毕业设计（论文）-双轴跟踪循日式太阳能控制系统设计.doc

南通纺织职业技术学院毕业设计（论文）南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统设计双轴跟踪循日式太阳能控制系统设计 （软件部分设计）（软件部分设计） 陈旭东 班 级 10 新能源 专 业 新能源应用技术 教 学 系 机电工程学院 指导老师 贲礼进 完成时间 2013 年 3 月 1 日至 2013 年 5 月 20 日 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 I 摘要摘要 近年来随着人类社会的发展,能源消耗急剧上升，光伏发电技术不断受到人 们的关注。但由于光伏发电需要通过光照才能产生电能，而且当太阳光入射角 与电池板垂直时才能产生最大的电能。因此本设计采用西门子 PLC 通过控制直 流电机改变其受光照的角度，从而尽量实现太阳光入射角与电池板垂直。其电 路主要由电源电路、西门子 PLC 控制电路、按键电路、传感器检测电路等组成， 并且采用 MCGS 工控组态设计人机界面控制。通过最后的综合测试，硬件和软件 上，都能很好的实现最大的发电效率，具有广泛的应用前景。 关键词关键词：光伏发电、双轴循日、PLC、检测技术 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 II 目目 录录 摘要摘要. 第一章第一章 概述概述.1 1.1 太能发电技术原理 .1 1.2 太阳能光伏电池板板安装结构 .2 1.3 光伏发电的跟踪系统结构 .3 1.4 光伏发电的跟踪系统发展现状 .3 第二章第二章 方案设计方案设计.4 2.1 设计要求 .4 2.2 方案的确定 .4 2.2.1 总体方案.4 2.2.2 总体方案框图.4 2.3 器件选择 .5 2.3.1 PLC 控制器选择.5 2.3.2 光线传感器内部器件选择.5 2.3.4 限位传感器选择.7 2.3.5 风速传感器选择.7 2.3.6 电动机的选择.7 2.3.7 继电器的选择.8 2.3.8 其他器件的选择.8 第三章第三章 硬件电路部分硬件电路部分.9 3.1 传感器检测电路 .9 3.1.1 光线传感器检测电路.9 3.1.2 限位开关传感器检测电路.9 3.3 按键电路 .10 3.2 中间继电器控制电路 .10 3.5 直流电机电路 .11 3.6 电源电路 .11 第四章第四章 软件设计软件设计.12 4.1 系统运行分析 .12 4.2 主程序设计 .12 4.3 手动子程序设计 .13 4.4 自动程序设计 .15 4.5 电机控制程序设计 .16 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 III 4.6 MCGS 中使用到的软元件程序设计.18 4.7 完整程序 .18 第五章第五章 人机界面监控设计人机界面监控设计.19 5.1MCGS 组态软件简介 .19 5.2 双轴跟踪循日式太阳能控制系统人机界面设计 .19 5.2.1 人机界面绘制.19 5.2.2 系统画面中构件的属性设置.20 5.2.3 设备窗口属性设置.22 第六章第六章 设备调试设备调试.23 6.1 设备调试要求 .23 6.2 调试结果 .23 6.2.1 手动程序调试结果.23 6.2.2 自动程序调试结果.23 6.2.3 人机界面调试结果.24 6.2.4 调试数据结果.24 6.3 调试总结 .24 结束语结束语.25 致谢致谢.26 参考文献参考文献.27 附录附录 1：电气电路图：电气电路图.28 附录附录 2：完整程序：完整程序.30 附录附录 3：系统监控运行界面：系统监控运行界面.38 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 1 第一章第一章 概述概述 1.11.1 太能发电技术原理太能发电技术原理 在煤炭、石油、天然气等化石能源消耗急剧增加，并且面临枯竭的 21 世纪， 以太阳能光伏发电、风力发电等新能源为代表的可再生能源变得极其重要。我 国拥有着非常丰富的太阳能资源，合理的使用太阳能技术进行发电，对于我国 能源的可持续发展具有重要意义。 太阳能通过太阳能光伏电池，将太阳辐射能量转换成电能，它的原理就是 光生伏打效应。当光照射到太阳能电池上时，光能被电池吸收，产生光生电子- 空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异 号电荷的积累，即产生“光生电压” ，这就是“光生伏打效应” 。若在内建电场 的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输 出。如图 1.1 所示。 图 1.1 光生伏打效应原理图 将几十个或上百个太阳能电池片进行单体串联、并联起来封装制作成太阳 能电池组件，在太阳光或其他光的照射下，再将若干的组件进行串并联，固定 角度，便可获得具有一定功率输出的电能，就形成了太阳能发电场。进行太阳 能组件串并联的太阳能光伏发电厂如图 1.2 所示。 负载 + 负电极 防反射膜 N型半导体 P型半导体 正电极 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 2 图 1.2 太阳能光伏发电厂示意图 1.21.2 太阳能光伏电池板板安装结构太阳能光伏电池板板安装结构 虽然太阳能具有取之不竭用之不尽等优点，但是太阳能存在在密度低、间 歇性、严重受环境影响等缺点，而导致了太阳能发电设备对太阳能的利用率不 高。在我国部分地区，冬季和夏季太阳辐射量差异比较大，尤其在高纬度地区 尤为突出，例如我国黑龙江省地区的冬季与夏季相差 5 倍之多。这就要求我们 设计太阳能光伏电池板安装角度能够尽量减少冬季和夏季接受辐射量的差距， 从而使全年总辐射量尽可能的大。由于倾角的最佳判断选择，通过计算相当复 杂，但可以通过下表（表 1）可以粗略确定太阳能电池板的角度，当纬度越高， 则倾斜角也越大。 表表 1 1 倾斜角与当地纬度的关系倾斜角与当地纬度的关系 纬度太阳能光伏电池板倾斜角度 0 25 等于纬度 26 40 纬度+5 10 41 55 纬度+10 15 55 纬度+10 20 目前，普遍太阳能电场大多采用固定角度安装的电池板，而且不能东西方 向运动，因此如何提高太阳能光伏电池板发电效率对于电场至关重要了。现在 有些电场也采用了太阳能光伏电池板跟踪系统，在该系统中，太阳能光伏电池 板能够跟踪太阳光线运动，从而可以接受更多的太阳辐射，这将更有利于利于 提高光伏发电效率。 组件组件组件组件 组件组件组件组件 组件组件组件组件 组 件 排 放 场 地 监控系统控制系统 电网、蓄电池 收集电 场状态 电场发 出的电 改变电 场状态 输出 命令 储存电能 电场控 制所 储能物件 串 联 并联 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 3 1.31.3 光伏发电的跟踪系统结构光伏发电的跟踪系统结构 太阳能光伏发电的跟踪系统结构主要由光伏电池板，支架，电机，传动装 置等组成，通过电机转动让传动装置带动支架运动，使支架上的光伏电池板方 向改变，达到尽可能的与太阳光线垂直，接受太阳辐射，发出更多的电量。光 伏发电的跟踪系统结构如图 1.3 所示，该系统中的转轴进行左右旋转，使太阳 能光伏电池板尽量与太阳光线垂直。 图 1.3 光伏发电的跟踪系统结构简图 1.1.4 4 光伏发电的跟踪系统发展现状光伏发电的跟踪系统发展现状 太阳能电池方阵的发电量与太阳能光入射角有关，当太阳光与方阵垂直时 发电量最大。针对这个原因，近年来市场上出现了多种光伏发电跟踪系统，比 如单轴跟踪系统、双轴跟踪系统等。系统组成部分中驱动电机分为直流电机和 步进电机，控制器也有多种，比如有单片机控制，PLC 控制等。 从跟踪方式上看。在单轴式跟踪系统中，将太阳能电池板固定在旋转轴上。 太阳具有东升西落的实际情况，通过控制太阳能板的从东向西运动，使太阳能 电池板尽可能的受到更多太阳能光照。在双轴式跟踪系统中，与单轴式跟踪系 统相比，增加了南北方向的控制，这样更加有助于使太阳能光线更好的垂直照 射光伏板，更加提高了发电量。就控制器而言，单片机控制器虽然具有小巧灵 活，设计制造成本低，维护方便等特点，但是对于控制电机要求较高；而 PLC 控制器成本虽然高，但是在电气控制方面，适应性较强。最后从驱动电机上看， 直流电机可以进行 360旋转，而步进电机转动受到步进角的影响，使其精确 度不高。 由以上几种方式分析，我们可以发现 PLC 控制的双轴直流电机跟踪系统具 有无可争议的优势，能够充分满足现实中光阳光照的轨迹，并且成本低，维护 太阳光线 光伏电 池板 左 右 传动 机构 直流 电机 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 4 方便。 第二章第二章 方案设计方案设计 2.12.1 设计要求设计要求 （1）手动运行状态下，要求能够通过检测按钮输入，实现太阳能电池板追 踪太阳阳光线，使电池板尽可能的与太阳光线垂直，从而吸收更多的太阳能辐 射，并转换出电能。在太阳能光伏电池板跟踪太阳光照的运动过程中，要注意 设计保护措施，安装限位保护、电机互锁，防止运动机构以及光伏电池板阵列 的损坏，减少损失。 （2）自动运行状态下，要求将光线传感器接受到的光线信号，通过 PLC 输 入口，把信号给 PLC 控制器，来确定是白天还是夜晚。当处于白天时利用 PLC 控制光线传感器检测太阳的位置，从而控制直流电机的转动方向。当太阳处在 东边时，光线传感器接受到东边的光照较强，因此光伏电池板要求也要向东运 动。在向东运行的过程中，要求具备限位保护，电动机互锁保护。其他三个方 向与向东运动要求相同。 （3）光伏电池板东西南北四个方向的转动速度要求较低,这样一方面能使 太阳能光伏电池板更加精确跟踪太阳运动，输出更多的电能，另一方面能够及 时处理问题，减少经济损失。 （4）在系统运行中，需要考虑特殊情况。由于光伏电池板阵列面积比较大， 因此要求防止大风损坏发电系统。在自动运行状态下，可以通过风速传感器检 测风速，风速过高时，要求能够自动退出太阳光照，当风速降低时，又重新恢 复跟踪光照。 （5）设计人机远程监控界面。通过该界面，监控人员要求能够准确地知道 太阳能光伏电池板的运动情况。在手动控制状态下，能够通过该界面控制太阳 能光伏电池板运动方向。 2.22.2 方案的确定方案的确定 2.2.12.2.1 总体方案总体方案 根据现在光伏跟踪系统发展的趋势，双轴直流电机 PLC 控制跟踪系统具有 无可争议的优势。由于双轴直流电机 PLC 控制跟踪系统对于电机的驱动要求较 高，而 PLC 通过继电器能够更方便控制电机，适应大电流等特点。最重要的是， 双轴跟踪系统能够最大效率的发出电能。所以该方案确定为双轴直流电机 PLC 控制跟踪系统。根据方案要求，太阳能自动跟踪器主要由 PLC 控制器、光线传 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 5 感器、风速测速器、电机电路、显示模块等几个模块组成。 2.2.22.2.2 总体方案框图总体方案框图 通过检测光线传感器来检测是白天还是夜晚，当处于白天时利用 PLC 控制 光线传感器芯片检测太阳的位置，从而控制直流电机的转动方向。当处于夜晚 时，将光伏电池板转动到初始位置，等待第二天开始循日。总体框图如图 2.1 所示。 图 2.1 总体结构框图 2.32.3 器件选择器件选择 2.3.12.3.1 PLCPLC 控制器选择控制器选择 PLC 结合了继电器接触器等诸多控制器的优点，同时又有计算机的灵活、 方便等优点，因此 PLC 具有许多其他控制器所无法比拟的特点。相对单片机等 电机控制器来说，PLC 的可靠性更高，抗干扰能力更强。编程语言简单、易学、 易懂，便于掌握，例如其中梯形图的语言就与继电器接触器控制原理相似。与 传统的电气电路相比，安装接线工作量小得多，并且可以进行连机调试，节省 了时间，又方便。PLC 本省具有独特的自我诊断能力，如果发生故障，能够及 时报警，迅速查找原因。 目前市场上，PLC 种类较多，比如有三菱 PLC,西门子 PLC，欧姆龙 PLC，国 产的和利时 PLC。该设计中，选用西门子 PLC。西门子公司推出了一款小型可编 程序控制器，其中包含了多种 CPU 模块和扩展模块，集中了稳定的性能、可靠 的高质量、较低的价格等优点。根据系统要求，我们选用 S7-200CPU224 这款型 号的 PLC。拥有 24 个输入/10 输出共 40 个数字量 I/O 点；13KB 的程序和数据 存储区空间；2 个 RS-485 通信/编程口；MPI/PPI 通信协议。 西门子PCL 光线 传感器 风速 传感器 南北电机驱动中 间继电器 东西电机 驱动中间 继电器 按钮 输入端 口 程序 控制器 输出端 口 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 6 2.3.22.3.2 光线传感器内部器件选择光线传感器内部器件选择 光线传感器属于光电式传感器，是将光照辐射量的变化转变成电量的一种 变换器，简单的说就是把光信号变成电信号。光电管、光电倍增管、光敏电阻、 光敏二极管和光敏三极管等都属于光电传感器器件，其广泛应用于工业控制、 家用电子电器产品等多个领域。 在该系统中，光线传感器主要是用于检测光线的强度，根据光线强度大小， 把信息转换成数字量传送给 PLC，由 PLC 判断电路的通断。光敏电阻是利用物 质在光的照射下，导电性能会改变的特点制作而成的，其特点是在光线作用下， 电阻值变小。其具有灵敏度高、体积小、质量轻、寿命长等特点。结构图如图 2.2 所示。 图 2.2 光敏电阻结构图 光线传感器就是由光敏电阻设计而成的。主要由放大器、电阻、三极管和 继电器等组成。原理图如图 2.3 所示。 图 2.3 继电器工作原理图 引脚 半导体 金属电极 玻璃底板 _ + _ + VCC R1R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 放大器1 放大器2 NPN 三极管 NPN 三极管 KM1 KM2 KM1 KM2 信号1 信号2 二极管1 二 极 管 2 二 极 管 3 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 7 放大器将光敏电阻的电压信号通过放大器放大，当电压值升高到一定大时， 相应的三极管导通，从而使相应的线圈得电，输出相应的信号，两个信号采用 互锁形式。当光敏电阻 R2 接受到光线照射，光敏电阻 R7 未接受到光照，KM1 继电器接通，KM2 继电器断开，此时信号 1 端口输出信号；当光敏电阻 R7 接受 到光线照射，光敏电阻 R2 未接受到光照，KM1 继电器接通，KM2 继电器断开， 此时信号 2 端口输出信号；当光敏电阻 R2 和光敏电阻 R7 都接受到光照，KM1 继电器接通，KM2 继电器也接通，但是此时信号 1 端口和信号 2 端口都没有信 号输出；当光敏电阻 R2 和光敏电阻 R7 都未接受到光照，KM1 继电器不会接通， KM2 继电器也不会接通，此时信号 1 端口和信号 2 端口都没有信号输出。 2.3.42.3.4 限位传感器选择限位传感器选择 系统在运行过程中，由于转动的角度有限，如果转动角度过大可能会损坏 系统设备，因此需要通过限位开关传感器检测太阳能光伏电池板的转动位置， 把位置信号发送给 PLC，PLC 根据信号发出命令，控制其运动方向或行程。限位 传感器主要是由外壳、操作机构和触电结构等部件组成。它的工作原理是，当 设备机构运动部件的当铁碰压推杆，使推杆向后和向下运动，使其另一端方向 运动，最终实现触点动作；当机构离开推杆，推杆受到弹簧的作用，重新断开 触点，即回复成原来的常开和常闭状态。如图 2.4 所示。 2.4 微动式限位开关 1-推杆；2-机构推力；3-动触点；4-常开触点； 5-常闭触点；6-弹簧片；7-微动开关塑料壳 由于微动限位开关受到机械力的作用，使其动作，内部开关形成常开触点 闭合，常闭触点断开的现象。 接近开传感器原理与限位开关传感器相近，但其通过电磁通电线圈控制的。 2.3.52.3.5 风速传感器选择风速传感器选择 由于太阳能光伏电池板阵列面积大，高度较高，当遇到大风天气时，系统 会受到损失，因此需要风速传感器，风速传感器采用风杯式。通过检测风速， 防止风速过高，损坏太阳能光伏电池板。在检测到风速过高时，太阳能光伏电 池板将退出循日，并且自动放平，减少风对太阳能光伏电池板的损坏；在检测 1 2 3 4 5 6 7 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 8 到风速降低后，再次重新开始循日。 2.3.62.3.6 电动机的选择电动机的选择 电机在工业控制系统中应用广泛，使用 PLC 通过控制中间继电器的中断来 控制电机的通断是最常用的手段之一。电机类别步进电机、直流电机和伺服电 机等多种，其中直流电动机有利于调速，且具有起动转矩较大等特点。直流电 动机的工作原理是通电导体在磁场中受力的作用。在该设计中，选用直流电机， 再加上减速机，将有助于提高精度。 2.3.72.3.7 继电器的选择继电器的选择 继电器是通过电压、电流的电气量控制其线圈的通断，进而控制电路的接 通或断开。继电器的种类多、使用广泛，电磁式继电器是其中一种。根据 PLC 要求，选用电磁式继电器中的中间继电器。中间继电器具有体积小、灵敏度高、 多触点、大容量等特点，在 10A 以下的电路中可以替代接触器起到控制作用。 2.3.82.3.8 其他器件的选择其他器件的选择 一个完整的电气控制设备，除了信号输入部分、输出控制部分、控制器部 分等，还有电源设计。在该系统中，PLC 需要 220V 交流电源，按钮需要 24V 电 源，中间继电器需要插座等。因此还需要一个低压断路器、一个 24V 的开关电 源、四个中间继电器插座。 低压断路器又称自动开关，具有刀开关、熔断器、热继电器及欠电压继电 器所具有的功能，并且安装简单、方便使用、安全高、工作可靠等优点，符号 该设计的需要。选择的型号为 DZ47-60。 24V 开关电源作用的将 220V 交流电进行整流滤波成 24V 的直流电，工作时 发热低，同时需要防止电网的干扰。使用时，一般还需要增加一些保护电路， 比如空载、短路等保护，防止烧毁 24V 开关电源。接线端子如图 2.5 所示。 图 2.5 24V 电源开关接线端子原理图 1 2 34 5 6 7 8 9 +V-V220V 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 9 第三章第三章 硬件电硬件电路部分路部分 3.13.1 传感器检测电路传感器检测电路 3.1.13.1.1 光线传感器检测电路光线传感器检测电路 采用光敏电阻，检测光照强度，当天气不良光照不强或夜晚无光的情况下， 光敏电阻的阻值变大。当天气良好时，电阻受到太阳光照，其电阻值变小。将 四个光敏电阻放入透光深色玻璃罩的东南西北四个方向，并且使用不透光的隔 板分开。光敏电阻的阻值受到光照的影响， 阻值就会改变，则电压就会改变。 当相反方向的两个光敏电阻其中一个阻值变小时，相应的继电器将进行动 作，说明这个方向收到光照，则太阳能光伏电池板将会向这个方向移动，如果 相反方向的两个光敏电阻的阻值大小相等或相近，则会使在这个两个方向上继 电器都不会动作，说明太阳能光伏电池板刚好受到太阳光线的垂直照射。将读 取到的光照信号数值通过信号线，把数据传送给 PLC。原理图如图 3.1 所示。 图 3.1 光线传感器系统原理图 3.1.23.1.2 限位开关传感器检测电路限位开关传感器检测电路 本设计中，东西南北四个方向均设有一个限位开关。当该设计处于手动或 自动状态时，光伏板根据手动状态要求或太阳光线进行东西或南北方向转动。 以向南方向转动为例，当向南方向的传感器接收到太阳光照，而向北方向的传 感器没有接收到太阳光照，则太阳能光伏电池板会向有光的方向转动，如果向 北方向一直没有接收到太阳能光照，则太阳能光伏电池板会一直向南运动，这 向东光线信号 向南光线信号 向西光线信号 向北光线信号 端 子 排 P L C 输 入 口 向东限位信号 向南限位信号 向西限位信号 向北限位信号 端 子 排 P L C 输 入 口 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 10 样既不利于光伏发电效率，而且会损坏机构，带来重大损失。在一天的运行过 程中，向南向北运动不得超过限位开关，这样可以有效的保护电机，和防止光 伏电池板损坏。接线原理如图 3.2 所示。当其中输入口收到信号，就说明该方 向运动到极限位置。 图 3.2 限位开关系统原理图 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 11 3.33.3 按键电路按键电路 在光伏供电控制要求中，采用选择开关。当选择开关播向左边时，系统处 在手动控制状态，可以进行光伏电池组件手动跟踪。当选择开关播向右边时， 单片机处在自动控制状态，可以进行光伏电池组件的自动跟踪。 系统处在手动控制状态时，如果按下向东按钮，向东按钮的指示灯亮，光 伏组件并向东偏转，再次按下向东按钮，向东按钮的指示灯熄灭，光伏组件并 停止偏转。在组件向东偏移的过程中，遇到极限位置，则指示灯熄灭且组件停 止偏转。如果按下向西按钮，向西按钮的指示灯亮，光伏组件并向西偏转，再 次按下向西按钮，向西按钮的指示灯熄灭，光伏组件并停止偏转。在组件向西 偏移的过程中，遇到极限位置，则指示灯熄灭且组件停止偏转。 在程序上，向东按钮和向西按钮采取互锁关系。向北按钮和向南按钮的作 用与向东按钮和向西按钮的作用相同。 因此按键主要包括选择开关按钮、向东运动按钮、向西运动按钮、向南运 动按钮、向北运动按钮、急停按钮等，如图 3.3 所示。 图 3.3 按键电路系统原理图 3.23.2 中间继电器控制电路中间继电器控制电路 PLC 通过控制继电器的通断，从而控制直流电机的转动 。中间继电器共有 4 个，分别控制东西南北四个方向，系统如图 3.4 所示。 图 3.4 中间继电器控制电路 +24V PLC 输入 口 手/自动按钮 急停按钮 向东按钮 向南按钮 向西按钮 向北按钮 PLC输出口 向东 运动 向西 运动 向南 运动 向北 运动 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 12 3.53.5 直流电机电路直流电机电路 通过改变 PLC 的输出口的信号，来改变电机的转向。东西方向和南北方向 各使用一个电机，每个电机分别用两个中间继电器控制方向，有时为了完全考 虑，需要在主电路上加上互锁。为了防过载，可以加上热继电器。为了放短路， 可以加上熔断器。如图 3.5 所示，可以了解基本控制原理。 图 3.5 电机控制原理图 3.63.6 电源电路电源电路 电源电路主要由 220V 和 24V 电路构成，在系统中 PLC 等使用 220V，而继 电器等使用的是 24V。如图 3.6 所示。 图 3.6 PLC 基本电路 KM1 KM2 KM3 KM4 MM 南北运 动电机 东西运 动电机 +24V 0V 220V交流电源开关 端子排 LN 西门子PLC24V开关 电源 中间继电器 LN LN +24V0V 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 13 第四章第四章 软件设计软件设计 4.14.1 系统运行分析系统运行分析 光伏发电控制分为自动控制和手动控制两个部分。当选择开关指向左边时， 系统处在手动控制状态，可以进行手动的太阳能光伏电池板跟踪，东南西北四 个方向跟踪光照；当选择开关指向右边时，系统处在自动控制状态，可以进行 自动的太阳能光伏电池板跟踪。 系统处在手动控制状态时，按下相应的按钮，太阳能光伏电池板做相应的 运动，并点亮相应的指示灯。系统处在自动控制状态时，太阳能光伏电池板根 据光线传感器检测的结果进行相应的运动。 在程序设计中，必须要注意电机的单一方向运动的自锁，以及在相反方向 运动过程的互锁，防止电气设备短路损坏电气设备。并且由于按钮无自锁功能， 因此在该项目的中，需要对按钮的程序进行优化设计，比如是采用按一次启动， 再按一次停止的设计思路。 4.24.2 主程序设计主程序设计 根据系统运行分析，主程序主要是用来判断自动或手动子程序，并且调用 相应的子程序。在其中的一个子程序运行的时候，要防止其他子程序运行。使 用的一些软元件不能重复，防止干扰的设备的正确运行。主程序的流程图，如 图 4.1 所示。 图 4.1 主程序流程图 开始 手动/自动 自动 子程序 手动 子程序 按钮处理 指示灯处理 电机处理 手动自动 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 14 根据流程图编写的程序框架如下图 4.2 所示。 图 4.2 主程序梯形图框架 4.34.3 手动子程序设计手动子程序设计 该设计中，要求使用一只按钮控制电动机的起动和停止的方案。由于 PLC 具有逐行扫描的特点，因此实现这个要求的编程方法有很多种，比如有以下三 种：通过简单的常开和常闭开关控制方法；使用正跳变指令方法；使用 RS 触发 器和正跳变指令方法。如图 4.3 所示。 I0.2Q0.0 I0.0 P EN 手动子程序 自动子程序 I0.0 I0.0 P I0.0 EN M0.0 R R 100 100 I0.7 M0.7 Q0.5M4.0 Q0.5 M3.2 Q0.1 Q1.0 P I0.7 M0.7 P M4.0Q0.5 Q0.5 M2.3 I0.0 I0.0 Q1.1 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 15 （a）方法一 I0.0 M0.0 Q0.1M0.0 M0.1 Q0.1 M0.0 P M0.1 Q0.1 （b）方法二 P I0.0 P I0.0 Q0.1 S R1 RS OUT （c）方法三 图 4.3 一只按钮控制电动机起动停止的方法 将方法一和方法二进行优化后，可以变得更加简单。通过使用两个正跳变 指令，同时利用 PLC 的逐行扫描的特点，减少程序的复杂。如图 4.4 所示。 图 4.4 一只按钮的编程优化方法 I0.0M0.1 M0.0 M0.1 M0.0 Q0.1 Q0.1 M0.0 M0.2 M0.2 Q0.1 I0.0 Q0.0M0.0 P P Q0.5 M0.0Q0.0I0.0 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 16 手动子程序是使用按钮，人为自主的控制太阳能光伏电池板的转动。按钮 采用的是点动式按钮，没有保持接通（断开）的功能。当按下向东按钮，光伏 组件会向东运动；当再次按下向东按钮时，光伏组件会停止向东运动。东西方 向软件设计上要求互锁。南北方向与东西方向设计相同。 手动子程序流程图如图 4.5 所示。 图 4.5 手动程序流程图 根据流程图编写的程序框架如下图 4.6 所示。 图 4.6 手动程序梯形图框架 4.4.4 4 自动程序设计自动程序设计 自动程序设计中包括自动跟踪光照以及风速检测程序等。并且需要判断是 白天还是夜晚。当光线传感器四个方向都未接收到光照时，说明处于夜晚，此 时需要将太阳能光伏电池板向东运行到东向限位，等待第二天的自动的循日。 在自动运行过程中，风速传感器需要不断地检测风速，并根据风速进行相应的 开始 是否向东？ 是否向西？ 是否向南？ 是否向北？ 相应的软软件取反 Y N N N Y Y Y 结束 N I0.3 M0.3 M2.3M4.1 P P M2.3 M4.1I0.3 M0.3 M2.3 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 17 处理。自动子程序流程图，如图 4.7 所示。 图 4.7 自动程序流程图 根据流程图编写的程序框架如下图 4.8 所示。 图 4.8 自动程序梯形图框架 4.54.5 电机控制程序设计电机控制程序设计 电机控制程序放在主程序当中，通过手动和自动程序输出的软元件控制电 机的正转和反正。程序中要求有互锁，否则电机正方向运动会同时接通，导致 短路，并损坏电机。太阳能光伏电池板向东运行程序流程图，如图 4.9 所示。 开始 风速是否过大？ 光线检 测结果 根据检测结果进 行相应的动作 将光伏板平放 结束 I0.1 M4.5 Q0.5 Q0.0 M4.5 Q0.5 M4.5I1.5 I1.7I2.0 I1.6 I1.6I1.5 I1.7I2.0 M3.3 M3.2 M3.4 M3.5 I1.4 M3.4I2.1I2.2 M3.5 I2.2I2.1 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 18 图 4.9 向东运行程序流程 系统中指示灯的作用的用来表示电机运动的方向。因此当电机运动信号来 的时候，可以同时输出电机转动和方向灯信号。流程图如图 4.10 所示。 图 4.10 指示灯程序流程 根据流程图编写的程序框架如下图 4.11 所示。 图 4.11 电机及指示灯程序梯形图框架 开始 电机向 西运动？ 自动向 东运动 信号 手动向 东运动 信号 是否运动 到东限位 启动向 东运动 结束 运动 信号 该运动方向 指示灯 M2.3I0.0 M3.2I0.0 Q1.1 Q0.1 Q0.5 Q1.0 M2.4I0.0 M3.3I0.0 Q1.0 Q0.2 Q0.5 Q1.1 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 19 4.64.6 MCGSMCGS 中使用到的软元件程序设计中使用到的软元件程序设计 在编写程序的时候，使用的软元件需要防止和 MCGS 中使用的特殊软元件重 复，以防在使用 MCGS 远程控制时，影响系统的正常运行。MCGS 组态使用的 PLC 软元件在程序中，需要考虑好，是与按钮输入信号并联还是与按钮信号串联。 在该设计中，MCGS 组态控制的作用主要用来控制手动状态下的太阳能光伏电池 板的运动，并且要求能够观察太阳能光伏电池板的运动情况。 4.74.7 完整程序完整程序 完整的程序包括主程序、手动子程序、自动子程序。完整程序见附录 2。 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 20 第五章第五章 人机界面监控设计人机界面监控设计 5.1MCGS5.1MCGS 组态软件简介组态软件简介 MCGS 即通用监控系统，是一套组态软件系统，具有操作方便、可靠性高等 特点，广泛应用于工业、机械制造、电力系统等领域。该软件系统包括组态环 境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，用来帮助用户 设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以 用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。组 态环境和运行环境的关系如图 5.1 所示。 图 5.1 组态环境和运行环境的关系图 MCGS 的主要特点和基本功能有：简单灵活的可视化操作界面；实时性强、 良好的并行处理性能；丰富、生动的多媒体画面；开放式结构，广泛的数据获 取和强大的数据处理功能；完善的安全机制；强大的网络功能；多样化的报警 功能；实时数据库为用户分步组态提供极大方便；支持多种硬件设备，实现 “设备无关” ；控制方便复杂的运行流程；良好的可维护性和可扩充性；用数据 库来管理数据存储，系统可靠性高；设立对象元件库，组态工作简单方便；实 现对工控系统的分布式控制和管理等。 5.25.2 双轴跟踪循日式太阳能控制系统人机界面设计双轴跟踪循日式太阳能控制系统人机界面设计 5.2.15.2.1 人机界面绘制人机界面绘制 将 MCGS 组态软件安装的计算机中，打开组态环境如图 5.2 所示。 图 5.2 MCGS 组态环境 组态环境： 组态生成 应用系统 组态结果 数据库 组态环境： 解释执行 组态结果 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 21 选中“用户窗口” ，打开“新建窗口” ，然后新建一个“窗口 0” ，并设定该 窗口的属性，将窗口名称和窗口标题中的内容改成“双轴跟踪循日式太阳能控 制系统” ，按“确认”按钮确认。如图 5.3 所示。 图 5.3 窗口属性的设置 按“动画组态”按钮，进入画面编辑窗口，如图 5.4 所示，在此窗口中利 用工具箱中的绘图工具，完成机械手画面设计，完成双轴跟踪循日式太阳能控 制系统画面设计，如图 5.5 所示。 图 5.4 画面编辑窗口 图 5.5 双轴跟踪循日式太阳能控制系统效果图 5.2.25.2.2 系统画面中构件的属性设置系统画面中构件的属性设置 太阳能光伏电池板的动作分为向东、向西、向南、向北等 4 个动作。使用 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 22 开关量和颜色填充表示监控界面中太阳能光伏电池板的四个运动方向。同时还 需要对监控界面中使用的一些按钮进行设定。根据西门子 PLC 控制系统的设定， 对画面中的各个相关构件进行属性设置。数据量的定义实在实时数据库中完成 的，如图 5.6 所示。 图 5.6 变量定义窗口 该系统画面中东西南北四个运动方向的属性设置如图 5.7 所示，以向东运 动指示灯属性设置为例，当光伏组件向东运行时，向东方向的灯亮，反之则灭。 图 5.7 向东运动指示灯属性设置 该系统画面中东西南北四个运动按钮的属性设置如图 5.8 所示，以向东运 动按钮属性设置为例，向东运行按钮采用点动。 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 23 图 5.8 向东运动按钮属性设置 5.2.35.2.3 设备窗口属性设置设备窗口属性设置 在组态工作台界面中，选择单击“设备窗口”选项，将会出现设备窗口图 标，双击该图标进入设备组态窗口，在此窗口中通过“设备工具箱” ，完成设备 组态。设备组态完成后，双击“通用串口父设备 0” ，进入“通用串口设备属性 编辑”对话框，根据设备通讯要求和连接情况，完成对话框中相关的参数设置。 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 24 第六章第六章 设备调试设备调试 6.16.1 设备调试要求设备调试要求 在模拟调试过程中，要求实验状态能够尽可能的满足现实要求。PLC 输出 控制电机，可以通过观察 PLC 输出口灯亮的情况，或者观察继电器动作情况。 而一些传感器通过使用其他器件替代。太阳采用普通投射灯替代，水平信号传 感器和风速传感器采用波动开关替代。 6.26.2 调试结果调试结果 6.2.16.2.1 手动程序调试结果手动程序调试结果 按下向东按钮，KM3 继电器接通，向东运动指示灯点亮；再次按下向东按 钮，KM3 继电器断开，向东运动指示灯熄灭。按下向东按钮后，再次按下向西 按钮，无任何错误动作情况。按下向东按钮后，再次按下停止按钮，向东运动 指示灯保持点亮，而 KM3 继电器断开;再次按下停止按钮后，KM3 继电器重新接 通向西运动。按下向东按钮后，向东运动指示灯点亮，KM3 继电器接通，直到 触动向东限位开关，此时向东运动指示灯熄灭，KM3 继电器断开。向南、向西、 向北四个方向运动情况和向东方向运行情况一致。 通过以上验证，得知手动程序符合设计要求。 6.2.26.2.2 自动程序调试结果自动程序调试结果 将光线传感器固定住，改变投射灯的照射方向，即模拟改变太阳光线照射 位置。向东方向受到照射时，KM3 继电器接通，向东运动指示灯点亮。改变投 射灯光照方向，此时向西方向和向东方向都受到光照，KM3 继电器和 KM4 继电 器都不接通，向西运动指示灯向东运动指示灯都熄灭，说明东西方向正对着投 射灯。将投射灯向南偏移时，向南方向受到照射，KM1 继电器接通，向南运动 指示灯点亮。将投射灯向北偏移，当向北方向受到照射时，KM1 继电器和 KM2 继电器都不接通，向南运动指示灯向北运动指示灯都熄灭，说明南北方向正对 着投射灯。此时东西南北方向都不运动，说明组件正对着太阳光照。在模拟光 伏电池板追光的过程中，观察光线传感器输出信号，信号改变情况与太阳能电 池板组件运动方向一致。最后将投射灯偏向西，最终只有 KM4 继电器接通，向 西运动指示灯点亮，其他全部断开和熄灭，当运行到向西限位时，KM4 继电器 也断开，向西运动指示灯也熄灭。最后将投射灯关闭。 将投射灯对准传感器向东方向，打开投射灯，模拟第二天太阳升起，KM3 继电器接通，向东运动指示灯点亮,到限位传感器时，自动断开。 控制拨动开关模拟风速大小，闭合拨动开关模拟风速过大，此时停止追光， 南通纺织职业技术学院论文（毕业设计）双轴跟踪循日式太阳能控制系统 25 南北方向根据水平按钮模拟信号运动，重新打开拨动开关模拟风速降低