基于PLC的碟式太陽(yáng)能跟蹤控制系統設計

如何提高太陽(yáng)能的利用率一直是國內外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-5]。太陽(yáng)能跟蹤系統使集熱器裝置始終保持與太陽(yáng)光垂直，就可以在有限的使用面積內收集更多的太陽(yáng)能，精確地跟蹤太陽(yáng)，可以大大提高集熱器的接收率，進(jìn)而提高太陽(yáng)能的利用率。

目前，太陽(yáng)能跟蹤方法有光電跟蹤和視日運動(dòng)軌跡跟蹤兩大類(lèi)[6-8]。參考文獻[9]提出了基于PLC的單軸跟蹤系統，采用光敏電阻光強比較法，利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理來(lái)控制電機的轉動(dòng)，從而帶動(dòng)集熱器跟蹤太陽(yáng)，但該跟蹤方法受天氣影響大，無(wú)法在陰雨天氣正常工作，而且該跟蹤系統采用單軸跟蹤，只能在一個(gè)方位上對太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤。參考文獻[10]介紹了基于二維太陽(yáng)跟蹤裝置的控制系統，該系統采用視日運動(dòng)軌跡跟蹤方法計算出太陽(yáng)高度角和方位角，進(jìn)而通過(guò)PC機控制步進(jìn)電機，從而帶動(dòng)集熱器實(shí)現對太陽(yáng)的跟蹤。該方法成本低，但是采用視日運動(dòng)軌跡跟蹤存在累計誤差，而且自身不能消除。此外，以上光電跟蹤和視日運動(dòng)軌跡跟蹤中沒(méi)有設計時(shí)間顯示調整模塊，無(wú)法顯示實(shí)時(shí)時(shí)間和對時(shí)間進(jìn)行調整。

鑒于此，本文提出了一種基于PLC的碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電的跟蹤控制系統的設計方案——混合跟蹤方法，當太陽(yáng)輻射光線(xiàn)達到一定閾值時(shí)，首先通過(guò)視日運動(dòng)軌跡跟蹤，然后采用光電傳感器跟蹤校正，同時(shí)本系統中還設計了時(shí)間顯示調整模塊，能夠顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，同時(shí)也可以對時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，并設計了伺服驅動(dòng)器及電機與PLC的連接電路。

1 跟蹤系統的設計與實(shí)現
1.1 系統的總體結構
跟蹤控制系統由傳感器、可編程控制器（PLC）、數碼管顯示器、雙軸跟蹤裝置組成。
　其中雙軸跟蹤裝置包括方位角調節機構和高度角調節機構。方位角調節機構主要由電機、行星減速器、一級蝸輪蝸桿、回轉軸承組成；高度角調節機構主要由電機、行星減速器、螺旋升降機組成。當系統啟動(dòng)后，由控制器控制電機轉動(dòng)，通過(guò)減速裝置從而驅動(dòng)集熱器跟蹤太陽(yáng)，實(shí)現對太陽(yáng)高度角和方位角兩方位的跟蹤。跟蹤系統的組成結構如圖1所示。

1.3 光電傳感器跟蹤模塊
　本系統采用4個(gè)光敏電阻作為傳感器來(lái)檢測天空光線(xiàn)的變化，跟蹤太陽(yáng)的位置，進(jìn)行誤差校正。4個(gè)完全相同的光敏電阻置于一個(gè)高壁圓筒內，均勻分布在東南西北4個(gè)方位處，接收來(lái)自不同角度的入射光。當東西方位或南北方位的兩個(gè)光敏電阻感受到的光強差值小于某個(gè)限定值時(shí)，PLC不發(fā)出讓電機動(dòng)作的信號；當光強差值超過(guò)一定范圍時(shí)，PLC發(fā)出信號控制電機轉動(dòng)。如圖2所示。其中CDS1和CDS2兩個(gè)光敏電阻用于檢測東西方向光線(xiàn)變化，調整太陽(yáng)能集熱器東西方向角，即方位角；CDS3和CDS4兩個(gè)光敏電阻則用于調整太陽(yáng)能集熱器南北方向角，即高度角。采樣不同位置光敏電阻上的模擬信號，經(jīng)過(guò)運放及相應保護電路，然后通過(guò)A／D轉換之后將信號輸送到PLC進(jìn)行數據比較程序，最終從PLC發(fā)出相應信號驅動(dòng)電機動(dòng)作。PLC采樣輸入端口選擇X4、X5、X6、X7端口。圖3為采樣光敏電阻CDS1電壓、進(jìn)入PLC端口X4的采樣電路，其他三路原理相同。

　由于本系統中需要對時(shí)間進(jìn)行調整，設計了按鍵電路，設置了2個(gè)按鍵S1、S2。S1用來(lái)調整時(shí)，調整范圍是0~23，每按一次鍵時(shí)加1，可以在0~23之間循環(huán)調整。S2用來(lái)調整分，調整范圍是0~59，每按一次鍵時(shí)加1，可以在0~59之間循環(huán)調整。

1.5 執行機構
　執行機構主要包括伺服驅動(dòng)器、伺服電機和雙軸跟蹤裝置，其中雙軸跟蹤裝置有高度角運動(dòng)裝置和方位角運動(dòng)裝置。伺服驅動(dòng)器接收控制器的輸出脈沖，根據輸出脈沖的個(gè)數和脈沖頻率來(lái)決定伺服電機應轉動(dòng)的角度以及伺服電機的轉速，從而通過(guò)電機來(lái)驅動(dòng)雙軸跟蹤裝置調節太陽(yáng)能聚光器在方位角方向的偏差和高度角方向的偏差，使太陽(yáng)能聚光器始終與太陽(yáng)光線(xiàn)垂直。圖5為伺服驅動(dòng)器及電機與PLC的連接電路示意圖。

2 跟蹤控制系統的軟件設計
　系統的控制作用主要由控制器PLC來(lái)完成，主要完成兩個(gè)任務(wù)：（1）計算太陽(yáng)的運行軌跡，求出太陽(yáng)的角度差，發(fā)出初步調整信號；（2）處理傳感器偏差信號，發(fā)出誤差校正信號。其主程序流程圖如圖6所示。
系統在剛啟動(dòng)時(shí)，跟蹤裝置處于跟蹤的起始位置，當系統開(kāi)機啟動(dòng)、程序初始化設備和相關(guān)參數后，首先是讀取時(shí)間，如果在日出前或日落后，則系統等一段時(shí)間后再讀取時(shí)間，當讀取的時(shí)間在日出和日落之間，系統通過(guò)輻射表采集輻射強度，以判斷是否陰天、有云或其他遮蓋，如果采集到的輻射小于系統設定的閾值，則系統等待一定時(shí)間后再繼續采集；當采集到的輻射大于系統的設定閾值，則系統通過(guò)讀取的時(shí)間和當地的地理參數計算太陽(yáng)的高度角和方位角，并將計算的結果與前一次的計算結果相減，得到角度差，然后根據角度差計算出PLC需要發(fā)出的脈沖數，再送給伺服驅動(dòng)器，驅動(dòng)電機轉動(dòng)，從而帶動(dòng)執行機構動(dòng)作，完成初步跟蹤。

　在本系統中，設定PLC每發(fā)出1個(gè)脈沖伺服電機轉0.9°，在方位角方向上的減速箱的傳動(dòng)比為1：93 600，高度角方向上的減速箱傳動(dòng)比為1：512。則當太陽(yáng)方位角和高度角變化0.9°時(shí)，PLC向兩臺伺服電機發(fā)出的脈沖數分別為93 600個(gè)和512個(gè)。角度差的正負決定電機正反轉。當系統完成初步跟蹤后，自動(dòng)進(jìn)入傳感器跟蹤校正誤差，如果有偏差信號輸出，計算出相應伺服電機所需轉動(dòng)的脈沖數，然后分別送給兩臺伺服電機，進(jìn)行進(jìn)一步跟蹤，校正誤差?？紤]到角度變化的精度影響和電機反應速度，延遲5 min后再讀取時(shí)間，進(jìn)行下一個(gè)周期的跟蹤。
　本文基于PLC控制理論，提出了一種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的混合跟蹤方法，結合了光電跟蹤和視日運動(dòng)軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，對太陽(yáng)能跟蹤系統的軟硬件進(jìn)行了設計，可以實(shí)現太陽(yáng)能跟蹤裝置的全天候對日跟蹤，在硬件系統的設計中增加了時(shí)間顯示調整模塊，能對時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和調整。
參考文獻
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