طاقة الرياح، يستخدم PLC خوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) وفقًا للتغير في سرعة الرياح لضبط زاوية الميل وسرعة توربين الرياح في الوقت الفعلي، بحيث تعمل توربينات الرياح دائمًا بالقرب من نقطة القدرة القصوى لالتقاط المزيد من طاقة الرياح.
مع زيادة سرعة الرياح، وتجاوزها السرعة المُصنّفة، يحتاج جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) إلى تحديد سرعة توربين الرياح لمنع تحميله الزائد وتلفه. في هذه الحالة، يزيد جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) زاوية الميل، ويقلل الزاوية بين الشفرات واتجاه الرياح، ويقلل طاقة الرياح التي تلتقطها الشفرات، مما يتحكم في سرعة توربين الرياح وطاقته الإنتاجية للحفاظ عليها ضمن النطاق المُصنّف. في الوقت نفسه، يضبط جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) ديناميكيًا معدل تغيير زاوية الميل وفقًا لتغير سرعة الرياح لضمان التشغيل السلس لتوربين الرياح.
تؤثر التغيرات في اتجاه الرياح أيضًا بشكل كبير على تشغيل توربينات الرياح. عندما يتغير اتجاه الرياح، يتحكم PLC في نظام الانحراف لتوربين الرياح بحيث يمكن لدوار توربين الرياح مواجهة اتجاه الرياح دائمًا لزيادة التقاط طاقة الرياح. يتكون نظام الانحراف عادةً من محرك انحراف ومخفض انحراف ومحمل انحراف. يتحكم PLC في الدوران الأمامي والخلفي وسرعة محرك الانحراف لتشغيل مخفض الانحراف ودفع دوار الرياح للدوران حول المحور الرأسي وتحقيق تعديل الانحراف. أثناء عملية الانحراف، سيراقب PLC التغيرات في اتجاه الرياح وزاوية الانحراف في الوقت الفعلي. عندما تصل زاوية الانحراف إلى القيمة المحددة، سيتم إيقاف محرك الانحراف لضمان محاذاة دوار الرياح بدقة مع اتجاه الرياح.
على سبيل المثال، في مزرعة رياح كبيرة، يُستخدم نظام تحكم PLC لمراقبة سرعة الرياح واتجاهها وضبط معلمات تشغيل توربينات الرياح. في حالة الرياح القوية، تزداد سرعة الرياح فجأةً ويتغير اتجاهها بشكل ملحوظ. يراقب PLC هذه التغييرات على الفور من خلال مستشعرات سرعة الرياح واتجاهها، ويبدأ فورًا استراتيجية التحكم في حد السرعة لزيادة زاوية الميل للحفاظ على سرعة توربينات الرياح وطاقتها ضمن نطاق آمن؛ وفي الوقت نفسه، يتم التحكم في نظام الانحراف ليتحرك بسرعة بحيث يتم محاذاة دوار الرياح بدقة مع اتجاه الرياح الجديد. بفضل التحكم الدقيق لـ PLC، يمكن لتوربينات الرياح في مزرعة الرياح أن تعمل بثبات في ظل الظروف الجوية القاسية، مما يضمن استمرارية واستقرار توليد الطاقة.
4.2 التحكم في زاوية الميل والانحراف
في أنظمة توليد طاقة الرياح، يعد التحكم في زاوية الميل والانحراف روابط رئيسية لضمان التشغيل الآمن والمستقر لتوربينات الرياح وتحسين كفاءة توليد الطاقة، ويلعب PLC دورًا أساسيًا في التحكم في هذه العملية.
يشير التحكم في زاوية الميل إلى ضبط زاوية ميل شفرات توربينات الرياح، أي الزاوية بين الشفرات والمستوى الدوار، لضبط طاقة الرياح التي تلتقطها الشفرات، وبالتالي تحقيق التحكم في سرعة توربينات الرياح وطاقة الخرج. عندما تكون سرعة الرياح منخفضة، من أجل التقاط المزيد من طاقة الرياح وتحسين كفاءة توليد الطاقة، يتحكم PLC في زاوية الميل لتقليلها، وزيادة المساحة المواجهة للريح للشفرات، والتقاط المزيد من طاقة الرياح، ودفع سرعة توربينات الرياح لزيادة، ثم زيادة طاقة الخرج للمولد. على العكس من ذلك، عندما تكون سرعة الرياح عالية جدًا، لمنع توربينات الرياح من التحميل الزائد والتلف، من الضروري الحد من سرعة توربينات الرياح وطاقة الخرج. في هذا الوقت، يتحكم PLC في زاوية الميل لزيادة، وتقليل المساحة المواجهة للريح للشفرات، وتقليل طاقة الرياح التي تلتقطها الشفرات، وتقليل سرعة توربينات الرياح، والتحكم في طاقة الخرج ضمن نطاق آمن.
خذ نوعًا معينًا من توربينات الرياح كمثال. تبلغ سرعة الرياح المقدرة 12 مترًا في الثانية. عندما تكون سرعة الرياح في نطاق سرعة الرياح المنخفضة من 3 إلى 12 مترًا في الثانية، يستخدم PLC خوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) للتحكم في زاوية الميل. وفقًا لسرعة الرياح التي تتم مراقبتها في الوقت الفعلي ومعايير تشغيل توربينات الرياح، يضبط PLC زاوية الميل باستمرار بحيث تعمل توربينات الرياح دائمًا بالقرب من نقطة القدرة القصوى لزيادة التقاط طاقة الرياح. عندما تصل سرعة الرياح إلى 12 مترًا في الثانية أو أكثر، فإنها تدخل نطاق سرعة الرياح المقدرة وسرعة الرياح العالية، ويقوم PLC بتبديل استراتيجية التحكم واعتماد خوارزمية التحكم في الطاقة الثابتة. في هذا الوقت، يتحكم PLC بدقة في زاوية الميل وفقًا للقوة المقدرة لتوربينات الرياح وحالة التشغيل الحالية، بحيث تظل طاقة خرج توربينات الرياح بالقرب من القيمة المقدرة، مما يتجنب التحميل الزائد لتوربينات الرياح بسبب سرعة الرياح الزائدة.
يشير التحكم في الانحراف إلى التحكم في نظام الانحراف لتوربينات الرياح بحيث يمكن لدوار توربينات الرياح مواجهة اتجاه الرياح دائمًا لزيادة التقاط طاقة الرياح. يتكون نظام الانحراف بشكل أساسي من محرك الانحراف ومخفض الانحراف ومحمل الانحراف وفرامل الانحراف. عندما يتغير اتجاه الرياح، يرسل مستشعر اتجاه الرياح إشارة تغيير اتجاه الرياح إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). تتحكم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة في محرك الانحراف لبدء التشغيل وفقًا لاستراتيجية التحكم المحددة مسبقًا، وتدفع محمل الانحراف للدوران عبر مخفض الانحراف، وتدور دوار توربينات الرياح حول المحور الرأسي لتحقيق تعديل الانحراف. أثناء عملية الانحراف، تراقب وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة التغيرات في اتجاه الرياح وزاوية الانحراف في الوقت الفعلي. عندما تصل زاوية الانحراف إلى القيمة المحددة، يتوقف محرك الانحراف لضمان محاذاة دوار الرياح بدقة مع اتجاه الرياح.
على سبيل المثال، في مزرعة رياح كبيرة، عندما يتغير اتجاه الرياح بمقدار 15 درجة، يرسل مستشعر اتجاه الرياح الإشارة بسرعة إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). بعد التحليل والحساب، تتحكم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة في دوران محرك الانحراف بسرعة واتجاه معينين. من خلال تأثير التباطؤ وزيادة عزم الدوران لمخفض الانحراف، يتم تشغيل محمل الانحراف للدوران ببطء، بحيث يتحول دوار توربين الرياح تدريجيًا إلى اتجاه الرياح الجديد. أثناء عملية الانحراف، تراقب وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة زاوية الانحراف باستمرار. عندما تصل زاوية الانحراف إلى 15 درجة، يتوقف محرك الانحراف في الوقت المناسب لإكمال ضبط الانحراف. من خلال هذا التحكم الدقيق في الانحراف، يمكن لتوربينات الرياح في مزرعة الرياح تتبع اتجاه الرياح بدقة دائمًا، مما يحسن بشكل فعال من كفاءة استخدام طاقة الرياح.
يلعب التحكم في زاوية الميل والانحراف دورًا مهمًا في ضمان التشغيل الآمن والمستقر لتوربينات الرياح وتحسين كفاءة توليد الطاقة. من حيث ضمان التشغيل الآمن والمستقر لتوربينات الرياح، يُمكّن التحكم المعقول في زاوية الميل توربينات الرياح من الحفاظ على حالة تشغيل مستقرة في ظل ظروف سرعة الرياح المختلفة، مما يتجنب الأعطال مثل التحميل الزائد أو التوقف أو الإغلاق بسبب سرعة الرياح المفرطة أو المنخفضة. عندما تكون سرعة الرياح عالية جدًا، يمكن الحد من سرعة توربينات الرياح وطاقتها الناتجة عن طريق زيادة زاوية الميل لمنع تلف توربينات الرياح بسبب القوة المفرطة؛ عندما تكون سرعة الرياح منخفضة جدًا، يمكن تحسين قدرة توربينات الرياح على التقاط طاقة الرياح عن طريق تقليل زاوية الميل لضمان التشغيل العادي لتوربينات الرياح. يمكن للتحكم الدقيق في الانحراف أن يضمن أن توربين الرياح يواجه دائمًا اتجاه الريح، وتجنب القوة غير المتساوية على توربين الرياح بسبب انحراف اتجاه الرياح، وتقليل التآكل والتعب لمكونات توربين الرياح، وإطالة عمر خدمة توربين الرياح.
فيما يتعلق بتحسين كفاءة توليد الطاقة، يُمكّن التحكم في زاوية الميل توربينات الرياح من العمل بأفضل حالة عند سرعات رياح مختلفة وتحقيق أقصى إنتاج للطاقة. من خلال الجمع بين خوارزمية MPPT وخوارزمية التحكم في الطاقة الثابتة، يمكن لـ PLC ضبط زاوية الميل في الوقت الفعلي وفقًا لتغير سرعة الرياح، بحيث يمكن لتوربينات الرياح التقاط المزيد من طاقة الرياح عند سرعات رياح منخفضة والحفاظ على إنتاج طاقة مُصنّف مستقر عند سرعات رياح عالية، وبالتالي تحسين كفاءة توليد الطاقة لنظام توليد طاقة الرياح بأكمله. يضمن التحكم في الانحراف محاذاة توربينات الرياح دائمًا مع اتجاه الرياح، مما يزيد من التقاط طاقة الرياح إلى أقصى حد، ويتجنب فقدان طاقة الرياح بسبب انحراف اتجاه الرياح. أظهرت الدراسات أن التحكم الدقيق في الانحراف يمكن أن يزيد من توليد الطاقة لأنظمة توليد طاقة الرياح بمقدار 5% إلى 10%.
4.3 تشخيص الأعطال والحماية
في أنظمة توليد طاقة الرياح، يُعدّ تشخيص الأعطال والحماية منها ركيزتين أساسيتين لضمان تشغيل النظام بشكل آمن ومستقر، وتحسين موثوقية المعدات، وإطالة عمرها الافتراضي. ويلعب نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) دورًا هامًا في تشخيص الأعطال والحماية منها بفضل وظائفه القوية.
4.3.1 وظيفة تشخيص الأعطال
تعتمد وظيفة تشخيص الأعطال في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بشكل أساسي على المراقبة اللحظية والتحليل الذكي لبيانات تشغيل نظام توليد طاقة الرياح. ومن خلال الاتصال الوثيق بمختلف أجهزة الاستشعار، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة جمع العديد من معلمات تشغيل توربينات الرياح لحظيًا، مثل سرعة الرياح واتجاهها وسرعة المولد والطاقة والاهتزاز ودرجة الحرارة وضغط الزيت، وغيرها. تُعدّ هذه المعلمات بمثابة "مؤشرات سلامة" للنظام، مما يوفر بيانات غنية تدعم تشخيص الأعطال.
على سبيل المثال، يُمكن لمستشعر الاهتزاز رصد اهتزاز المكونات الرئيسية، مثل شفرات توربينات الرياح وعلب التروس والمولدات، آنيًا. عند تعطل أي مكون، مثل تشقق الشفرات أو تآكل التروس أو تلف المحمل، تتغير خصائص اهتزازه بشكل كبير، وتتجاوز معلمات مثل سعة الاهتزاز وتردده النطاق الطبيعي. يجمع نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) البيانات من مستشعرات الاهتزاز آنيًا، ويستخدم خوارزمية مُعدّة مسبقًا لتشخيص الأعطال لتحليل بيانات الاهتزاز ومعالجتها. بمجرد اكتشاف أي اهتزاز غير طبيعي، يُمكن لنظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) تحديد نوع العطل وموقعه بسرعة، مثل تحديد ما إذا كان عطلًا في الشفرات أو علبة التروس بناءً على تغير تردد الاهتزاز، وتقييم شدة العطل بناءً على مقدار سعة الاهتزاز.
تُعد مستشعرات درجة الحرارة أيضًا أساسًا مهمًا لتشخيص الأعطال. أثناء تشغيل توربينات الرياح، سيُولد كل مكون كمية معينة من الحرارة. في الظروف العادية، سيتم الحفاظ على درجة حرارة المكونات ضمن نطاق معقول. عند تعطل أحد المكونات، مثل حدوث ماس كهربائي في لفائف المولد أو ضعف تزييت المحمل، سيؤدي ذلك إلى ارتفاع محلي في درجة الحرارة. يراقب PLC تغيرات درجة حرارة كل مكون في الوقت الفعلي عن طريق الاتصال بمستشعر درجة الحرارة. عندما يتم اكتشاف أن درجة حرارة أحد المكونات تتجاوز الحد المحدد، سيصدر PLC إنذارًا على الفور ويحدد سبب العطل بناءً على اتجاه وسعة ارتفاع درجة الحرارة جنبًا إلى جنب مع بيانات المستشعر الأخرى. إذا كان سبب ارتفاع درجة الحرارة هو ماس كهربائي في لفائف المولد، فسيقوم PLC بتحليل درجة وموقع ماس كهربائي بشكل أكبر لتوفير معلومات دقيقة للصيانة اللاحقة.
بالإضافة إلى ذلك، سيراقب PLC أيضًا المعلمات الكهربائية للمولد في الوقت الفعلي، مثل الجهد والتيار ومعامل القدرة وما إلى ذلك. عندما تتقلب هذه المعلمات بشكل غير طبيعي، يمكن لـ PLC تحديد الأعطال الكهربائية المحتملة، مثل تقلبات جهد الشبكة، وأعطال المولد، وضعف اتصال الخط، وما إلى ذلك. من خلال تحليل المعلمات الكهربائية، يمكن لـ PLC تحديد نوع ونطاق العطل واتخاذ التدابير الوقائية المناسبة، مثل قطع الدائرة، وضبط تيار الإثارة للمولد، وما إلى ذلك، لمنع العطل من التوسع بشكل أكبر.
بالإضافة إلى تشخيص الأعطال استنادًا إلى بيانات المستشعر، يمكن لـ PLC أيضًا استخدام تقنيات التشخيص الذكية مثل تحليل شجرة الأعطال وخوارزميات الشبكة العصبية لتحسين دقة وموثوقية تشخيص الأعطال. تحليل شجرة الأعطال هو طريقة لتشخيص الأعطال تعتمد على التفكير المنطقي. يأخذ فشل النظام كحدث رئيسي ويبني نموذج شجرة الأعطال من خلال تحليل الأسباب المحتملة المختلفة للحدث الرئيسي. في نظام توليد طاقة الرياح، يمكن لـ PLC إجراء تفكير منطقي على بيانات التشغيل المجمعة بناءً على نموذج شجرة الأعطال لتحديد سبب العطل بسرعة. على سبيل المثال، عندما يفشل إيقاف تشغيل توربين الرياح، يمكن لـ PLC استخدام نموذج شجرة الأعطال للتحقيق من جوانب متعددة مثل فشل شبكة الطاقة وفشل نظام التحكم وفشل توربينات الرياح، وتضييق نطاق العطل تدريجيًا وتحديد نقطة العطل المحددة.
خوارزمية الشبكة العصبية هي خوارزمية ذكية تُحاكي بنية ووظيفة الخلايا العصبية في الدماغ البشري. تتميز بقدرات التعلم الذاتي والتكيف الذاتي والتعرف على الأنماط. في تشخيص الأعطال، يستخدم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) خوارزمية الشبكة العصبية لتعلم وتدريب كمية كبيرة من بيانات الأعطال التاريخية وبيانات التشغيل الاعتيادية لإنشاء نموذج تشخيص الأعطال. عند تشغيل النظام، يُدخل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بيانات التشغيل المُجمعة آنيًا إلى نموذج الشبكة العصبية. يُحلل النموذج البيانات ويُعالجها لتحديد ما إذا كان هناك عطل في النظام ونوع العطل وشدته. بفضل قدراتها التكيفية القوية وقدرتها على التكيف مع بيئة التشغيل المعقدة والمتغيرة لنظام توليد طاقة الرياح، يُمكنها تحسين دقة وسرعة تشخيص الأعطال بشكل فعال.
4.3.2 وظيفة الحماية
تُعد وظيفة الحماية الخاصة بـ PLC خط دفاع مهم لضمان التشغيل الآمن لأنظمة توليد طاقة الرياح، والتي تتضمن بشكل أساسي جانبين: حماية الأجهزة وحماية البرامج.
فيما يتعلق بحماية الأجهزة، عادةً ما تكون وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) مزودة بدوائر حماية متنوعة، مثل الحماية من التيار الزائد، والحماية من الجهد الزائد، والحماية من انخفاض الجهد، والحماية من قصر الدائرة، والحماية من التسرب، وغيرها. تستطيع دوائر الحماية هذه مراقبة المعلمات الكهربائية لنظام توليد طاقة الرياح في الوقت الفعلي. بمجرد اكتشاف أي خلل، يمكنها العمل بسرعة لقطع الدائرة وحماية المعدات. على سبيل المثال، عندما يتجاوز تيار خرج المولد القيمة المقدرة، تكتشف دائرة الحماية من التيار الزائد التغير غير الطبيعي في التيار بسرعة، وتقطع الدائرة من خلال مشغلات مثل المرحلات لمنع تلف المولد بسبب التيار الزائد. أما الحماية من الجهد الزائد فهي عندما يتجاوز جهد الشبكة أو جهد خرج المولد الحد الأقصى المحدد، وستعمل دائرة الحماية من الجهد الزائد على تحديد الجهد ضمن نطاق آمن لمنع احتراق المعدات الكهربائية بسبب الجهد الزائد.
فيما يتعلق بحماية البرمجيات، يُمكن لـ PLC تحقيق حماية شاملة لنظام توليد طاقة الرياح من خلال برمجة برامج الحماية المناسبة. عند اكتشاف عطل في النظام، يبدأ برنامج الحماية فورًا ويتخذ الإجراءات اللازمة. عند اكتشاف سرعة رياح عالية جدًا تتجاوز نطاق التشغيل الآمن لتوربين الرياح، يتحكم PLC في زاوية الميلان لزيادة السرعة، مما يقلل من طاقة الرياح التي تلتقطها الشفرات، ويقلل من سرعة توربين الرياح، ويمنع تلف توربين الرياح بسبب السرعة الزائدة. في الوقت نفسه، يتحكم PLC أيضًا في نظام الانحراف لجعل توربين الرياح ينحرف عن اتجاه الرياح، مما يقلل من قوة الرياح عليه.
عند تعطل المولد، كقصر كهربائي أو تأريض ملف المولد، يقطع جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) الاتصال بين المولد والشبكة الكهربائية فورًا لمنع امتداد العطل إلى الشبكة، ويبدأ تشغيل مصدر الطاقة الاحتياطي أو يتخذ إجراءات طارئة أخرى لضمان التشغيل الآمن للنظام. بالإضافة إلى ذلك، يُمكّن جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) من تطبيق نظام حماية متشابك لنظام توليد طاقة الرياح. عند تعطل أي مكون، يُشبك جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) المكونات ذات الصلة تلقائيًا لإيقافها عن العمل ومنع امتداد العطل إلى مكونات أخرى. على سبيل المثال، عند تعطل علبة التروس، يُشبك جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) ويتحكم في توربين الرياح ليتوقف عن الدوران لمنع إلحاق المزيد من الضرر بعلبة التروس.
4.3.3 الدور في ضمان التشغيل الآمن لتوربينات الرياح
تلعب وظائف تشخيص الأخطاء والحماية في PLC دورًا حيويًا في ضمان التشغيل الآمن لتوربينات الرياح، وخاصة في منع الأخطاء وتقليل خسائر الأخطاء وتحسين موثوقية المعدات.
يُعدّ منع الأعطال إحدى الوظائف المهمة لتشخيص أعطال PLC وحمايتها. فمن خلال المراقبة الفورية والتحليل الذكي، يستطيع PLC الكشف الفوري عن الأعطال المحتملة في النظام، مثل التآكل والشيخوخة وارتخاء المكونات، وما إلى ذلك، ويُصدر تحذيرات مبكرة لتذكير موظفي التشغيل والصيانة بإجراء عمليات الفحص والصيانة. وبهذه الطريقة، يُمكن اتخاذ التدابير المناسبة قبل حدوث أي عطل لتجنب حدوثه وضمان التشغيل الآمن للمروحة. على سبيل المثال، عندما يكتشف PLC أن اهتزاز ريش المروحة يتزايد تدريجيًا من خلال مستشعر الاهتزاز، على الرغم من أنه لم يصل بعد إلى حد العطل، فإنه يستطيع التنبؤ باحتمالية تشقق الريش أو كسرها بناءً على البيانات التاريخية ونماذج التحليل، ويُخطر موظفي التشغيل والصيانة مسبقًا لفحص الريش وإصلاحها لمنع الأعطال.
يُعدّ تقليل الخسائر الناتجة عن الأعطال الدور الرئيسي لوظيفة تشخيص الأعطال والحماية في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). عند حدوث عطل، يُمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) اكتشاف العطل بسرعة واتخاذ تدابير حماية فعّالة، مثل فصل الدائرة وإيقاف تشغيل الآلة، لمنع تفاقم العطل وتقليل تلف المعدات والخسائر الاقتصادية. في الوقت نفسه، تُمكّن وظيفة تشخيص الأعطال في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) من تحديد نقطة العطل بسرعة ودقة، وتوفير معلومات مُفصّلة عن الأعطال لفريق الصيانة، وتقصير وقت إصلاح العطل، وتمكين توربينات الرياح من استئناف التشغيل الطبيعي في أسرع وقت ممكن. على سبيل المثال، في مزرعة رياح، تعطلت علبة تروس توربينات الرياح. اكتشف وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) إشارة العطل بسرعة، واتخذت إجراءات حماية فورية لمنع المزيد من الضرر لعلبة التروس. في الوقت نفسه، حددت وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) نقطة العطل بدقة من خلال وظيفة تشخيص الأعطال. أجرى فريق الصيانة الإصلاحات بسرعة بناءً على معلومات العطل التي وفّرها وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). استغرق الأمر يومًا واحدًا فقط لاستعادة توربينات الرياح إلى التشغيل الطبيعي، مما قلّل بشكل كبير من فقدان توليد الطاقة الناتج عن التوقف.
تحسين موثوقية المعدات هو فائدة طويلة الأمد لتشخيص أعطال PLC ووظائف الحماية. من خلال اكتشاف الأعطال ومعالجتها في الوقت المناسب، بالإضافة إلى المراقبة الفورية وضبط حالة تشغيل المعدات، يمكن لـ PLC ضمان تشغيل توربينات الرياح في حالة تشغيل جيدة دائمًا، وتقليل معدل الأعطال وأوقات إصلاح المعدات، وإطالة عمرها الافتراضي، وتحسين موثوقيتها. على سبيل المثال، في مزرعة رياح كبيرة، بعد اعتماد نظام التحكم PLC، ارتفع متوسط وقت التشغيل الخالي من المشاكل لتوربينات الرياح من 8000 ساعة في الأصل إلى 12000 ساعة. وقد تحسنت موثوقية المعدات بشكل كبير، وانخفضت تكاليف التشغيل والصيانة، مما أدى إلى تحسين كفاءة توليد الطاقة.
4.4 دراسة حالة: نظام التحكم PLC لمزرعة الرياح
لاستكشاف تأثير تطبيق نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة توليد طاقة الرياح، سيتناول هذا القسم مزرعة رياح كمثال لتحليل تطبيق نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) فيها بالتفصيل. تقع مزرعة الرياح في [موقع جغرافي محدد]، وتضم [X] توربينات رياح من طرازات مختلفة، بطاقة إجمالية مثبتة تبلغ [X] ميجاوات، وهي من أهم مشاريع توليد طاقة الرياح المحلية.
فيما يتعلق بمراقبة سرعة الرياح واتجاهها والتحكم فيها، تستخدم مزرعة الرياح مستشعرات متطورة لسرعة الرياح واتجاهها، وتستخدم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) لتحقيق مراقبة آنية وتحكم دقيق في سرعتها واتجاهها. يستخدم مستشعر سرعة الرياح مستشعرًا بالموجات فوق الصوتية، يتميز بدقة قياس عالية وسرعة استجابة سريعة، ويمكنه قياس حجم وتغيرات سرعة الرياح بدقة. يستخدم مستشعر اتجاه الرياح مستشعرًا دوارًا لتحديد اتجاه الرياح، والذي يحدد اتجاه الرياح من خلال اتجاه دوارة الرياح، ويحول إشارة اتجاه الرياح إلى إشارة كهربائية ويرسلها إلى نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC).
يقوم PLC بحساب إشارات النبض الصادرة عن مستشعر سرعة الرياح من خلال عداد عالي السرعة للحصول على بيانات دقيقة لسرعة الرياح؛ بالنسبة للإشارة التناظرية الصادرة عن مستشعر اتجاه الرياح، يحولها PLC إلى إشارة رقمية من خلال وحدة إدخال تناظرية ويقوم بالمعالجة والتحليل المناسبين. استنادًا إلى بيانات سرعة الرياح واتجاهها التي تتم مراقبتها في الوقت الفعلي، يتحكم PLC بدقة في زاوية الميل ونظام الانحراف لتوربين الرياح وفقًا لاستراتيجية التحكم المحددة مسبقًا. عندما تكون سرعة الرياح أقل من سرعة الرياح الأولية لتوربين الرياح، يتحكم PLC في توربين الرياح ليكون في وضع الاستعداد ويراقب عن كثب تغيرات سرعة الرياح؛ عندما تصل سرعة الرياح إلى سرعة الرياح الأولية، يتحكم PLC في توربين الرياح لبدء التشغيل، ووفقًا لتغير سرعة الرياح، يتم ضبط زاوية الميل في الوقت الفعلي من خلال خوارزمية MPPT، بحيث يعمل توربين الرياح دائمًا بالقرب من نقطة الطاقة القصوى لالتقاط المزيد من طاقة الرياح.
في التشغيل الفعلي، ارتفعت سرعة الرياح بسرعة من 8 م/ث إلى 15 م/ث في فترة زمنية قصيرة، متجاوزة سرعة الرياح المقدرة لتوربين الرياح. اكتشف PLC التغيير في سرعة الرياح في الوقت المناسب وبدأ بسرعة استراتيجية التحكم في حد السرعة. من خلال زيادة زاوية الميل، وتقليل الزاوية بين الشفرات واتجاه الرياح، وتقليل طاقة الرياح التي تلتقطها الشفرات، تم الحفاظ على سرعة وقوة خرج توربين الرياح ضمن النطاق المقدر. في الوقت نفسه، عندما يتغير اتجاه الرياح، يتحكم PLC في نظام الانحراف للعمل بسرعة بحيث يمكن لدوار توربين الرياح مواجهة اتجاه الرياح دائمًا لزيادة التقاط طاقة الرياح. أثناء تشغيل مزرعة الرياح، من خلال التحكم الدقيق في PLC، يمكن لتوربين الرياح الاستجابة بسرعة للتغيرات في سرعة الرياح واتجاهها، والحفاظ على حالة تشغيل مستقرة، وتحسين كفاءة استخدام طاقة الرياح بشكل فعال.
فيما يتعلق بالتحكم في زاوية الميلان والانحراف، تستخدم توربينات الرياح في مزرعة الرياح هذه نظام ميل كهربائي متغير ونظام انحراف تلقائي، ويحقق جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) تحكمًا دقيقًا في زاوية الميلان والانحراف. فيما يتعلق بالتحكم في زاوية الميلان، يستخدم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة خوارزميات تحكم متقدمة مثل مزيج من خوارزميات التحكم التفاضلي التكاملي التفاضلي (PID) وخوارزميات التحكم الضبابي القائمة على المراقبة الفورية لسرعة الرياح وسرعة المولد والطاقة وغيرها من المعلمات لضبط زاوية الميلان ديناميكيًا. في المناطق ذات سرعة الرياح المنخفضة، يقلل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة من زاوية الميلان ويزيد من المساحة المواجهة للريح للشفرات لتحسين قدرة توربين الرياح على التقاط طاقة الرياح؛ وفي المناطق ذات سرعة الرياح العالية، يزيد جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة من زاوية الميلان ويقلل من المساحة المواجهة للريح للشفرات للحد من سرعة توربين الرياح وطاقته الناتجة وضمان تشغيله الآمن.
خذ توربين رياح معين كمثال. عندما تكون سرعة الرياح منخفضة، تكون سرعة الرياح 6 م/ث. يضبط PLC زاوية الميل إلى 5 درجات من خلال خوارزمية التحكم، بحيث يمكن لتوربين الرياح التقاط طاقة الرياح بكفاءة. في هذا الوقت، تصل طاقة خرج المولد إلى أقصى قيمة تحت سرعة الرياح هذه. عندما ترتفع سرعة الرياح إلى 14 م/ث، فإنها تتجاوز سرعة الرياح المقدرة. يزيد PLC بسرعة زاوية الميل إلى 30 درجة، ويقلل من سرعة وقوة خرج توربين الرياح، ويحافظ عليها ضمن النطاق المقدر. من حيث التحكم في الانحراف، يتحكم PLC في الدوران الأمامي والخلفي وسرعة محرك الانحراف وفقًا لإشارة اتجاه الرياح التي يرسلها مستشعر اتجاه الرياح لتحقيق تحكم دقيق في زاوية انحراف توربين الرياح. عندما يتغير اتجاه الرياح، يمكن لـ PLC حساب زاوية الانحراف بسرعة والتحكم في نظام الانحراف لمحاذاة دوار توربين الرياح بدقة مع اتجاه الرياح. على سبيل المثال، عند تغير اتجاه الرياح بمقدار 20 درجة، يتحكم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في دوران محرك الانحراف بسرعة معينة، ويدفع محمل الانحراف للدوران عبر مُخفِّض الانحراف، ثم يُدير دوار توربين الرياح تدريجيًا إلى اتجاه الرياح الجديد. أثناء عملية الانحراف، يراقب جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة زاوية الانحراف آنيًا. عندما تصل زاوية الانحراف إلى 20 درجة، يتوقف محرك الانحراف في الوقت المناسب لإكمال عملية ضبط الانحراف.
بفضل التحكم الدقيق في زاوية الميل والانحراف بواسطة نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، تحافظ توربينات الرياح في هذه المزرعة على استقرار التشغيل في ظروف سرعة واتجاه الرياح المختلفة، مما يُحسّن كفاءة توليد الطاقة وموثوقية المعدات بشكل فعال. ووفقًا لإحصاءات تشغيل المزرعة، بعد اعتماد نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، زاد متوسط توليد الطاقة لتوربينات الرياح بمقدار 12% مقارنةً بالسابق، وانخفض معدل أعطال المعدات بمقدار 35%، مما يعكس تمامًا مزايا نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في التحكم في زاوية الميل والانحراف. مزايا مهمة.
فيما يتعلق بتشخيص الأعطال والحماية منها، يتميز نظام التحكم PLC في مزرعة الرياح بوظائف تشخيص وحماية فعّالة، مما يضمن التشغيل الآمن لتوربينات الرياح. يجمع PLC بيانات تشغيل توربينات الرياح آنيًا من خلال الاتصال بأجهزة استشعار مختلفة، مثل سرعة الرياح واتجاهها وسرعة المولد والطاقة والاهتزاز ودرجة الحرارة، ويستخدم خوارزميات تشخيص أعطال متقدمة لتحليل هذه البيانات ومعالجتها. عند اكتشاف أي خلل في المعلمات، يحدد PLC بسرعة نوع وموقع العطل المحتمل ويُصدر إنذارًا.
على سبيل المثال، عندما يكتشف مستشعر الاهتزاز أن سعة اهتزاز ريشة المروحة تتجاوز النطاق الطبيعي، يُحلل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بيانات الاهتزاز ويحدد ما إذا كانت الريشة قد تحتوي على شقوق أو اختلالات، ويُصدر إنذارًا على الفور لتذكير موظفي التشغيل والصيانة بالفحص والإصلاح. في الوقت نفسه، تستخدم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أيضًا تقنيات التشخيص الذكية، مثل تحليل شجرة الأعطال وخوارزميات الشبكة العصبية، لإجراء تشخيص دقيق والتنبؤ بأعطال المروحة. من خلال إنشاء نموذج شجرة الأعطال، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة استكشاف الأخطاء وإصلاحها من جوانب متعددة وتحديد سبب العطل بسرعة؛ باستخدام خوارزميات الشبكة العصبية لتعلم وتدريب كمية كبيرة من بيانات الأعطال التاريخية وبيانات التشغيل العادية، وإنشاء نموذج تشخيص الأعطال، وتحسين دقة وسرعة تشخيص الأعطال.
فيما يتعلق بوظائف الحماية، تم تجهيز PLC بمجموعة متنوعة من دوائر حماية الأجهزة وبرامج حماية البرامج. فيما يتعلق بحماية الأجهزة، فهي مجهزة بدوائر مثل حماية التيار الزائد وحماية الجهد الزائد وحماية الجهد المنخفض وحماية الدائرة القصيرة وحماية التسرب، والتي يمكنها مراقبة المعلمات الكهربائية لتوربين الرياح في الوقت الفعلي. بمجرد اكتشاف حالة غير طبيعية، سيتم قطع الدائرة بسرعة لحماية سلامة المعدات. فيما يتعلق بحماية البرامج، عندما يكتشف PLC عطلًا في النظام، فإنه سيبدأ على الفور برنامج الحماية ويتخذ تدابير الحماية المقابلة. عندما يتم اكتشاف أن سرعة الرياح مرتفعة جدًا وتتجاوز نطاق التشغيل الآمن لتوربين الرياح، سيتحكم PLC بسرعة في زاوية الميل لزيادة وإبطاء توربين الرياح، وفي الوقت نفسه يتحكم في نظام الانحراف لجعل توربين الرياح ينحرف عن اتجاه الرياح ويقلل من قوة الرياح على توربين الرياح. عندما يفشل المولد، يقوم PLC على الفور بقطع الاتصال بين المولد وشبكة الطاقة لمنع امتداد الخطأ إلى شبكة الطاقة، وبدء تشغيل مصدر الطاقة الاحتياطي أو اتخاذ تدابير طارئة أخرى لضمان التشغيل الآمن للنظام.
أثناء تشغيل مزرعة الرياح، لعبت وظائف تشخيص الأعطال والحماية في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) دورًا مهمًا. أثناء الرياح القوية، زادت سرعة الرياح فجأة وتجاوزت نطاق التشغيل الآمن لتوربين الرياح. اكتشف PLC بسرعة سرعة الرياح غير الطبيعية وبدأ برنامج الحماية على الفور، مما زاد من زاوية الميل لإبطاء توربين الرياح وتحكم في نظام الانحراف لجعل توربين الرياح ينحرف عن اتجاه الريح. في الوقت نفسه، نظرًا لاكتشاف الشقوق المحتملة في شفرات توربينات الرياح مسبقًا من خلال وظيفة تشخيص الأعطال، تم إجراء الإصلاحات في الوقت المناسب، وتجنب الحوادث الخطيرة مثل كسر الشفرات في الرياح القوية. من خلال وظائف تشخيص الأعطال والحماية في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، يمكن لتوربينات الرياح في مزرعة الرياح اكتشاف الأعطال ومعالجتها في الوقت المناسب أثناء التشغيل، مما يقلل بشكل فعال من خسائر الأعطال ويحسن موثوقية وسلامة المعدات.
5. تطبيق PLC في نظام الطاقة الكهرومائية
5.1 مراقبة مستوى المياه وتدفقها والتحكم فيها
في أنظمة توليد الطاقة الكهرومائية، يُعدّ الرصد الدقيق والتحكم الفعال في منسوب المياه وتدفقها أمرًا بالغ الأهمية لضمان كفاءة توليد الطاقة، وسلامة المعدات، والاستخدام الرشيد لموارد المياه. ويلعب نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) دورًا محوريًا في هذه العملية بفضل قدراته القوية في التحكم ومعالجة البيانات.
يمكن لـ PLC تحقيق مراقبة دقيقة وفورية لمستوى المياه ومعدل التدفق من خلال الاتصال الوثيق بأجهزة استشعار عالية الدقة متنوعة. عادةً ما تعتمد مراقبة مستوى المياه على مستشعر ضغط مستوى المياه، أو مستشعر مستوى المياه بالموجات فوق الصوتية، أو مستشعر مستوى المياه العائمة. يستخدم مستشعر مستوى المياه بالضغط العلاقة بين ضغط السائل والعمق لحساب مستوى المياه عن طريق قياس الضغط في قاع المسطح المائي. يتميز بدقة قياس عالية واستقرار جيد، وهو مناسب لمختلف البيئات المائية المعقدة؛ يستخدم مستشعر مستوى المياه بالموجات فوق الصوتية فرق الوقت بين انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء وانعكاسها مرة أخرى على سطح الماء لقياس مستوى المياه. يتميز بمزايا القياس بدون تلامس وسرعة الاستجابة، ويمكنه تجنب التآكل والانسداد الناتج عن التلامس المباشر مع المسطح المائي؛ يدفع مستشعر مستوى المياه العائمة آلية النقل من خلال ارتفاع وانخفاض مستوى المياه، ويحول تغير مستوى المياه إلى خرج إشارة كهربائية. يتميز بهيكل بسيط وتكلفة منخفضة، ويُستخدم على نطاق واسع في بعض محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة.
تعتمد مراقبة التدفق بشكل رئيسي على مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية، ومقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية، ومقاييس التدفق الدوامية. تعتمد مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. عندما يتدفق سائل موصل في مجال مغناطيسي، تتولد قوة دافعة كهربائية مستحثة، ويتناسب مقدارها مع معدل التدفق. يمكن حساب معدل التدفق بقياس القوة الدافعة الكهربائية المستحثة. يتميز هذا المقياس بدقة قياس عالية وقدرة عالية على التكيف مع السوائل، ويمكن استخدامه لقياس تدفق مختلف السوائل الموصلة. تعتمد مقاييس التدفق بالموجات فوق الصوتية على مبدأ أن انتشار الموجات فوق الصوتية في سائل ما يتأثر بسرعة انتشارها بمعدل تدفق السائل. يتم حساب السرعة ومعدل التدفق بقياس فرق زمن انتشار الموجات فوق الصوتية في اتجاهي المصب والمنبع. يتميز هذا المقياس بسهولة التركيب والقياس غير الجراحي، وهو مناسب لأقطار الأنابيب الكبيرة والحالات التي يصعب فيها ملامسة السوائل. تعتمد مقاييس التدفق الدوامية على مبدأ تذبذب السوائل. عندما يتدفق سائل عبر مولد دوامات، تتولد دوامات بالتناوب على جانبي مجرى السائل. يتناسب تردد الدوامة طرديًا مع معدل التدفق. يمكن حساب معدل التدفق بقياس تردد الدوامة. يتميز هذا المقياس بدقة قياس عالية ونطاق واسع، ويمكن استخدامه لقياس تدفق مختلف الغازات والسوائل.
تقوم هذه المستشعرات بتحويل إشارات مستوى المياه المجمعة وتدفقها إلى إشارات كهربائية قياسية، مثل إشارات الجهد التناظرية أو إشارات التيار أو الإشارات الرقمية، ثم ترسلها إلى وحدة الإدخال في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). تقوم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بتحويل الإشارات التناظرية إلى كميات رقمية من خلال وحدة الإدخال التناظرية للمعالجة والتحليل اللاحقين؛ بالنسبة للإشارات الرقمية، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة قراءتها ومعالجتها مباشرة. أثناء عملية معالجة البيانات، ستقوم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بتصفية البيانات المجمعة ومعايرتها وتعويضها لتحسين دقتها وموثوقيتها. على سبيل المثال، استجابةً للتداخل المحتمل مع المستشعر، تستخدم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة خوارزمية تصفية رقمية لإزالة إشارات الضوضاء وضمان استقرار بيانات القياس؛ بالنسبة لأخطاء قياس المستشعر الناتجة عن التغيرات في العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والضغط، تستخدم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة نموذج معايرة وخوارزمية تعويض محددة مسبقًا لتصحيح بيانات القياس وتحسين دقة القياس.
وفقًا لبيانات مستوى المياه وتدفقها التي تتم مراقبتها في الوقت الفعلي، يتحكم PLC بدقة في تشغيل البوابات والتوربينات وفقًا لاستراتيجيات التحكم والخوارزميات المحددة مسبقًا لتحقيق تشغيل فعال ومستقر لنظام الطاقة الكهرومائية. فيما يتعلق بالتحكم في مستوى المياه، عندما يكون مستوى المياه أقل من الحد الأدنى المحدد، يحدد PLC أن حجم المياه الحالي غير كافٍ. من أجل ضمان كمية المياه المطلوبة لتوليد الطاقة، فإنه سيتحكم في فتح بوابة مدخل المياه لزيادة، بحيث يتدفق المزيد من المياه إلى محطة الطاقة الكهرومائية؛ عندما يكون مستوى المياه أعلى من الحد الأقصى المحدد، من أجل منع ارتفاع مستوى المياه من أن يشكل تهديدًا لسلامة السد والمعدات، سيتحكم PLC في فتح بوابة مدخل المياه لتقليل وتقليل تدفق المياه. في الوقت نفسه، سيضبط PLC أيضًا معدل تغيير فتح البوابة ديناميكيًا وفقًا لمعدل واتجاه تغيرات مستوى المياه لتجنب التقلبات المفرطة في مستوى المياه من أن يكون لها تأثير سلبي على نظام توليد الطاقة.
فيما يتعلق بالتحكم في التدفق، يضبط PLC تدفق المياه الداخلة إلى التوربين عن طريق التحكم في فتحة ريشة التوجيه وسرعة التوربين، وبالتالي تحقيق التحكم في توليد الطاقة. عندما يكون التدفق كبيرًا، ولمنع التوربين من التحميل الزائد، يتحكم PLC في فتحة ريشة التوجيه لتقليل تدفق المياه الداخلة إلى التوربين، وضبط سرعة التوربين بشكل مناسب لجعل التوربين يعمل في منطقة الكفاءة العالية؛ عندما يكون التدفق صغيرًا، يتحكم PLC في فتحة ريشة التوجيه لزيادة تدفق المياه الداخلة إلى التوربين، وزيادة توليد الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، سيعمل PLC على تحسين التدفق وفقًا لطلب الحمل على شبكة الطاقة وحالة تشغيل نظام توليد الطاقة لزيادة كفاءة توليد الطاقة إلى أقصى حد. على سبيل المثال، خلال فترة ذروة الحمل لشبكة الطاقة، سيضبط PLC بشكل معقول فتحة ريشة التوجيه وسرعة التوربين وفقًا لبيانات التدفق ومستوى المياه في الوقت الفعلي، وزيادة توليد الطاقة، وتلبية طلب الطاقة على شبكة الطاقة؛ خلال فترة الحمل المنخفض لشبكة الطاقة، ستعمل PLC على تقليل توليد الطاقة بشكل مناسب، وتقليل هدر موارد المياه، وضمان التشغيل الآمن والمستقر لمعدات توليد الطاقة.
لنأخذ محطة طاقة كهرومائية كبيرة كمثال. رُكّب في هذه المحطة نظام مراقبة وتحكم بمستوى المياه وتدفقها يعتمد على PLC. أثناء الفيضان، ارتفع مستوى المياه بسرعة وزاد التدفق بشكل حاد. راقب PLC هذه التغيرات في الوقت المناسب من خلال أجهزة استشعار مستوى المياه وتدفقها، وفعّل خطة الطوارئ بسرعة. أولاً، تحكّم PLC في الانخفاض السريع لفتح بوابة مدخل المياه لتقليل تدفق مياه الفيضان إلى محطة الطاقة الكهرومائية وتجنب تلف المعدات بسبب حجم المياه الزائد؛ وفي الوقت نفسه، ووفقًا لبيانات التدفق ومستوى المياه في الوقت الفعلي، عدّل PLC بدقة فتحة ريشة التوجيه وسرعة التوربين، بحيث يظل التوربين يعمل بثبات في ظل ظروف التدفق العالي ومستوى المياه العالي، مما يضمن استمرارية توليد الطاقة. بعد الفيضان، عاد مستوى المياه وتدفقها تدريجيًا إلى طبيعتهما. عدّل PLC تدريجيًا معلمات تشغيل البوابة والتوربين وفقًا للوضع الفعلي لاستعادة نظام توليد الطاقة إلى حالة التشغيل المثلى. بفضل التحكم الدقيق من خلال PLC، نجحت محطة الطاقة الكهرومائية في التعامل مع التغيرات الجذرية في مستوى المياه وتدفقها أثناء الفيضان، مما يضمن سلامة المعدات، مع تعظيم استخدام موارد المياه وتعظيم كفاءة توليد الطاقة.
5.2 جمع البيانات والمراقبة عن بعد
في نظام توليد الطاقة الكهرومائية، يحقق PLC الإدراك الشامل والتحكم عن بعد لحالة تشغيل النظام من خلال بناء نظام كامل لجمع البيانات ونظام مراقبة عن بعد، مما يوفر ضمانًا قويًا للتشغيل الفعال والمستقر للنظام.
فيما يتعلق بجمع البيانات، يربط PLC أنواعًا مختلفة من أجهزة الاستشعار لتحقيق جمع فوري للمعلمات الرئيسية مثل مستوى المياه، والتدفق، وضغط المياه، ودرجة حرارة المياه، وسرعة الوحدة، والطاقة، وما إلى ذلك. يستخدم مستشعر مستوى المياه مستشعر ضغط عالي الدقة أو مستشعر بالموجات فوق الصوتية، والذي يمكنه قياس مستوى المياه في الخزان أو النهر أو قناة تحويل المياه بدقة، وتوفير قاعدة بيانات دقيقة للتحكم في مستوى المياه وجدولة توليد الطاقة؛ يستخدم مستشعر التدفق مقياس تدفق كهرومغناطيسي أو بالموجات فوق الصوتية، والذي يمكنه مراقبة تدفق المياه في الوقت الفعلي ومساعدة الموظفين على فهم استخدام موارد المياه. يُستخدم مستشعر ضغط المياه لمراقبة ضغط المياه عند مدخل ومخرج التوربين، وهو أمر بالغ الأهمية لتقييم حالة عمل التوربين وكفاءته. من خلال مراقبة التغير في ضغط المياه، يمكن اكتشاف ما إذا كان هناك انسداد أو تسرب أو أعطال أخرى داخل التوربين في الوقت المناسب؛ يُستخدم مستشعر درجة حرارة الماء لقياس درجة حرارة المسطح المائي. يؤثر تغير درجة حرارة الماء على كثافته ولزوجته، مما يؤثر سلبًا على كفاءة تشغيل التوربين. من خلال المراقبة الفورية لدرجة حرارة الماء، يمكن تعديل معلمات تشغيل التوربين وفقًا لذلك لضمان كفاءة تشغيله.
يُعدّ مستشعر سرعة الوحدة ومستشعر الطاقة من الأجهزة المهمة لمراقبة حالة تشغيل مجموعة مولدات التوربينات المائية. يقيس مستشعر سرعة الوحدة سرعة مولد التوربينات المائية آنيًا. تُعد السرعة أحد المؤشرات الرئيسية التي تعكس حالة تشغيل الوحدة. من خلال مراقبة السرعة، يمكن الحكم على ما إذا كانت الوحدة تعمل بشكل طبيعي، وما إذا كانت هناك ظروف غير طبيعية مثل السرعة الزائدة أو المنخفضة؛ ويُستخدم مستشعر الطاقة لقياس طاقة خرج المولد. بناءً على بيانات الطاقة، يمكن فهم سعة توليد الطاقة وحمل الوحدة، مما يوفر مرجعًا مهمًا لجدولة توليد الطاقة وتوزيعها.
تنقل هذه المستشعرات الإشارات التناظرية أو الرقمية المجمعة إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، التي تحوّل الإشارات التناظرية إلى كميات رقمية عبر وحدة الإدخال التناظرية الداخلية الخاصة بها، وذلك للمعالجة والتحليل اللاحقين. أثناء عملية جمع البيانات، تقوم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة أيضًا بتصفية البيانات المجمعة ومعايرتها وتعويضها لتحسين دقتها وموثوقيتها. على سبيل المثال، استجابةً للتداخل المحتمل مع المستشعر، تستخدم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة خوارزمية تصفية رقمية لإزالة إشارات الضوضاء وضمان استقرار بيانات القياس؛ أما بالنسبة لأخطاء قياس المستشعر الناتجة عن تغيرات العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والضغط، فتستخدم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة نموذج معايرة مُعدّ مسبقًا وخوارزمية تعويض لتصحيح بيانات القياس وتحسين دقتها.
فيما يتعلق بالمراقبة عن بُعد، يُنشئ جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) اتصالاً بمركز المراقبة عن بُعد عبر وحدة الاتصالات، مما يُتيح مراقبة وإدارة نظام الطاقة الكهرومائية عن بُعد. تدعم وحدة الاتصالات بروتوكولات اتصال متنوعة، مثل Ethernet وRS485 وModbus، للتكيف مع بيئات الشبكات المختلفة ومتطلبات اتصال الأجهزة. من خلال اتصال Ethernet، يُمكن لجهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) نقل البيانات المُجمعة بسرعة وثبات إلى خادم مركز المراقبة عن بُعد، مما يُتيح مشاركة البيانات في الوقت الفعلي والوصول عن بُعد. يُعد اتصال RS485 مناسبًا لبعض السيناريوهات التي تتطلب مسافة اتصال وتكلفة، ويُمكنه تحقيق اتصال موثوق بين جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) وأجهزة التحكم عن بُعد المتعددة. يتميز بروتوكول Modbus، باعتباره بروتوكول اتصال صناعي شائع الاستخدام، بتوافقه وتعدد استخداماته، مما يُمكّن جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) من التفاعل مع مختلف الأجهزة التي تدعم بروتوكول Modbus.
يتكون مركز المراقبة عن بُعد عادةً من جهاز كمبيوتر، وبرنامج مراقبة، وخادم. يوفر برنامج المراقبة وظائف متعددة، مثل عرض البيانات في الوقت الفعلي، واستعلام البيانات التاريخية، وإنشاء التقارير، وإدارة الإنذارات. من خلال واجهة برنامج المراقبة، يمكن للموظفين الاطلاع فورًا على مختلف معلمات التشغيل لنظام الطاقة الكهرومائية، مثل مستوى المياه، والتدفق، وضغط المياه، وسرعة الوحدة، والطاقة، وغيرها، بالإضافة إلى حالة تشغيل المعدات، مثل ما إذا كانت التوربينات، والمولدات، والبوابات، وغيرها من المعدات تعمل بشكل طبيعي. في الوقت نفسه، يمكن لبرنامج المراقبة أيضًا تحليل البيانات التاريخية وتجميعها، وإنشاء تقارير متنوعة، وتوفير أساس لاتخاذ القرارات للمديرين.
عند حدوث أي عطل في النظام، يُرسل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) معلومات الإنذار فورًا إلى مركز المراقبة عن بُعد. تتضمن هذه المعلومات معلومات مفصلة مثل نوع العطل وموقعه ووقت حدوثه، إلخ. يُصدر برنامج المراقبة إنذارًا فورًا ويُذكّر الموظفين عبر الصوت والنوافذ المنبثقة. بناءً على هذه المعلومات، يُمكن للموظفين تشغيل النظام عن بُعد، مثل عرض تفاصيل المعدات المعطلة، وضبط حالة تشغيلها، وتشغيل أو إيقاف المعدات ذات الصلة، إلخ، لاستعادة التشغيل الطبيعي للنظام في أسرع وقت ممكن.
يُعدّ جمع البيانات والمراقبة عن بُعد أمرًا بالغ الأهمية لإدارة وصيانة أنظمة الطاقة الكهرومائية. ومن أجل تحسين كفاءة الإدارة، يُمكّن جمع البيانات الآنية والمراقبة عن بُعد المديرين من فهم حالة تشغيل النظام بشكل كامل دون الحاجة إلى زيارة الموقع شخصيًا، والحصول على معلومات مهمة في الوقت المناسب، مثل توليد الطاقة في النظام، وحالة المعدات، وتوزيع الطاقة، مما يُمكّنهم من اتخاذ القرارات وتوزيع الطاقة بكفاءة أكبر. على سبيل المثال، خلال فترات ذروة الحمل على شبكة الكهرباء، يُمكن للمديرين ضبط معلمات تشغيل مجموعة مولدات التوربينات في الوقت المناسب بناءً على البيانات الآنية لزيادة توليد الطاقة وتلبية الطلب على الطاقة في شبكة الكهرباء؛ وفي حال تعطل المعدات، يُمكنهم فهم حالة العطل بسرعة من خلال نظام المراقبة عن بُعد، وتجهيز فرق الصيانة للتعامل معه في الوقت المناسب، وتقليل تأثير العطل على توليد الطاقة.
فيما يتعلق بخفض تكاليف الصيانة، يُمكن لنظام المراقبة عن بُعد مراقبة حالة تشغيل المعدات آنيًا، واكتشاف الأعطال المحتملة في الوقت المناسب، واتخاذ إجراءات الصيانة مسبقًا، وتجنب أعطال المعدات، مما يُقلل تكاليف صيانتها ووقت تعطلها. وفي الوقت نفسه، يُقلل نظام المراقبة عن بُعد من عدد عمليات التفتيش في الموقع، ويُقلل من استهلاك القوى العاملة والموارد المادية، وبالتالي من تكاليف الصيانة.
لضمان التشغيل الآمن والمستقر للنظام، يُمكن لنظام جمع البيانات والمراقبة عن بُعد مراقبة معلمات النظام آنيًا، واكتشاف أي ظروف غير طبيعية في الوقت المناسب، واتخاذ التدابير الوقائية اللازمة لتجنب تفاقم الأعطال وتدهورها، وضمان التشغيل الآمن والمستقر للنظام. على سبيل المثال، عند ارتفاع أو انخفاض مستوى المياه بشكل كبير، يُصدر النظام إنذارًا تلقائيًا، ويتخذ إجراءات التحكم اللازمة، مثل ضبط فتح البوابة، وضبط حالة تشغيل مجموعة مولدات التوربينات، وغيرها، لضمان سلامة النظام.
5.3 التكامل مع أنظمة إدارة الطاقة الأخرى
في المخطط العام لبناء شبكات الطاقة الذكية وإنترنت الطاقة، يلعب دمج PLC وأنظمة إدارة الطاقة الأخرى دورًا حيويًا ويشكل رابطًا رئيسيًا في تحقيق إدارة فعالة للطاقة وتكوين مثالي.
في الشبكات الصغيرة الذكية، عادةً ما توجد أنواع عديدة من الطاقة، مثل الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية، وطاقة الكتلة الحيوية، وأنظمة تخزين الطاقة. بفضل قدرات الاتصال القوية ووظائف التحكم المرنة، يمكن دمج PLC بسلاسة مع أنظمة إدارة الطاقة المختلفة. عند دمجه مع نظام إدارة الطاقة لنظام توليد الطاقة الشمسية، يمكن لـ PLC الحصول على بيانات آنية لتوليد الطاقة الشمسية، بما في ذلك توليد الطاقة، وكثافة الضوء، ودرجة الحرارة، وما إلى ذلك، ونقل بيانات المراقبة الخاصة به وتعليمات التحكم الخاصة بحالة تشغيل النظام إلى نظام إدارة الطاقة لنظام توليد الطاقة الشمسية. عند تغير كثافة الضوء، يمكن لـ PLC العمل مع نظام إدارة الطاقة لنظام توليد الطاقة الشمسية وفقًا للاحتياجات العامة للنظام المتكامل، وضبط حالة عمل الألواح الشمسية، وتحقيق أقصى تتبع لنقاط الطاقة، وضمان كفاءة توليد الطاقة الشمسية.
من حيث التكامل مع نظام إدارة الطاقة في نظام توليد طاقة الرياح، يمكن ربط وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بشكل وثيق بمعدات مراقبة سرعة الرياح واتجاهها ونظام التحكم في توربينات الرياح. من خلال مشاركة بيانات سرعة الرياح واتجاهها ومعايير تشغيل توربينات الرياح في الوقت الفعلي، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة العمل مع نظام إدارة الطاقة في نظام توليد طاقة الرياح لتحسين استراتيجية تشغيل توربينات الرياح. عندما تكون سرعة الرياح عالية جدًا أو منخفضة جدًا، يمكن للنظامين تنسيق زاوية الميلان وزاوية الانحراف في توربينات الرياح والتحكم فيها لضمان تشغيل آمن ومستقر لتوربينات الرياح، مع تحسين كفاءة استخدام طاقة الرياح.
يُعدّ دمج وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أمرًا بالغ الأهمية لنظام إدارة الطاقة في نظام تخزين الطاقة. إذ يُمكنها مراقبة حالة الشحن والتفريغ، والطاقة المتبقية، وغيرها من معلومات نظام تخزين الطاقة آنيًا، والتنسيق مع نظام إدارة الطاقة في نظام تخزين الطاقة للتحكم في عملية الشحن والتفريغ وفقًا لإجمالي العرض والطلب على الطاقة في الشبكة الذكية الصغيرة. عند زيادة إمدادات الطاقة، تتحكم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة في نظام تخزين الطاقة لشحن وتخزين الكهرباء الزائدة؛ وعندما تكون إمدادات الطاقة غير كافية، تتحكم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة في نظام تخزين الطاقة لتفريغ وتوفير دعم الطاقة للشبكة، مما يضمن تنظيمًا سلسًا وإمدادًا مستقرًا للطاقة.
في الإطار العام لإنترنت الطاقة، يُعدّ دمج وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وأنظمة إدارة الطاقة الأخرى عنصرًا أساسيًا لتحقيق الترابط والتكوين الأمثل للطاقة. يغطي إنترنت الطاقة العديد من أنظمة الطاقة الموزعة، وأنظمة تخزين الطاقة، ومحطات المستخدمين، ويُحقق مشاركة الطاقة والإدارة التعاونية من خلال شبكات الاتصالات وتكنولوجيا المعلومات. وبصفتها وحدة تحكم مهمة في نظام الطاقة الموزعة، يُمكن لوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة تبادل البيانات وإجراء التحكم التعاوني مع أنظمة إدارة الطاقة الأخرى في إنترنت الطاقة.
عند دمجها مع نظام إدارة الطاقة لنظام الطاقة الموزع، يمكن لـ PLC تحميل بيانات إنتاج واستهلاك الطاقة المحلية إلى منصة إدارة إنترنت الطاقة، وتلقي تعليمات توزيع الطاقة الصادرة عن المنصة. ووفقًا للتوزيع الموحد للمنصة، يمكن لـ PLC تنسيق تشغيل نظام الطاقة الموزع المحلي لتحقيق التوزيع الأمثل والاستخدام الفعال للطاقة. في إنترنت الطاقة في منطقة معينة، يتم دمج العديد من محطات الطاقة الشمسية الموزعة ومزارع الرياح مع منصة إدارة إنترنت الطاقة من خلال PLC. عندما يتغير الطلب على الطاقة في المنطقة، ستقوم منصة إدارة إنترنت الطاقة بتوزيع محطات الطاقة الشمسية ومزارع الرياح بشكل موحد من خلال PLC وفقًا للبيانات التي تم تحميلها من كل نظام طاقة موزع، وتوزيع مهام توليد الطاقة بشكل معقول، وضمان إمدادات مستقرة من الكهرباء.
من حيث التكامل مع نظام إدارة الطاقة من جانب المستخدم، يمكن لـ PLC مراقبة سلوك استهلاك الكهرباء والتحكم فيه. من خلال الاتصال بالعدادات الذكية وأجهزة المنزل الذكي، يحصل PLC على بيانات استهلاك الكهرباء للمستخدم في الوقت الفعلي، بما في ذلك استهلاك الكهرباء ووقت استهلاكها وحالة المعدات الكهربائية. بناءً على هذه البيانات، يمكن لـ PLC العمل مع نظام إدارة الطاقة من جانب المستخدم لتزويده بخدمات إدارة طاقة مخصصة. وفقًا لعادات استهلاك الكهرباء للمستخدم وسياسات أسعار الكهرباء، يتم وضع خطة استهلاك كهرباء معقولة. عندما يكون سعر الكهرباء منخفضًا، يتم تشجيع المستخدمين على استخدام الأجهزة الكهربائية عالية الطاقة؛ وعندما يكون سعر الكهرباء مرتفعًا، يتم تعديل وقت استهلاك الكهرباء لبعض المعدات تلقائيًا لتقليل تكلفة الكهرباء على المستخدم. في الوقت نفسه، يمكن لـ PLC أيضًا تنظيم استهلاك الطاقة من جانب المستخدم وفقًا للعرض والطلب الكلي لشبكة الطاقة. عندما يكون مصدر الطاقة محدودًا، يمكن تقليل الحمل الكهربائي غير الضروري للمستخدم بشكل مناسب من خلال التعاون مع نظام إدارة الطاقة من جانب المستخدم لضمان التشغيل المستقر لشبكة الطاقة.
5.4 دراسة حالة: تطبيق PLC في محطة الطاقة الكهرومائية
لتحليل نتائج التطبيقات الفعلية لـ PLC في أنظمة توليد الطاقة الكهرومائية بشكل متعمق، يتناول هذا القسم محطة طاقة كهرومائية كحالة نموذجية لتحليلها بالتفصيل. تقع المحطة في [موقع جغرافي محدد]، وتحتوي على [X] مجموعة مولدات توربينية، بسعة إجمالية مُركّبة تبلغ [X] ميجاوات، وتحتل مكانة مهمة في نظام إمداد الطاقة المحلي.
فيما يتعلق بمراقبة منسوب المياه وتدفقها والتحكم بها، تستخدم محطة الطاقة الكهرومائية مستشعرات متطورة ونظام تحكم قائم على وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC). يستخدم نظام مراقبة منسوب المياه مستشعر ضغط عالي الدقة بدقة قياس تبلغ ±0.01 متر، مما يُمكّنه من قياس مستوى المياه في الخزان بدقة. أما نظام مراقبة التدفق، فيستخدم مقياس تدفق كهرومغناطيسي بدقة قياس عالية ونطاقًا واسعًا، يُمكّنه من مراقبة تدفق المياه آنيًا. تُرسل هذه المستشعرات إشارات منسوب المياه وتدفقها المُجمعة إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، التي تُحوّل الإشارات التناظرية إلى قيم رقمية عبر وحدة الإدخال التناظرية، وتُجري المعالجة والتحليل اللازمين.
وفقًا لبيانات مستوى المياه والتدفق التي تتم مراقبتها في الوقت الفعلي، يتحكم PLC بدقة في تشغيل البوابة والتوربين وفقًا لاستراتيجية التحكم المحددة مسبقًا. عندما يكون مستوى المياه أقل من الحد الأدنى المحدد، يتحكم PLC في فتح بوابة مدخل المياه لزيادة تدفق المزيد من المياه إلى محطة الطاقة الكهرومائية لضمان كمية المياه المطلوبة لتوليد الطاقة؛ عندما يكون مستوى المياه أعلى من الحد الأعلى المحدد، يتحكم PLC في فتح بوابة مدخل المياه لتقليل تدفق المياه ومنع ارتفاع مستوى المياه من تهديد سلامة السد والمعدات. فيما يتعلق بالتحكم في التدفق، يضبط PLC تدفق المياه الداخل إلى التوربين عن طريق التحكم في فتح ريشة التوجيه وسرعة التوربين، وبالتالي تحقيق التحكم في توليد الطاقة. عندما يكون التدفق كبيرًا، يتحكم PLC في فتح ريشة التوجيه لتقليل تدفق المياه الداخل إلى التوربين وضبط سرعة التوربين بشكل مناسب لجعل التوربين يعمل في منطقة الكفاءة العالية؛ عندما يكون التدفق صغيرًا، يتحكم PLC في فتحة ريشة التوجيه لزيادة التدفق، مما يزيد من تدفق المياه الداخلة إلى التوربين، ويزيد من توليد الطاقة.
في التشغيل الفعلي، وبسبب هطول الأمطار المستمر، ارتفع منسوب المياه في الخزان بسرعة وزاد معدل التدفق بشكل حاد. راقبت PLC هذه التغييرات في الوقت المناسب من خلال أجهزة استشعار مستوى المياه والتدفق وأطلقت خطة الطوارئ بسرعة. أولاً، تحكمت PLC في الانخفاض السريع لفتح بوابة مدخل المياه لتقليل تدفق مياه الفيضان إلى محطة الطاقة الكهرومائية وتجنب تلف المعدات بسبب حجم المياه الزائد؛ وفي الوقت نفسه، ووفقًا لبيانات التدفق ومستوى المياه في الوقت الفعلي، قامت PLC بضبط فتحة ريشة التوجيه وسرعة التوربين بدقة، بحيث يمكن للتوربين أن يظل يعمل بثبات في ظل ظروف التدفق العالي ومستوى المياه العالي، مما يضمن استمرارية توليد الطاقة. بعد الفيضان، عاد مستوى المياه والتدفق تدريجيًا إلى الوضع الطبيعي. عدلت PLC تدريجيًا معلمات تشغيل البوابة والتوربين وفقًا للوضع الفعلي لاستعادة نظام توليد الطاقة إلى أفضل حالة تشغيل. بفضل التحكم الدقيق من خلال PLC، نجحت محطة الطاقة الكهرومائية في التعامل مع التغيرات الجذرية في مستوى المياه وتدفقها أثناء الفيضان، مما يضمن سلامة المعدات، مع تعظيم استخدام موارد المياه وتعظيم كفاءة توليد الطاقة.
فيما يتعلق بجمع البيانات والمراقبة عن بُعد، أنشأت محطة الطاقة الكهرومائية نظامًا متكاملًا لجمع البيانات والمراقبة عن بُعد باستخدام وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC). تتصل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بأنواع مختلفة من المستشعرات لجمع المعلمات الرئيسية في الوقت الفعلي، مثل مستوى المياه، والتدفق، وضغط المياه، ودرجة حرارة المياه، وسرعة الوحدة، والطاقة، وغيرها. تنقل هذه المستشعرات البيانات المجمعة إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، التي تقوم بتصفية البيانات ومعايرتها وتعويضها، ثم ترسلها إلى مركز المراقبة عن بُعد عبر وحدة الاتصالات. تستخدم وحدة الاتصالات اتصال إيثرنت، عالي السرعة والمستقر، ويمكنها نقل البيانات بسرعة ودقة إلى خادم مركز المراقبة عن بُعد.
يتكون مركز المراقبة عن بُعد من حاسوب مراقبة، وبرنامج مراقبة، وخادم. يوفر برنامج المراقبة وظائف متعددة، مثل عرض البيانات في الوقت الفعلي، واستعلام البيانات التاريخية، وإنشاء التقارير، وإدارة الإنذارات. من خلال واجهة برنامج المراقبة، يمكن للموظفين الاطلاع على مختلف معلمات التشغيل لمحطة الطاقة الكهرومائية في الوقت الفعلي، مثل مستوى المياه، والتدفق، وضغط المياه، وسرعة الوحدة، والطاقة، وغيرها، بالإضافة إلى حالة تشغيل المعدات، مثل ما إذا كانت التوربينات، والمولدات، والبوابات، وغيرها من المعدات تعمل بشكل طبيعي. عند حدوث أي خلل في النظام، يرسل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) معلومات الإنذار إلى مركز المراقبة عن بُعد في الوقت المناسب، ويصدر برنامج المراقبة إنذارًا فوريًا لتذكير الموظفين من خلال الصوت والنوافذ المنبثقة، وغيرها. بناءً على معلومات الإنذار، يمكن للموظفين تشغيل النظام عن بُعد، مثل الاطلاع على المعلمات التفصيلية للمعدات المعطلة، وتعديل حالة تشغيلها، وتشغيل أو إيقاف المعدات ذات الصلة، وغيرها، وذلك لاستعادة التشغيل الطبيعي للنظام في أسرع وقت ممكن.
من خلال نظام جمع البيانات والمراقبة عن بُعد، تم تحسين كفاءة إدارة محطة الطاقة الكهرومائية بشكل كبير، وانخفضت تكلفة الصيانة بشكل كبير. لا يحتاج الموظفون إلى الذهاب إلى الموقع بشكل متكرر لإجراء عمليات التفتيش، مما يقلل من هدر القوى العاملة والموارد المادية والوقت. في الوقت نفسه، من خلال تحليل البيانات التاريخية، يمكن للمديرين تحسين استراتيجية تشغيل النظام وزيادة تحسين كفاءة توليد الطاقة وكفاءة استخدام الطاقة. في حالة تعطل المعدات، اكتشف نظام المراقبة عن بُعد على الفور إشارات غير طبيعية من المولد وأصدر إنذارًا. فهم الموظفون بسرعة حالة العطل من خلال نظام المراقبة عن بُعد ورتبوا على الفور موظفي الصيانة للتعامل معها. استغرق الأمر [X] ساعة فقط لاستعادة المولد إلى التشغيل العادي، مما قلل بشكل كبير من فقدان توليد الطاقة بسبب الإغلاق.
فيما يتعلق بالتكامل مع أنظمة إدارة الطاقة الأخرى، تستكشف محطة الطاقة الكهرومائية بنشاط التكامل مع مشاريع توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المحيطة وأنظمة تخزين الطاقة. من خلال التكامل مع نظام إدارة الطاقة لنظام توليد الطاقة الشمسية، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الحصول على بيانات آنية لتوليد الطاقة الشمسية، بما في ذلك توليد الطاقة، وشدة الإضاءة، ودرجة الحرارة، وغيرها، وإرسال بيانات المراقبة وتعليمات التحكم الخاصة بها حول حالة تشغيل النظام إلى نظام إدارة الطاقة لنظام توليد الطاقة الشمسية. عند توفر ضوء شمس كافٍ، يمكن لمحطة الطاقة الكهرومائية تعديل خطة توليد الطاقة بشكل معقول وفقًا لحالة توليد الطاقة الشمسية لتجنب هدر الطاقة. من حيث التكامل مع نظام إدارة الطاقة لنظام توليد طاقة الرياح، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الاتصال بشكل وثيق بمعدات مراقبة سرعة واتجاه الرياح ونظام التحكم في توربين الرياح. من خلال مشاركة بيانات سرعة واتجاه الرياح ومعايير تشغيل توربين الرياح آنيًا، يمكن لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) تحسين استراتيجية تشغيل توربين الرياح مع نظام إدارة الطاقة لنظام توليد طاقة الرياح، مما يحسن كفاءة استخدام طاقة الرياح.
من حيث التكامل مع نظام إدارة الطاقة لنظام تخزين الطاقة، يمكن لـ PLC مراقبة حالة الشحن والتفريغ، والطاقة المتبقية، وغيرها من معلومات نظام تخزين الطاقة في الوقت الفعلي، والتنسيق مع نظام إدارة الطاقة لنظام تخزين الطاقة للتحكم في عملية الشحن والتفريغ لنظام تخزين الطاقة وفقًا لتوليد الطاقة من محطة الطاقة الكهرومائية وطلب الحمل على شبكة الكهرباء. عندما تولد محطة الطاقة الكهرومائية طاقة زائدة، يتحكم PLC في نظام تخزين الطاقة لشحن وتخزين الكهرباء الزائدة؛ عندما تولد محطة الطاقة الكهرومائية طاقة غير كافية أو يكون حمل شبكة الكهرباء في ذروته، يتحكم PLC في نظام تخزين الطاقة لتفريغ وتوفير دعم الطاقة لشبكة الطاقة، وبالتالي تحقيق تنظيم سلس وإمدادات مستقرة للطاقة. من خلال التكامل مع أنظمة إدارة الطاقة الأخرى، حققت محطة الطاقة الكهرومائية الاستخدام المتكامل لمصادر الطاقة المتعددة، وتحسين كفاءة استخدام الطاقة، وتقليل مخاطر إمدادات الطاقة.
6. مزايا وتحديات التحكم المنطقي القابل للبرمجة في أنظمة الطاقة المتجددة
6.1 تحليل المزايا
6.1.1 المزايا التقنية
تظهر PLC مزايا تقنية متميزة في أنظمة الطاقة المتجددة، حيث توفر الدعم الفني القوي للاستخدام الفعال للطاقة والتشغيل المستقر للنظام.
تُعد الموثوقية العالية إحدى أبرز المزايا التقنية لـ PLC. من حيث تصميم الأجهزة، يعتمد PLC سلسلة من إجراءات مكافحة التداخل المتقدمة. تستخدم قنوات الإدخال/الإخراج على نطاق واسع تقنية العزل الكهروضوئي، وتستخدم مقرنات كهروضوئية لعزل إشارات الإدخال والإخراج الخارجية كهربائيًا عن الدوائر الداخلية، مما يقطع الاتصال المباشر بين مصادر التداخل الخارجية والدوائر الداخلية بفعالية، ويمنع التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي من التأثير على إشارات PLC الداخلية، ويضمن دقة واستقرار نقل الإشارة. تُستخدم أشكال مختلفة من دوائر الترشيح لإمدادات الطاقة والخطوط. على سبيل المثال، تستخدم دوائر ترشيح LC خصائص المحاثة والسعة لتصفية تشويش الترددات العالية في مصدر الطاقة لجعل مصدر الطاقة أكثر نقاءً؛ وتُعزز دوائر الترشيح من النوع π تأثير الترشيح بشكل أكبر، مما يمكنه القضاء على تداخل الترددات العالية أو قمعه بفعالية في مصدر الطاقة، مما يضمن إمداد طاقة مستقرًا وموثوقًا به لـ PLC. يتم حماية المكونات المهمة مثل وحدة المعالجة المركزية بمواد موصلة ومغناطيسية جيدة لتشكيل طبقة حماية كهرومغناطيسية، وتقليل تأثير التداخل الكهرومغناطيسي المكاني على تشغيلها الطبيعي، وضمان قدرة وحدة المعالجة المركزية على تنفيذ التعليمات المختلفة بشكل مستقر.
من حيث البرمجيات، يعتمد PLC وضع عمل المسح، ومسح إشارات الإدخال، وتنفيذ برامج المستخدم، وتحديث إشارات الإخراج بالتتابع. يقلل هذا الوضع من الأعطال اللحظية الناتجة عن التداخل البيئي الخارجي، ويحسن موثوقية النظام. في الوقت نفسه، توجد برامج للكشف عن الأخطاء والتشخيص الذاتي في برنامج النظام، والتي يمكنها مراقبة حالة دائرة أجهزة النظام في الوقت الفعلي. بمجرد اكتشاف أي عطل، يمكن حجب المعلومات المهمة الحالية على الفور، ومنع أي عمليات قراءة وكتابة غير مستقرة، ويتم إصدار إشارة إنذار للعطل. عندما تعود البيئة الخارجية إلى وضعها الطبيعي، يمكن أن تعود تلقائيًا إلى حالة ما قبل حدوث العطل ومواصلة العمل الأصلي. هذه الموثوقية العالية تمكن PLC من العمل بثبات لفترة طويلة في البيئات المعقدة والقاسية لأنظمة الطاقة المتجددة، مما يضمن استمرارية واستقرار إنتاج الطاقة.
المرونة هي ميزة تقنية مهمة أخرى لـ PLC. يعتمد PLC على تصميم معياري، ويمكن للمستخدمين اختيار وحدات ذات وظائف مختلفة بمرونة للجمع وفقًا لاحتياجات التحكم الفعلية، مثل وحدات الإدخال ووحدات الإخراج ووحدات الاتصالات ووحدات الوظائف الخاصة، إلخ. يجعل هذا الهيكل المعياري توسيع النظام وترقيته مريحًا للغاية. يمكن للمستخدمين إضافة أو استبدال الوحدات في أي وقت وفقًا للتغيرات في حجم النظام وزيادة المتطلبات الوظيفية دون الحاجة إلى إعادة تصميم واسعة النطاق للنظام بأكمله. في نظام توليد الطاقة الشمسية الصغير، قد تكون هناك حاجة في البداية فقط إلى وحدات الإدخال والإخراج الأساسية للتحكم في التشغيل البسيط للألواح الكهروضوئية والعاكسات؛ ومع توسع نطاق النظام وزيادة المتطلبات الوظيفية، قد تكون هناك حاجة إلى وظائف المراقبة عن بُعد وجمع البيانات، مثل، يمكن للمستخدمين بسهولة إضافة وحدات الاتصال ووحدات اكتساب البيانات لتحقيق توسيع النظام وترقيته.
في الوقت نفسه، تتميز طريقة برمجة PLC بمرونة عالية، حيث تدعم لغات برمجة متعددة، مثل مخطط السلم، ومخطط كتلة الوظيفة، والنص المنظم، وغيرها. لغة مخطط السلم مرئية وبديهية، تشبه مخطط دائرة التحكم الكهربائية. إنها سهلة الاستخدام للغاية للمهندسين ذوي الخبرة في التحكم الكهربائي، ويمكنهم كتابة برامج التحكم بسرعة؛ لغة مخطط كتلة الوظيفة أكثر ملاءمة لوصف علاقات التحكم المنطقية المعقدة. من خلال الجمع بين كتل الوظائف المختلفة وتوصيلها، يمكنها التعبير بوضوح عن منطق التحكم في النظام، وهو سهل الفهم والصيانة؛ تتميز لغة النص المنظم بكفاءة برمجة أعلى ومناسبة لكتابة خوارزميات معقدة وبرامج معالجة البيانات، والتي يمكن أن تحقق تحكمًا أكثر دقة وكفاءة. يمكن للمستخدمين اختيار لغة البرمجة الأنسب للبرمجة وفقًا لعاداتهم الخاصة ومتطلبات المشروع لتحقيق منطق تحكم معقد ومتنوع.
تُعد القدرة القوية على معالجة البيانات ميزة تقنية مهمة لـ PLC. مع التطور المستمر لتكنولوجيا المعالجات الدقيقة، تحسنت سرعة الحوسبة وسعة تخزين البيانات في PLC بشكل كبير. يمكن لـ PLC الحديث معالجة عدد كبير من الإشارات الرقمية والتناظرية بسرعة، وتحقيق خوارزميات تحكم معقدة ومهام معالجة البيانات. في أنظمة الطاقة المتجددة، يلزم مراقبة وتحليل كميات كبيرة من بيانات الطاقة في الوقت الفعلي، مثل توليد الطاقة، ومعامل القدرة، واستهلاك الطاقة، وما إلى ذلك. يمكن لـ PLC الحصول على هذه البيانات بسرعة من خلال وحدات اكتساب بيانات عالية السرعة، واستخدام قوتها الحاسوبية الداخلية القوية لتحليل ومعالجة البيانات في الوقت الفعلي، مما يوفر دعمًا دقيقًا للبيانات لإدارة الطاقة والتحكم الأمثل. على سبيل المثال، في مزارع الرياح الكبيرة، يحتاج PLC إلى جمع ومعالجة عدد كبير من بيانات سرعة الرياح واتجاهها وسرعتها وقوتها وغيرها من توربينات الرياح في الوقت الفعلي، وتحليل هذه البيانات من خلال خوارزميات معقدة، وتحقيق التحكم الذكي في توربينات الرياح، وتحسين كفاءة استخدام طاقة الرياح. في الوقت نفسه، يتمتع PLC أيضًا بوظيفة تخزين البيانات، والتي يمكنها تخزين البيانات التاريخية في الذاكرة الداخلية أو أجهزة التخزين الخارجية، وذلك لتسهيل استعلام المستخدمين وتحليل البيانات إحصائيًا، وتوفير أساس للتشغيل الأمثل وتشخيص أخطاء النظام.
بالإضافة إلى ذلك، يتمتع PLC أيضًا بقدرات اتصال جيدة ويمكنه التواصل والتكامل بسهولة مع الأجهزة والأنظمة الأخرى. يدعم PLC مجموعة متنوعة من بروتوكولات الاتصال، مثل Ethernet و RS485 و Modbus وما إلى ذلك، ويمكنه التكيف مع بيئات الشبكة المختلفة ومتطلبات اتصال الأجهزة. من خلال اتصال Ethernet، يمكن لـ PLC التفاعل بسرعة وثبات مع الكمبيوتر المضيف أو نظام المراقبة أو منصة السحابة لتحقيق المراقبة عن بُعد وتحليل البيانات وجدولة الطاقة ووظائف أخرى. من خلال اتصال RS485، يمكن لـ PLC التواصل بشكل موثوق مع أجهزة بعيدة متعددة لتحقيق بناء أنظمة التحكم الموزعة. كبروتوكول اتصال صناعي شائع الاستخدام، يتمتع بروتوكول Modbus بتوافق وتنوع واسعين، مما يتيح لـ PLC التفاعل مع مختلف الأجهزة التي تدعم بروتوكول Modbus وتحقيق الترابط بين الأنظمة. في أنظمة الطاقة المتجددة، يمكن لـ PLC التواصل والتكامل مع الألواح الشمسية وتوربينات الرياح ومعدات تخزين الطاقة والشبكات الذكية وما إلى ذلك لتحقيق إدارة موحدة وتكوين محسن للطاقة.
6.1.2 المزايا الاقتصادية
يحقق تطبيق PLC في أنظمة الطاقة المتجددة مزايا اقتصادية كبيرة ويوفر دعماً اقتصادياً قوياً لتطوير صناعة الطاقة المتجددة.
يُعدّ خفض تكاليف المعدات مظهرًا هامًا من مظاهر المزايا الاقتصادية لـ PLC. فنظرًا لاعتماد PLC على تصميم معياري، يُمكن للمستخدمين تكوين النظام بمرونة وفقًا للاحتياجات الفعلية، مما يُجنّبهم تكاليف شراء وتركيب المعدات غير الضرورية. في مشروع صغير لتوليد الطاقة الشمسية، يُمكن للمستخدمين اختيار وحدات الإدخال والإخراج ووحدات التحكم المناسبة بناءً على عدد الألواح الشمسية ومتطلبات الطاقة، دون شراء معدات ذات وظائف مُعقّدة أو زائدة عن الحاجة، مما يُقلّل من التكلفة الاستثمارية الأولية للنظام. وفي الوقت نفسه، تُقلّل الموثوقية العالية لـ PLC من معدلات أعطال المعدات وأوقات إصلاحها، كما تُخفّض تكاليف صيانتها. وبالمقارنة مع أنظمة التحكم التقليدية، تتميز أنظمة التحكم PLC بمتوسط وقت تشغيل أطول بدون مشاكل ودورات صيانة أطول، مما يُقلّل من خسائر التوقف عن العمل وتكاليف الصيانة الناتجة عن أعطال المعدات.
يُعد تحسين كفاءة الطاقة ميزة اقتصادية مهمة أخرى تُحققها تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC). ففي أنظمة توليد الطاقة الشمسية، يُمكن لتقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) تتبع أقصى نقطة طاقة للألواح الشمسية آنيًا من خلال تطبيق نظام تتبع أقصى نقطة طاقة (MPPT)، وضبط حالة عمل الألواح الشمسية تلقائيًا وفقًا لتغيرات العوامل البيئية، مثل شدة الضوء ودرجة الحرارة، لضمان توليد الكهرباء بأعلى كفاءة ممكنة. ويمكن لنظام توليد الطاقة الشمسية الذي يستخدم تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) لتطبيق نظام تتبع أقصى نقطة طاقة (MPPT) زيادة كفاءة توليد الطاقة بمقدار 10% إلى 30% مقارنةً بالنظام الذي لا يستخدم نظام MPPT. هذا يعني أنه في ظل نفس ظروف موارد الطاقة الشمسية، يُمكن للنظام الذي يُتحكم فيه بتقنية PLC توليد المزيد من الكهرباء وزيادة فوائد الطاقة.
في أنظمة توليد طاقة الرياح، يتحكم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بدقة في زاوية ميل توربين الرياح وانحرافه، مما يُمكّنه من الحفاظ على كفاءة تشغيله في ظل ظروف سرعة واتجاه رياح مختلفة، مما يُحسّن كفاءة استخدام طاقة الرياح. وقد أظهرت الدراسات أن التحكم الدقيق في زاوية الميل وانحراف التوربين يمكن أن يزيد من توليد الطاقة في أنظمة توليد طاقة الرياح بمقدار 5% إلى 10%. أما في أنظمة توليد الطاقة الكهرومائية، فيتحكم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة بدقة في تشغيل البوابات والتوربينات وفقًا لتغيرات منسوب المياه وتدفقها، مما يُحقق كفاءة تحويل طاقة المياه ويُحسّن كفاءة توليد الطاقة. ولا يقتصر تحسين كفاءة استخدام الطاقة على زيادة توليد الطاقة في أنظمة الطاقة المتجددة فحسب، بل يُقلل أيضًا من الاعتماد على الطاقة التقليدية ويُخفض تكاليف الحصول عليها.
يُعد إطالة عمر المعدات جانبًا مهمًا آخر من المزايا الاقتصادية لـ PLC. من خلال المراقبة الفورية والتحكم الذكي في حالة تشغيل المعدات، يمكن لـ PLC اكتشاف الأعطال المحتملة في المعدات على الفور واتخاذ الإجراءات المناسبة لمنعها وإصلاحها، وتجنب حدوثها وتدهورها، وبالتالي إطالة عمرها الافتراضي. في نظام توليد طاقة الرياح، يراقب PLC الاهتزاز ودرجة الحرارة وضغط الزيت وغيرها من معلمات المروحة في الوقت الفعلي. عند اكتشاف معلمات غير طبيعية، سيصدر إنذارًا على الفور ويتخذ إجراءات وقائية مناسبة، مثل ضبط معلمات تشغيل المروحة وإيقافها للصيانة، وما إلى ذلك، لتجنب تلف المعدات بسبب الأعطال وإطالة عمرها الافتراضي. يؤدي إطالة عمر المعدات إلى تقليل تكرار وتكلفة استبدال المعدات وتحسين الفوائد الاقتصادية لنظام الطاقة المتجددة.
بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لـ PLC تحقيق توزيع واستخدام معقول للطاقة، وتقليل هدرها، وتعزيز المنافع الاقتصادية من خلال تحسين إدارة الطاقة وتوزيعها. في الشبكات الصغيرة الذكية، تتكامل PLC مع أنظمة إدارة الطاقة الأخرى لتنظيم إنتاج الطاقة وتخزينها واستخدامها بكفاءة وفقًا لسياسات العرض والطلب على الطاقة وأسعار الكهرباء، مما يُحقق التوزيع الأمثل للطاقة ويُخفض تكاليفها. عندما يكون سعر الكهرباء منخفضًا ليلًا، تُستخدم الطاقة الكهربائية المُخزنة في نظام تخزين الطاقة لإنتاج الكهرباء واستهلاكها اليومي؛ وعندما يكون سعر الكهرباء مرتفعًا نهارًا، تُستخدم مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، لتوليد الكهرباء، ويُخزن الفائض من الطاقة الكهربائية أو يُنقل إلى الشبكة. وبذلك، يتم تحقيق الاستخدام الاقتصادي الأمثل للطاقة.
6.1.3 المزايا البيئية
إن تطبيق PLC في أنظمة الطاقة المتجددة له مزايا بيئية كبيرة وقد قدم مساهمات إيجابية في مكافحة تغير المناخ العالمي وتعزيز التنمية المستدامة.
يُعد تعزيز الاستخدام الفعال للطاقة المتجددة التجسيد الأساسي للمزايا البيئية لـ PLC. تتميز الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية، بأنها نظيفة وخالية من التلوث، إلا أن كثافة طاقتها منخفضة نسبيًا، وتواجه مشاكل التقطع والتقلب. يمكن لـ PLC تحسين كفاءة استخدام الطاقة المتجددة بشكل فعال وتقليل هدر الطاقة من خلال تحقيق تحكم دقيق في أنظمة الطاقة المتجددة، مما يقلل الاعتماد على الطاقة الأحفورية التقليدية ويقلل بشكل غير مباشر من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والملوثات. في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، يستخدم PLC خوارزمية التحكم MPPT للحفاظ على تشغيل الألواح الشمسية بالقرب من نقطة الطاقة القصوى، وتحسين كفاءة تحويل الطاقة الشمسية، وزيادة توليد الطاقة. في ظل نفس الطلب على الطاقة، يؤدي زيادة استخدام توليد الطاقة الشمسية إلى تقليل حرق الطاقة الأحفورية مثل الفحم والنفط، وتقليل انبعاثات الملوثات مثل ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين.
في أنظمة توليد طاقة الرياح، يتحكم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بدقة في زاوية ميل توربينات الرياح وانحرافها، مما يُمكّنها من العمل بكفاءة في ظروف مختلفة لسرعة واتجاه الرياح، مما يُحسّن كفاءة استخدام طاقة الرياح. هذا يعني أنه عند الحصول على نفس كمية الكهرباء، ينخفض وقت التشغيل وعدد توربينات الرياح، وينخفض استهلاك الطاقة وانبعاثات الملوثات أثناء تصنيع المعدات وتشغيلها. في أنظمة توليد الطاقة الكهرومائية، يُحسّن نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) تشغيل البوابات والتوربينات وفقًا لتغيرات مستوى المياه وتدفقها، ويُحقق تحويلًا فعالًا لطاقة المياه، ويُقلل من هدر الموارد المائية، ويُحسّن كفاءة استخدام الطاقة. من خلال تحسين كفاءة استخدام الطاقة المتجددة، يُساعد نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) على تقليل الاعتماد على الطاقة التقليدية، وخفض انبعاثات الكربون، وتخفيف آثار الاحتباس الحراري.
يُعدّ الحد من التلوث البيئي جانبًا مهمًا من المزايا البيئية لـ PLC. تُنتج طرق إنتاج الطاقة التقليدية، وخاصةً احتراق الطاقة الأحفورية، كميات كبيرة من الملوثات، مثل ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين والجسيمات الدقيقة، وغيرها. تُعدّ هذه الملوثات السبب الرئيسي للمشاكل البيئية مثل تلوث الهواء والأمطار الحمضية والضباب الدخاني. تُنتج أنظمة الطاقة المتجددة انبعاثات شبه معدومة من الملوثات أثناء التشغيل، ولكن إذا لم يُتحكّم في النظام بشكل صحيح، فقد يؤدي ذلك إلى هدر الطاقة، وزيادة الطلب على الطاقة التقليدية بشكل غير مباشر، وبالتالي تفاقم التلوث البيئي. يُحسّن PLC تشغيل أنظمة الطاقة المتجددة، ويُحسّن كفاءة استخدام الطاقة، ويُقلّل الاعتماد على الطاقة التقليدية، وبالتالي يُقلّل بشكل غير مباشر من انبعاثات الملوثات. في الوقت نفسه، يُمكن لتطبيق PLC في أنظمة الطاقة المتجددة أيضًا تحقيق مراقبة وتحكم آنيين لعملية إنتاج الطاقة، واكتشاف مشاكل التلوث البيئي المحتملة والتعامل معها في الوقت المناسب. على سبيل المثال، في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، يمكن لـ PLC مراقبة درجة الحرارة وحالة عمل الألواح لمنع تسرب المواد الضارة بسبب ارتفاع درجة الحرارة أو الفشل، وبالتالي ضمان السلامة البيئية.
إن دعم التنمية المستدامة يكمن في الأهمية طويلة المدى للمزايا البيئية للتحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC). فالتنمية المستدامة هي الهدف الذي يسعى إليه المجتمع البشري، وجوهرها هو تحقيق التنسيق والتكامل بين التنمية الاقتصادية وحماية البيئة. وباعتبارها مصدرًا مهمًا للطاقة لتحقيق التنمية المستدامة، فإن تطوير الطاقة المتجددة واستخدامها على نطاق واسع أمر بالغ الأهمية لتحقيق أهداف التنمية المستدامة. يوفر تطبيق التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة الطاقة المتجددة الدعم الفني للاستخدام الفعال والتنمية المستقرة للطاقة المتجددة، ويساعد على تعزيز تطوير صناعة الطاقة المتجددة، ويعزز تحسين هيكل الطاقة وتحويله. ومع استمرار زيادة نسبة الطاقة المتجددة في هيكل الطاقة، سينخفض تأثير إنتاج الطاقة واستهلاكها على البيئة تدريجيًا، مما يحقق تفاعلًا إيجابيًا بين التنمية الاقتصادية وحماية البيئة، ويرسي أساسًا متينًا للتنمية المستدامة.
6.2 تحليل التحدي
6.2.1 التحديات التقنية
على الرغم من أن PLC أظهرت العديد من المزايا في أنظمة الطاقة المتجددة، إلا أن تطبيقها لا يزال يواجه سلسلة من التحديات التقنية، مما يحد من الترويج لها وتطبيقها الفعال في مجال الطاقة المتجددة.
يُعدّ ضعف القدرة على مقاومة التداخل أحد التحديات التقنية الرئيسية التي تواجه أنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في تطبيقات أنظمة الطاقة المتجددة. فبيئة عمل أنظمة الطاقة المتجددة معقدة ومتغيرة، وغالبًا ما تواجه ظروفًا طبيعية قاسية وتداخلًا كهرومغناطيسيًا قويًا. في محطات الطاقة الشمسية، عادةً ما تُركّب الوحدات الكهروضوئية في الهواء الطلق، وهي عرضة للظروف المناخية القاسية، مثل ارتفاع درجات الحرارة والرطوبة والغبار. في الوقت نفسه، تُولّد المحولات وغيرها من المعدات في أنظمة توليد الطاقة الشمسية تداخلًا كهرومغناطيسيًا كبيرًا أثناء التشغيل، مما قد يؤثر على التشغيل الطبيعي لأنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، مما يؤدي إلى أخطاء في نقل البيانات، وتنفيذ غير طبيعي لتعليمات التحكم، ومشاكل أخرى. في مزارع الرياح، تُوضع توربينات الرياح على ارتفاعات عالية ومعرضة للبيئة الطبيعية. لا يقتصر الأمر على تحمّلها لظروف الطقس القاسية، مثل الرياح القوية والبرق، بل إن الدوران عالي السرعة لتوربينات الرياح وتشغيل المعدات الكهربائية يُولّدان أيضًا تداخلًا كهرومغناطيسيًا قويًا، مما يُشكّل تهديدًا لاستقرار أنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) وموثوقيتها. لتحسين قدرة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) على مقاومة التداخل، يلزم إجراء تحسينات في كلٍّ من الأجهزة والبرمجيات. ففيما يتعلق بالأجهزة، يمكن استخدام تقنيات حجب ودوائر ترشيح وعزل أكثر تطورًا لتعزيز قدرة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي. أما في البرمجيات، فيمكن تحسين خوارزمية التحكم، وإضافة آليات للتحقق من البيانات وتصحيح الأخطاء، وتحسين قدرة النظام على تحديد بيانات التداخل ومعالجتها.
تُعد مشكلة توافق الاتصالات مشكلة تقنية تحتاج إلى حل عند تطبيق أنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة الطاقة المتجددة. عادةً ما تحتوي أنظمة الطاقة المتجددة على أنواع متعددة من المعدات والأنظمة، والتي قد تأتي من جهات تصنيع مختلفة وتستخدم بروتوكولات اتصال ومعايير واجهة مختلفة. يحتاج نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) إلى التواصل والتكامل مع هذه المعدات والأنظمة لتحقيق تحكم وإدارة موحدين لنظام الطاقة المتجددة بأكمله. ومع ذلك، نظرًا لعدم وجود اتساق في بروتوكولات الاتصال ومعايير الواجهة، توجد مشاكل في توافق الاتصالات بين نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) والأجهزة الأخرى، مما يؤدي إلى ضعف نقل البيانات وانقطاع الاتصالات. في مشروع طاقة متجددة هجين يشمل أنظمة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وتخزين الطاقة، تستخدم معدات توليد الطاقة الشمسية بروتوكول Modbus، وتستخدم معدات توليد طاقة الرياح بروتوكول Profibus، ويستخدم نظام تخزين الطاقة بروتوكولًا مخصصًا، مما يجعل نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) يواجه تحديات كبيرة عند التواصل مع هذه الأجهزة، مما يتطلب الكثير من تحويل البروتوكول وتكييف الواجهة، مما يزيد من تعقيد النظام وتكلفته. من أجل حل مشكلة توافق الاتصالات، من الضروري تعزيز صياغة وتوحيد معايير الصناعة، وتعزيز التعاون والتنسيق بين مختلف مصنعي المعدات، وتعزيز توحيد وتعميم بروتوكولات الاتصال ومعايير الواجهة.
بالإضافة إلى ذلك، مع التوسع المستمر في نطاق أنظمة الطاقة المتجددة وتزايد المتطلبات الوظيفية، تزداد متطلبات قوة الحوسبة وسعة تخزين وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs). في محطات الطاقة الشمسية الكبيرة ومزارع الرياح، يلزم معالجة كميات كبيرة من بيانات الاستشعار وتعليمات التحكم، وقد لا تتمكن وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة التقليدية من تلبية متطلبات معالجة البيانات وتخزينها على نطاق واسع. في مزرعة رياح كبيرة تضم آلاف توربينات الرياح، يحتاج كل توربين إلى جمع معلمات متعددة، مثل سرعة الرياح واتجاهها وسرعتها وقوتها، وغيرها، في الوقت الفعلي، كما أنه من الضروري التحكم الدقيق في توربينات الرياح وتشخيصها بدقة. يتطلب هذا أن تتمتع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بقوة حوسبة عالية وأجهزة تخزين ذات سعة كبيرة لضمان كفاءة تشغيل النظام. لمواجهة هذا التحدي، من الضروري التحسين المستمر لأداء أجهزة وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، واعتماد معالجات دقيقة أكثر تطورًا وذاكرات كبيرة السعة، وتحسين خوارزميات البرامج لتحسين كفاءة معالجة البيانات لتلبية الاحتياجات المتزايدة لأنظمة الطاقة المتجددة.
6.2.2 تحدي التكلفة
تعد قضية التكلفة واحدة من العوامل المهمة التي تحد من التطبيق الواسع النطاق لـ PLC في أنظمة الطاقة المتجددة، وهو ما ينعكس بشكل رئيسي في تكلفة الاستثمار الأولية العالية وتكلفة الصيانة العالية.
تُعدّ التكلفة الاستثمارية الأولية المرتفعة التحدي الرئيسي الذي تواجهه أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) في تطبيقات أنظمة الطاقة المتجددة. يُعدّ سعر نظام التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مرتفعًا نسبيًا، لا سيما بعض منتجاته عالية الأداء والموثوقية، والتي تكون أغلى ثمنًا. في نظام توليد طاقة شمسية صغير، عند استخدام نظام PLC مستورد عالي الجودة، قد تُشكّل تكلفة شرائه ما بين 10% و20% من إجمالي تكلفة الاستثمار في النظام. بالإضافة إلى ذلك، لتحقيق الاتصال والتكامل بين نظام PLC والمعدات الأخرى في نظام الطاقة المتجددة، من الضروري أيضًا تجهيز وحدات الاتصال وأجهزة الاستشعار والمشغلات والمعدات الأخرى المناسبة، ولا ينبغي الاستهانة بتكاليف شراء وتركيب هذه المعدات. في المشاريع التي تشمل أنظمة توليد طاقة الرياح وتخزين الطاقة، ولضمان التحكم الفعال في توربينات الرياح ومعدات تخزين الطاقة بواسطة نظام PLC، يلزم تركيب عدد كبير من أجهزة استشعار سرعة الرياح واتجاهها وأنظمة إدارة البطاريات وغيرها من المعدات. وتزيد تكلفة هذه المعدات، بالإضافة إلى تكلفة نظام PLC، بشكل كبير من التكلفة الاستثمارية الأولية للمشروع. تشكل التكلفة الاستثمارية الأولية المرتفعة عبئًا كبيرًا على بعض مشاريع الطاقة المتجددة ذات الأموال المحدودة، مما يحد من تطبيق وترويج PLC.
تُعدّ تكلفة الصيانة المرتفعة عاملاً أساسياً لا غنى عنه عند استخدام أنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة الطاقة المتجددة. ولأنها جهاز إلكتروني معقد، تتطلب أنظمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) فنيين متخصصين لصيانتها وصيانتها. وعادةً ما تُوزّع أنظمة الطاقة المتجددة في مناطق نائية يصعب فيها الوصول إلى وسائل النقل، ما يرفع تكلفة الفنيين الذين يذهبون إلى مواقع الصيانة. وفي الوقت نفسه، ونظراً للتحديثات التكنولوجية السريعة لأجهزة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، يحتاج فنيو الصيانة إلى اكتساب معارف تقنية جديدة باستمرار، مما يزيد من تكلفة تدريبهم. إضافةً إلى ذلك، فإن أسعار قطع غيار أجهزة التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) مرتفعة نسبياً، كما أن بعض قطع الغيار تحتاج إلى استيراد من الخارج، مع دورة شراء طويلة، مما يزيد من تكلفة ووقت صيانة المعدات. في مزارع الرياح الواقعة في مناطق جبلية نائية، عند تعطل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، يحتاج الفنيون إلى قضاء وقت طويل وتكاليف نقل عالية للذهاب إلى موقع الإصلاح. وفي الوقت نفسه، ونظراً لطول دورة شراء قطع الغيار، قد تتوقف المعدات عن العمل لفترات طويلة، مما يتسبب في خسائر اقتصادية فادحة.
لخفض التكاليف، يمكن اعتماد استراتيجيات متنوعة. من ناحية، خفض تكاليف الاستثمار الأولية، يمكن تعزيز البحث والتطوير التكنولوجي، وزيادة معدل توطين أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، وخفض التكاليف من خلال الإنتاج واسع النطاق. في الوقت الحالي، أحرزت بعض الشركات المحلية تقدمًا ملحوظًا في البحث والتطوير والإنتاج في أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). مع التطور المستمر للتكنولوجيا وتوسع نطاق الإنتاج، من المتوقع أن ينخفض سعر أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) المحلية بشكل أكبر. من ناحية أخرى، يمكن تحسين تصميم النظام، واختيار طراز وتكوين أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بشكل معقول، وتجنب الإفراط في التكوين والهدر. أما بالنسبة لتكاليف الصيانة، فيمكن إنشاء نظام صيانة عن بُعد لاكتشاف أعطال أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وحلها في الوقت المناسب من خلال تقنية المراقبة والتشخيص عن بُعد، مما يقلل من عدد وتكلفة الصيانة في الموقع. وفي الوقت نفسه، تعزيز التعاون مع موردي المعدات، وإنشاء مكتبة محلية لقطع الغيار، وتقصير دورة شراء قطع الغيار، وخفض تكاليف قطع الغيار.
6.2.3 تحديات السوق
تواجه تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) أيضًا سلسلة من التحديات السوقية في مجال تطبيق أنظمة الطاقة المتجددة، بما في ذلك ضعف الوعي السوقي والمنافسة الشرسة. تؤثر هذه التحديات على توسع وتطبيق تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة في سوق الطاقة المتجددة.
يُعد نقص الوعي بالسوق أحد تحديات السوق التي تواجه PLC في تطبيق أنظمة الطاقة المتجددة. على الرغم من استخدام PLC على نطاق واسع في مجال الأتمتة الصناعية، إلا أنه في مجال الطاقة المتجددة، وخاصة في بعض مشاريع الطاقة المتجددة الناشئة، فإن بعض مطوري المشاريع والمستثمرين ليس لديهم فهم عميق لوظائف ومزايا PLC، ويفتقرون إلى الوعي بقيمة تطبيقه في أنظمة الطاقة المتجددة. يفضل بعض مطوري مشاريع توليد الطاقة الشمسية الصغيرة استخدام أنظمة التحكم البسيطة التقليدية، معتقدين أن PLC له تكاليف عالية وتكنولوجيا معقدة ويصعب استخدامه وصيانته، مع تجاهل الدور المهم لـ PLC في تحسين كفاءة توليد الطاقة وضمان التشغيل المستقر للنظام. وقد أدى هذا النقص في الوعي بالسوق إلى بعض العقبات أمام الترويج لـ PLC في سوق الطاقة المتجددة، مما يحد من توسيع حصتها في السوق.
تُعدّ المنافسة الشرسة في السوق تحديًا كبيرًا يواجه أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) في تطبيق أنظمة الطاقة المتجددة. مع التطور السريع لصناعة الطاقة المتجددة، بدأ المزيد من الشركات والمؤسسات في الانخراط في مجال أنظمة التحكم في الطاقة المتجددة، وأصبحت المنافسة في السوق شرسة بشكل متزايد. بالإضافة إلى مصنعي أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) التقليديين، أطلقت بعض شركات التكنولوجيا الناشئة أيضًا حلولًا للتحكم في أنظمة الطاقة المتجددة. غالبًا ما تتمتع هذه الشركات بقدرات ابتكار تكنولوجي قوية ومزايا تكلفة، مما أدى إلى ضغط تنافسي هائل على مصنعي أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) التقليديين. استخدمت بعض شركات الإنترنت مزاياها التكنولوجية في البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي ومجالات أخرى لتطوير أنظمة تحكم في الطاقة المتجددة بوظائف تحكم ذكية لمنافسة منتجات أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) التقليدية على حصة السوق. في بيئة المنافسة الشرسة في السوق هذه، يحتاج مصنعو أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) إلى تعزيز الابتكار التكنولوجي باستمرار، وتحسين أداء وجودة المنتج، وخفض التكاليف، وفي الوقت نفسه تعزيز الترويج في السوق وبناء العلامة التجارية لتعزيز القدرة التنافسية لمنتجاتهم في السوق.
بالإضافة إلى ذلك، فإن عدم اكتمال بيئة السياسات ومعايير السوق يُثير بعض التحديات السوقية لتطبيق PLC في أنظمة الطاقة المتجددة. في الوقت الحالي، وعلى الرغم من أن حكومات مختلف البلدان قد طرحت سلسلة من السياسات لدعم تطوير الطاقة المتجددة، إلا أن السياسات والمعايير ذات الصلة بتطبيق PLC في أنظمة الطاقة المتجددة ليست مثالية بعد، وهناك نقص في المواصفات الفنية الواضحة ومعايير الوصول إلى السوق. وهذا يجعل جودة منتجات PLC في السوق غير متساوية، وقد تؤثر بعض المنتجات منخفضة الجودة على تأثير تطبيق PLC وسمعته في أنظمة الطاقة المتجددة. في الوقت نفسه، يزيد عدم استقرار السياسات وعدم اليقين أيضًا من مخاطر الاستثمار المؤسسي والترويج للسوق. ولمواجهة هذه التحديات السوقية، من الضروري تعزيز توجيه السياسات ولوائح السوق، وصياغة معايير فنية سليمة وقواعد الوصول إلى السوق، وتعزيز التطور السليم لـ PLC في سوق تطبيقات أنظمة الطاقة المتجددة.
6.3 مناقشة استراتيجيات التأقلم
واستجابة للتحديات المذكورة أعلاه، يتعين اعتماد استراتيجيات فعالة في البحث والتطوير التكنولوجي، ومراقبة التكاليف، والترويج للسوق لتعزيز التطبيق الواسع النطاق والتنمية المستدامة لـ PLC في أنظمة الطاقة المتجددة.
فيما يتعلق بالبحث والتطوير التكنولوجي، ينبغي زيادة الاستثمار في البحث والتطوير لتكنولوجيا مكافحة التداخل في أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). فمن ناحية، ينبغي مواصلة تحسين تصميم الأجهزة، واعتماد مواد وعمليات حماية كهرومغناطيسية أكثر تطورًا، وتعزيز قدرة جهاز التحكم المنطقية القابلة للبرمجة على حماية نفسه من التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي، مثل تطوير مواد حماية مركبة متعددة الطبقات جديدة لتحسين تأثير الحماية؛ وتحسين تصميم دائرة المرشح، واعتماد خوارزميات ترشيح تكيفية، وضبط معلمات المرشح آنيًا وفقًا لخصائص إشارة التداخل، وتحسين القدرة على قمع إشارات التداخل المعقدة. ومن ناحية أخرى، ينبغي تعزيز البحث في تكنولوجيا مكافحة التداخل البرمجية، وتطوير خوارزميات ذكية للتحقق من البيانات وتصحيح الأخطاء، بحيث يتمكن جهاز التحكم المنطقية القابلة للبرمجة من تحديد البيانات المتداخلة وتصحيحها تلقائيًا لضمان دقتها وموثوقيتها؛ واعتماد تقنية التحكم الاحتياطي، من خلال إنشاء وحدات تحكم متعددة أو أنظمة احتياطية، بحيث يمكن لنظام الاحتياطي، في حالة تداخل وحدة التحكم الرئيسية وتعطلها، التبديل بسرعة وتشغيله لضمان التشغيل المتواصل للنظام.
لحل مشكلة توافق الاتصالات، من الضروري المشاركة الفعالة في صياغة وتوحيد معايير الاتصالات الصناعية وتعزيزها. تعزيز التعاون والتبادل مع مصنعي المعدات الآخرين ومؤسسات البحث العلمي والجمعيات الصناعية لصياغة بروتوكولات اتصال عامة ومعايير واجهة مشتركة قابلة للتطبيق على أنظمة الطاقة المتجددة. على سبيل المثال، تشكيل فريق عمل لصياغة المعايير بمشاركة جميع الأطراف لصياغة مواصفات بروتوكول اتصال موحد لمختلف أنواع معدات الطاقة المتجددة، وتوضيح المعايير الرئيسية مثل تنسيق نقل البيانات، ومعدل الاتصال، وتعليمات التحكم، وغيرها، لضمان سلاسة الاتصال والتكامل بين الأجهزة المختلفة. في الوقت نفسه، تشجيع مصنعي المعدات على اتباع معايير موحدة في تصميم المنتجات لتحسين توافق المعدات وقابليتها للتبادل.
نظراً لمشكلة نقص قوة الحوسبة وسعة التخزين في وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، ينبغي تسريع تطوير تكنولوجيا الأجهزة. ينبغي البحث والتطوير واعتماد معالجات دقيقة أكثر تطوراً لتحسين سرعة الحوسبة وقوة المعالجة في وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، مثل اعتماد تقنية المعالجات متعددة الأنوية لتحقيق المعالجة المتوازية متعددة المهام وتحسين كفاءة معالجة البيانات؛ وزيادة سعة الذاكرة واعتماد ذاكرة فلاش كبيرة السعة أو أقراص صلبة ذات حالة صلبة لتلبية احتياجات تخزين كميات كبيرة من البيانات. أما من حيث البرمجيات، فينبغي تحسين الخوارزميات وهياكل البرامج، وتحسين كفاءة معالجة البيانات، وتقليل استهلاك موارد الأجهزة. على سبيل المثال، ينبغي اعتماد خوارزميات ضغط بيانات فعّالة لضغط وتخزين كميات كبيرة من البيانات المجمعة لتقليل استهلاك مساحة التخزين؛ وتطوير خوارزميات الحوسبة المتوازية للاستفادة الكاملة من مزايا المعالجات متعددة الأنوية وتحسين سرعة تنفيذ خوارزميات التحكم المعقدة.
فيما يتعلق بضبط التكاليف، يُعدّ خفض تكلفة الاستثمار الأولية أمرًا بالغ الأهمية. يجب زيادة دعم توطين PLC، وتشجيع الشركات المحلية على زيادة استثماراتها في البحث والتطوير، وتحسين مستوى توطين PLC. ومن خلال دعم السياسات والإعانات المالية وغيرها من الوسائل، يُمكن تعزيز تطوير صناعة PLC المحلية، وتشكيل إنتاج واسع النطاق، وخفض تكاليف الإنتاج. وفي الوقت نفسه، يجب تحسين تصميم النظام، واختيار نموذج وتكوين PLC بشكل معقول وفقًا للاحتياجات الفعلية لأنظمة الطاقة المتجددة لتجنب هدر الموارد الناجم عن الإفراط في التكوين. وفي مشاريع توليد طاقة الرياح الصغيرة، من خلال تحليل الطلب الدقيق وتقييم النظام، يتم اختيار PLC ذات الوظائف والأداء المناسبين، وتجنب اختيار المنتجات ذات التكوين الزائد، مما يُقلل من تكلفة الاستثمار الأولية.
لا ينبغي تجاهل خفض تكاليف الصيانة. إنشاء نظام صيانة عن بُعد واستخدام تقنية الإنترنت لتحقيق المراقبة عن بُعد وتشخيص أجهزة PLC. من خلال المراقبة عن بُعد، يتم اكتشاف الأعطال الخفية في الوقت المناسب في أجهزة PLC واتخاذ الإجراءات المناسبة للتعامل معها، مما يقلل من عدد وتكلفة الصيانة في الموقع. على سبيل المثال، في محطة طاقة شمسية كبيرة، تم إنشاء نظام صيانة عن بُعد. يمكن لموظفي التشغيل والصيانة مراقبة حالة تشغيل أجهزة PLC في الوقت الفعلي من خلال منصة المراقبة عن بُعد. عند اكتشاف عطل، يمكنهم استكشافه وإصلاحه من خلال التشغيل عن بُعد، مما يقلل بشكل كبير من عبء العمل وتكلفة الصيانة في الموقع. تعزيز التعاون مع موردي المعدات، وإنشاء مكتبة محلية لقطع الغيار، وتقصير دورة شراء قطع الغيار، وخفض تكاليف قطع الغيار. توقيع اتفاقية تعاون طويلة الأجل مع الموردين لضمان توريد قطع الغيار في الوقت المناسب، وخفض سعر شراء قطع الغيار من خلال الشراء المركزي ووسائل أخرى.
فيما يتعلق بترويج السوق، يُعدّ تحسين الوعي السوقي المهمة الأساسية. يجب تعزيز الدعاية والترويج لتطبيقات التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة الطاقة المتجددة، والتعريف بوظائفها ومزاياها وحالات تطبيقها لمطوري مشاريع الطاقة المتجددة والمستثمرين والشركات ذات الصلة من خلال الندوات الفنية ومعارض المنتجات والمنتديات الصناعية وغيرها من الأنشطة. على سبيل المثال، يُعقد بانتظام ندوات حول تكنولوجيا الطاقة المتجددة، ويدعو الخبراء والباحثين وممثلي الشركات لعرض أحدث نتائج تطبيقات التحكم المنطقي القابل للبرمجة واتجاهات تطويره في أنظمة الطاقة المتجددة، ويُعرض نماذج ناجحة لزيادة فهم قيمة التحكم المنطقي القابل للبرمجة. وفي الوقت نفسه، يُكتب معلومات فنية مفصلة وأدلة تطبيقية لتزويد المستخدمين بالدعم الفني والمراجع لمساعدتهم على فهم التحكم المنطقي القابل للبرمجة وتطبيقه بشكل أفضل.
في ظل المنافسة الشرسة في السوق، ينبغي على مصنعي أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مواصلة تعزيز الابتكار التكنولوجي وتحسين أداء وجودة المنتجات. زيادة الاستثمار في البحث والتطوير لتطوير منتجات أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ذات أداء وموثوقية أعلى لتلبية الاحتياجات المتزايدة لأنظمة الطاقة المتجددة. التركيز على المنافسة المتميزة بين المنتجات، وتطوير حلول أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الموجهة لمختلف أنواع أنظمة الطاقة المتجددة، وتحسين القدرة التنافسية للمنتجات في السوق. تعزيز الترويج في السوق وبناء العلامة التجارية لتعزيز حضور المنتج وسمعته. وضع استراتيجيات تسويقية فعّالة لزيادة حصة المنتج في السوق من خلال الإعلانات والتسويق الإلكتروني وإدارة علاقات العملاء وغيرها من الوسائل. بناء صورة جيدة للعلامة التجارية وكسب ثقة العملاء وتقديرهم من خلال منتجات وخدمات عالية الجودة.
بالإضافة إلى ذلك، ينبغي على الحكومة والجمعيات الصناعية تعزيز توجيه السياسات وتنظيم السوق. وينبغي للحكومة وضع سياسات مناسبة لتشجيع مشاريع الطاقة المتجددة على اعتماد تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، مثل تقديم بعض الإعانات أو الحوافز الضريبية لخفض تكاليف المشاريع وزيادة الحماس لتطبيق تقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة في أنظمة الطاقة المتجددة. وينبغي للجمعيات الصناعية وضع معايير فنية سليمة وقواعد لدخول السوق، وتعزيز الرقابة على السوق، وتنظيم أنظمته، ومنع دخول المنتجات منخفضة الجودة إلى السوق، وضمان التطور السليم لتقنية التحكم المنطقي القابل للبرمجة في سوق تطبيقات أنظمة الطاقة المتجددة.
٧. الخاتمة والتوقعات
7.1 ملخص نتائج البحث
تقدم هذه الدراسة تحليلاً متعمقًا لتطبيق PLC في أنظمة الطاقة المتجددة وتكشف بشكل شامل عن دورها الرئيسي وقيمتها المهمة. في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، يعتمد PLC على قدرات التحكم القوية الخاصة به لتنفيذ التحكم في تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) بنجاح، مما يحسن كفاءة توليد الطاقة بشكل كبير. باستخدام خوارزميات التحكم MPPT المتقدمة، مثل طريقة مراقبة الاضطراب وطريقة زيادة الموصلية وطريقة التحكم المنطقي الضبابي، يمكن لـ PLC ضبط حالة عمل الألواح الشمسية بدقة وفقًا للتغيرات في الوقت الفعلي في شدة الضوء ودرجة الحرارة والعوامل البيئية الأخرى لضمان عملها دائمًا بالقرب من نقطة القدرة القصوى. تُظهر الأبحاث ذات الصلة وبيانات التطبيق العملي أنه يمكن زيادة كفاءة توليد الطاقة لنظام توليد الطاقة الشمسية باستخدام PLC لتحقيق التحكم في MPPT بمقدار 10% - 30% مقارنة بنظام بدون تحكم MPPT.
في الوقت نفسه، يلعب PLC دورًا حيويًا في إدارة تخزين طاقة البطارية. من خلال التحكم الدقيق في عملية شحن وتفريغ البطارية، يمكن لـ PLC تجنب الشحن الزائد والتفريغ الزائد للبطارية بشكل فعال وإطالة عمرها. أثناء عملية الشحن، يعتمد PLC على استراتيجيات شحن التيار المستمر والشحن بالجهد الثابت والشحن المرحلي وفقًا لمعلمات جهد البطارية والتيار والسعة المتبقية (SOC) ودرجة الحرارة لضمان شحن آمن وفعال للبطارية؛ أثناء عملية التفريغ، يضبط PLC طاقة تفريغ البطارية ديناميكيًا وفقًا لطلب طاقة الحمل وطاقة البطارية المتبقية، ويتحكم بدقة في عمق تفريغ البطارية ويتجنب التفريغ المفرط للبطارية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لـ PLC أيضًا تحسين إدارة نظام تخزين الطاقة، وتخصيص الطاقة بشكل معقول، وتحسين كفاءة استخدام الطاقة وفقًا لتوليد الطاقة في الوقت الفعلي لنظام توليد الطاقة الشمسية، وحالة تخزين طاقة البطارية، وطلب الطاقة للحمل.
فيما يتعلق بجمع البيانات والمراقبة عن بُعد، يتصل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بشكل وثيق بأجهزة استشعار مختلفة لجمع بيانات متعددة الأبعاد لنظام توليد الطاقة الشمسية في الوقت الفعلي، بما في ذلك شدة الضوء، ودرجة الحرارة، والجهد، والتيار، وحالة البطارية، وغيرها. تُشكل هذه البيانات أساسًا مهمًا لتحليل تشغيل النظام وتحسين التحكم. وفي الوقت نفسه، يتصل جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بنظام المراقبة عن بُعد عبر وحدة الاتصالات، مما يُتيح مراقبة حالة تشغيل النظام وإدارتها في الوقت الفعلي. ومن خلال نظام المراقبة عن بُعد، يُمكن لموظفي التشغيل والصيانة الاطلاع على مختلف معلمات تشغيل النظام في الوقت الفعلي، واكتشاف المشكلات ومعالجتها في الوقت المناسب، مما يُحسّن كفاءة إدارة النظام وصيانته بشكل كبير، ويُقلل تكاليف الصيانة.
في أنظمة توليد طاقة الرياح، يلعب PLC دورًا رئيسيًا في مراقبة سرعة الرياح واتجاهها والتحكم فيها. من خلال توصيل أجهزة استشعار سرعة الرياح واتجاهها، يمكن لـ PLC مراقبة تغيرات سرعة الرياح واتجاهها في الوقت الفعلي، وضبط معلمات تشغيل توربينات الرياح بمرونة وفقًا لنتائج المراقبة لضمان تشغيل فعال ومستقر لتوربينات الرياح. عندما تكون سرعة الرياح أقل من سرعة بدء تشغيل توربينات الرياح، يتحكم PLC في توربينات الرياح لتكون في وضع الاستعداد، في انتظار وصول سرعة الرياح إلى ظروف البدء؛ وعندما تصل إلى سرعة بدء التشغيل، يتحكم PLC في توربينات الرياح لبدء التشغيل، ووفقًا لتغير سرعة الرياح، يتم استخدام خوارزمية تتبع نقطة القدرة القصوى (MPPT) لضبط زاوية ميل توربينات الرياح وسرعتها في الوقت الفعلي، بحيث تعمل توربينات الرياح دائمًا بالقرب من نقطة القدرة القصوى لالتقاط المزيد من طاقة الرياح.
يُعدّ التحكم في زاوية الميل والانحراف حلقتي التحكم الأساسيتين في أنظمة توليد طاقة الرياح، ويلعب نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) دورًا محوريًا فيهما. فمن خلال التحكم الدقيق في زاوية الميل، يُمكن لـ PLC ضبط طاقة الرياح التي تلتقطها الشفرات وفقًا لتغير سرعة الرياح، مما يُحقق تحكمًا فعالًا في سرعة توربين الرياح وطاقة الخرج. ومن خلال التحكم الدقيق في نظام الانحراف، يُمكن لـ PLC توجيه دوار توربين الرياح دائمًا نحو اتجاه الرياح، مما يُمكّنه من التقاط طاقة الرياح إلى أقصى حد. وقد أظهرت الدراسات أن التحكم الدقيق في زاوية الميل والانحراف يُمكن أن يزيد من توليد الطاقة في أنظمة توليد طاقة الرياح بمقدار 5% إلى 10%.
يُعد تشخيص الأعطال والحماية منها أساسًا لضمان التشغيل الآمن والمستقر لأنظمة توليد طاقة الرياح، وقد أثبتت أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) فعاليتها في هذا الصدد. فمن خلال المراقبة الفورية لبيانات تشغيل توربينات الرياح، مثل سرعة الرياح واتجاهها وسرعة المولد والطاقة والاهتزاز ودرجة الحرارة وضغط الزيت، يستخدم نظام التحكم المنطقية القابلة للبرمجة خوارزميات تشخيص الأعطال المُعدّة مسبقًا وتقنية التشخيص الذكي للكشف الفوري عن الأعطال المحتملة في النظام واتخاذ الإجراءات الوقائية اللازمة، مثل فصل الدائرة وإيقاف التشغيل، لمنع تفاقم العطل وتقليل خسائر الأعطال، وتحسين موثوقية المعدات وسلامتها.
في نظام توليد الطاقة الكهرومائية، يلعب نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) دورًا أساسيًا في مراقبة مستوى المياه وتدفقها والتحكم فيهما. فمن خلال ربطه بأجهزة استشعار عالية الدقة، يُحقق نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) مراقبة دقيقة وفورية لمستوى المياه وتدفقها، ويتحكم بدقة في تشغيل البوابات والتوربينات وفقًا لاستراتيجية التحكم المُحددة مسبقًا والمبنية على بيانات المراقبة، مما يضمن تشغيلًا فعالًا ومستقرًا لنظام توليد الطاقة الكهرومائية. عندما يكون مستوى المياه أقل من الحد الأدنى المُحدد، يتحكم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في فتح بوابة مدخل المياه لزيادة الكمية اللازمة لتوليد الطاقة؛ وعندما يكون أعلى من الحد الأقصى المُحدد، يتحكم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة في فتح بوابة مدخل المياه لتقليلها لمنع ارتفاع مستوى المياه بشكل مفرط وتهديد سلامة السد والمعدات.
فيما يتعلق بالتحكم في التدفق، يضبط نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) تدفق المياه الداخلة إلى التوربين عن طريق التحكم في فتح ريشة التوجيه وسرعتها، مما يحقق تحكمًا فعالًا في توليد الطاقة. خلال فترات ذروة الحمل على شبكة الكهرباء، يضبط نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) فتح ريشة التوجيه وسرعتها بشكل معقول بناءً على بيانات التدفق ومستوى المياه في الوقت الفعلي لزيادة توليد الطاقة وتلبية الطلب على الطاقة في شبكة الكهرباء. أما خلال فترات انخفاض الحمل على شبكة الكهرباء، فيخفض نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) توليد الطاقة بشكل مناسب لتقليل هدر المياه وضمان التشغيل الآمن والمستقر لمعدات توليد الطاقة.
يُعد جمع البيانات والمراقبة عن بُعد من الوسائل المهمة لإدارة وصيانة أنظمة توليد الطاقة الكهرومائية بكفاءة، وقد طوّرت شركة PLC نظامًا متكاملًا فيها. من خلال ربط أنواع مختلفة من المستشعرات، تُحقق PLC جمعًا آنيًا للمعلمات الرئيسية مثل مستوى المياه، والتدفق، وضغط المياه، ودرجة حرارة المياه، وسرعة الوحدة، والطاقة، وما إلى ذلك، وتُجري عمليات التصفية والمعايرة والتعويض على البيانات المُجمعة لتحسين دقتها وموثوقيتها. في الوقت نفسه، تُنشئ PLC اتصالاً مع مركز المراقبة عن بُعد من خلال وحدة الاتصالات لتحقيق المراقبة عن بُعد وإدارة نظام توليد الطاقة الكهرومائية. يوفر برنامج المراقبة في مركز المراقبة عن بُعد وظائف غنية، مثل عرض البيانات في الوقت الفعلي، واستعلام البيانات التاريخية، وإنشاء التقارير، وإدارة الإنذارات، وما إلى ذلك. يمكن للموظفين عرض حالة تشغيل النظام في الوقت الفعلي من خلال برنامج المراقبة، واكتشاف المشكلات ومعالجتها في الوقت المناسب، وتحسين كفاءة الإدارة، وخفض تكاليف الصيانة.
من حيث التكامل مع أنظمة إدارة الطاقة الأخرى، تلعب وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) دورًا حيويًا في بناء الشبكات الذكية الصغيرة وشبكة الطاقة. ففي الشبكات الذكية الصغيرة، يمكن دمج وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بسلاسة مع أنظمة إدارة الطاقة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وأنظمة تخزين الطاقة. ووفقًا لسياسات العرض والطلب على الطاقة وأسعار الكهرباء، يمكنها تنظيم إنتاج الطاقة وتخزينها واستخدامها بشكل معقول لتحقيق أفضل توزيع للطاقة. أما في شبكة الطاقة، فبصفتها وحدة تحكم مهمة في نظام الطاقة الموزعة، يمكنها تبادل البيانات وتنسيق التحكم مع أنظمة إدارة الطاقة الأخرى لتحقيق الترابط والتوزيع الأمثل للطاقة.
باختصار، يتميز تطبيق PLC في أنظمة الطاقة المتجددة بمزايا هامة، تشمل المزايا التقنية والاقتصادية والبيئية. من الناحية التكنولوجية، يتميز PLC بموثوقية عالية ومرونة وقدرات معالجة بيانات قوية وقدرات اتصال جيدة؛ ومن الناحية الاقتصادية، يمكن لـ PLC خفض تكاليف المعدات وتحسين كفاءة الطاقة وإطالة عمر المعدات، مما يحقق فوائد كبيرة. أما من الناحية الاقتصادية، فيمكن لـ PLC تعزيز الاستخدام الفعال للطاقة المتجددة وتقليل التلوث البيئي ودعم التنمية المستدامة. ومع ذلك، يواجه تطبيق PLC في أنظمة الطاقة المتجددة أيضًا بعض التحديات، مثل التحديات التقنية (ضعف القدرة على منع التداخل، مشاكل توافق الاتصالات، زيادة متطلبات قوة الحوسبة وسعة التخزين)، وتحديات التكلفة (ارتفاع تكاليف الاستثمار الأولي، وتكاليف الصيانة الكبيرة)، وتحديات السوق (نقص الوعي بالسوق، والمنافسة الشرسة في السوق). استجابةً لهذه التحديات، تقترح هذه الدراسة استراتيجيات استجابة مناسبة، بما في ذلك زيادة الاستثمار في البحث والتطوير التكنولوجي، وتعزيز ضبط التكاليف، والترويج الفعال للسوق، لتعزيز الاستخدام الواسع النطاق والتنمية المستدامة لـ PLC في أنظمة الطاقة المتجددة.
7.2 اتجاهات البحث المستقبلية
بالنظر إلى المستقبل، فإن الاتجاه البحثي لـ PLC في أنظمة الطاقة المتجددة لديه مجال واسع للتوسع، وسيتم إجراء استكشاف متعمق في أبعاد متعددة مثل الابتكار التكنولوجي وتحسين النظام وتكامل السوق.
في مجال الابتكار التكنولوجي، يُعدّ البحث والتطوير المتعمق لخوارزميات التحكم الذكي أحد أهم التوجهات. مع التطور السريع لتقنيات الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، أصبح دمجها العميق مع تقنية التحكم PLC اتجاهًا حتميًا. من خلال كمية كبيرة من البيانات التاريخية وبيانات التشغيل الآنية، يتم تدريب نموذج الشبكة العصبية لتمكين PLC من التعلم والتكيف تلقائيًا مع ظروف التشغيل المختلفة، وتحقيق التنبؤ الذكي والتحكم التكيفي لأنظمة الطاقة المتجددة. في أنظمة توليد الطاقة الشمسية، تُستخدم خوارزميات التعلم العميق لتحليل العوامل البيئية والتنبؤ بها، مثل شدة الضوء ودرجة الحرارة، ويتم تعديل حالة عمل الألواح الكهروضوئية مسبقًا لمواجهة تغيرات الطقس، مما يُحسّن كفاءة توليد الطاقة بشكل أكبر.
فيما يتعلق بالتحكم التكاملي والمنسق لمصادر الطاقة المتعددة، من الضروري إجراء بحث معمق حول الاختلافات المميزة والعلاقات التكاملية بين مختلف مصادر الطاقة المتجددة، وتطوير خوارزميات تحكم منسقة أكثر تطورًا، وتحقيق التركيب العضوي والتكوين الأمثل لمصادر الطاقة المتعددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية. من خلال إنشاء نموذج متكامل لإدارة الطاقة، يمكن تحقيق المراقبة والتحليل الفوريين لتوليد الطاقة، والطلب على الحمل، وحالة تخزين الطاقة لمختلف مصادر الطاقة، لتحقيق كفاءة تحويل وتوزيع الطاقة، وتحسين استقرار وموثوقية نظام الطاقة. في الشبكة الكهربائية الصغيرة التي تشمل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وأنظمة تخزين الطاقة، يمكن توزيع شحن وتفريغ أنظمة توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وتخزين الطاقة بذكاء وفقًا للعرض والطلب الفوري على الطاقة، لتحقيق إمدادات متوازنة ومستقرة من الطاقة.
فيما يتعلق بتحسين النظام، يُعدّ تحسين موثوقية واستقرار وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أمرًا بالغ الأهمية. ابحث عن بنى أجهزة وأساليب تصميم برمجيات جديدة لتحسين مقاومة التداخل وتحمل الأعطال في وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) في البيئات المعقدة. استخدم تقنية التصميم الاحتياطية لإضافة مكونات احتياطية، مثل مصادر الطاقة الاحتياطية والمعالجات الاحتياطية، لضمان استمرار عمل النظام بشكل طبيعي عند تعطل بعض المكونات. في الوقت نفسه، حسّن وظائف التشخيص الذاتي والإصلاح في البرنامج، بحيث تتمكن وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة من اكتشاف بعض الأعطال الشائعة وإصلاحها تلقائيًا، مما يُحسّن من توافر النظام.
يُعد خفض تكلفة أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) محورًا رئيسيًا للأبحاث المستقبلية. فمن خلال الابتكار التكنولوجي وتحسين العمليات، يمكن خفض تكلفة أجهزة أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، وذلك من خلال اعتماد تقنيات تصنيع رقائق جديدة، وتحسين تكاملها وأدائها، وخفض تكاليف الإنتاج. وفي الوقت نفسه، يُحسّن تصميم البرمجيات، ويقلل الاعتماد على موارد الأجهزة، ويخفض متطلبات تهيئة الأجهزة، مما يُخفض التكلفة الإجمالية للنظام. بالإضافة إلى ذلك، يُعزز توحيد معايير أنظمة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة وتصميمها المعياري، ويحسن تنوع المنتجات وقابليتها للتبادل، ويخفض تكاليف الإنتاج والصيانة.
فيما يتعلق بتكامل السوق، من الضروري تعزيز التكامل العميق بين صناعتي التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) والطاقة المتجددة. يجب أن يكون لدينا فهم متعمق لطلب السوق واتجاهات تطوير أنظمة الطاقة المتجددة، وتطوير منتجات وحلول متخصصة للتحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، وتلبية الاحتياجات الشخصية لمختلف العملاء. يجب علينا بناء علاقات تعاون وثيقة مع مصنعي معدات الطاقة المتجددة، ومشغلي الطاقة، وغيرهم، والعمل معًا على تعزيز تطبيق وترويج التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) في أنظمة الطاقة المتجددة.
يُعد توسيع نطاق استخدام أنظمة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLC) في مجال الطاقة المتجددة الناشئة أحد اتجاهات التطوير المستقبلية. ومع التطور المستمر لتقنيات الطاقة المتجددة الناشئة، مثل طاقة المحيطات والطاقة الحرارية الأرضية، سيوفر البحث في تكنولوجيا تطبيق أنظمة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLC) واستراتيجيات التحكم بها في هذه المجالات الدعم الفني لتطوير الطاقة المتجددة الناشئة والاستفادة منها. وفي نظام توليد الطاقة من طاقة المحيطات، سيُحسّن البحث في تكنولوجيا التحكم في أنظمة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLC) لمعدات توليد طاقة الأمواج وطاقة المد والجزر من كفاءة استخدام طاقة المحيطات واستقرارها.
اترك تعليقا