基于PLC太阳能追踪器设计.doc

安徽水利水电职业技术学院 毕业论文（设计）题目：基于PLC太阳能追踪器设计系 部： 机电工程系 班 级： 0932 专 业： 机电一体化 学 号： 0932332 学生姓名： 吴新彪 指导老师： 赵 松 2012年 4月 25 日2012年 4月基于PLC太阳能追踪器设计吴新彪（安徽水利水电职业技术学院 机电工程系 合肥 231600）摘要：在太阳能发电是将太阳能转化为电能的系统技术，它是一种干净的可再生的清洁新能源。为了使太阳能发电高效，因此本论文研究设计一种利用PLC（Programmable logic Controller）为控制器核心器件、步进电机为驱动装置的太阳能追踪器，使太阳能电池板始终与太阳光保持直射以达到最佳发电状态，并通过实际调试运行给出结果分析关键词：太阳能 跟踪系统 PLC控制器目 录一 引言 二 控制系统硬件电路的设计 2.1 PLC控制器的基本原理 2.2 光敏传感器硬件系统设计2.3 步进驱动硬件系统设计三 软件系统设计 3.1 软件系统构成 3.2 光敏信号处理 3.3 步进驱动程序设计3.4 结果分析四 参考文献一.引言太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，已经和风能成为各国竞相开发的绿色能源之一。但是太阳能存在着密度低,间歇性，光照方向和强度随时间不断变化的问题。如果能始终保持太阳板和光照的垂直，使其最大化地接受太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的步进电机系统，是非常有价值的研究课题。 太阳能追踪系统能增加太阳集能器或光伏模块接受的太阳能，能提高日用功率和年输出功率，比固定式系统成本高，且更复杂。然而，太阳能追踪器能增加年输出功率而有效地降低成本，据国外研究，单轴太阳能追踪系统比固定式系统能增加25%的功率输出，而双轴太阳能追踪系统比固定式系统能增加41%的功率输出。在商业领域，太阳能追踪系统有单轴和双轴机械跟踪定位系统。单轴系统只能自东向西追踪太阳，而双轴系统能在自东向西追踪太阳的同时，太阳能板倾斜从而跟着太阳的高度变化。香港大学建筑系的KPcheung和scMHui教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系, 相关理论分析表明: 太阳的跟踪与非跟踪, 能量的接收率相差37.1% , 精确的跟踪太阳可使接收器的热接收效率大大提高, 进而提高了太阳能装置的太阳能利用率, 拓宽了太阳能的利用领域。本文提出了一种新型的基于PLC的太阳光自动跟踪系统设计方案,它不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 结构简单、成本低, 不必人工干预, 特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况, 有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值。二. 控制系统硬件电路的设计（1）PLC控制器的基本原理可编程逻辑控制器PLC是太阳能跟踪系统的核心部件, 系统采用结构紧凑、配置灵活和指令集强大的三菱公司FX2N 系列的PLC; 用户程序包括位逻辑计数器、定时器等复杂的数学运算以及与其他智能模块进行通讯等指令内容, 从而使GX-developer能够监视输入状态, 改变输出状态, 以达到控制的目的。另外, 选用FX2N 不仅能用于独立的太阳能设备跟踪系统控制, 特别是对于串、并联的大型光伏太阳能阵列的跟踪系统控制, 能发挥PLC现场总线的控制优势进行集中控制。图1所示为PLC输入/输出硬件配置 （2）光敏传感器硬件系统设计光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。其工作原理是根据光敏电阻中光电导作用的强弱用其电导的相对变化来标志的，禁带宽度较大的半导体材料，在室温下热激发产生的电子空穴对较少，无光照时的电阻(暗电阻)较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。PLC嵌入在系统控制电机的执行机构和相应的驱动器, 根据传感器的信号进行驱动电机也引导跟踪器追随着太阳的轨迹从升起至落下。在一天的整个过程中, 跟踪器获得最优的倾斜角和方位角, 电池板接收到最大太阳日辐射量。利用逆变器能够将光伏电池产生的直流电转变为交流电, 进而直接输送到电网上。在白天有日照的情况下, 光伏电池会将大部分的能量输送到电网上, 而到了晚上光伏电池装置会自动与电网断开。控制系统的实现取决于两方面: ( 1) 电气控制部分和驱动部分; ( 2) 传感器和检错系统。对于电气控制部分和驱动部分, 选择相对领域有优势厂商的部件, 尤其考虑到运行温度范围和环境。运行温度范围是- 2555。对于检错系统, 传感器被用于检测方位角, 系统包含控制程序的检错方法, 比如检测风速。作为一个选择, 建立了传感器系统直接实时监测跟踪器的运行状态, 包括获得方位角和垂直角。反馈到驱动部分,闭环就形成了。它不同于其他跟踪器。跟踪器的运行状态可传送给监测台。不仅监测还可远程控制达到稳定。在系统的扩展和配置设计中, 应遵循以下原则:(1) 尽可能选择典型电路, 为硬件系统的标准化、模块化打下基础。(2) 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求, 并留有适当余地, 以便进行二次开发。(3) 硬件结构应结合应用软件方案一起考虑。(4) 系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。光敏传感器硬件电路图如下图2所示（3）步进驱动硬件系统设计 步进电机作为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人自动化仪表等领域。为了实现步进电机的简易运动控制，一般采用PLC控制驱动器驱动步进电机，实现步进电机的速度和位置定位控制。步进电机的工作原理是步进电机位移控制系统以三菱FX2n 为主控单元，以步进电机驱动器为驱动单元，以三相步进电机为执行单元。通过PLC 控制脉冲的发生个数，从而控制步进电机的运转角度，实现对位移的精确控制，如图3所示。它是三相反应式步进电动机的结构简图，当定子上绕组通电时，可产生激励磁场，并与转子形成回路。如果转子和定子之间的齿没有对齐，则由于磁力线力图走磁阻最小的线路，从而带动转子旋转。当A-A通电时，转子在磁力线作用下迅速与A-A重合而停止。当A 相断电，B 相通电时，则迅速与B-B重合，转子顺时针转动一个30角，B 相断电，C 相通电，则转子又将转过一个30角，以此类推，转子不断地转动。如果通电顺序改变，转子转向则改变。步进驱动硬件系统电路图，如下图4所示图4 步进电机驱动电路图1）步进电机的控制原理转速控制步进电机将电脉冲变换为角位移的过程中,速度的大小与输入脉冲的频率成正比。下图5为输入脉冲与各相脉冲对比的示意图。图5 输入脉冲与各项相冲对比图转向控制步进电机的转向与输入给各相绕组脉冲的先后次序有关,对于三相双三拍步进电机的控制来讲,电机正向旋转时脉冲的提供顺序为AB - BC - CA - AB,逆向旋转时提供脉冲的顺序为CB - BA - AC - CB。在进行编程的过程中,控制PLC输出脉冲的顺序,实现步进电机转向的改变。步进控制步进电机每输入一个脉冲就前进一步,其输出角位移与输入脉冲的个数成正比,可以根据输出角位移量来确定输入脉冲的个数。2）电机控制的实现步进电机的控制选用三菱FX2N - 24MR型PLC。步进电机的最大优点之一就是不产生旋转量的累积误差,因此直接编制PLC的程序实现脉冲的输出,控制输出脉冲的频率与脉冲输出的先后顺序实现步进电机的控制。对于PLC的输入输出指令的控制由PLC的人机交互界面来实现,人机交互界面可以是常规按扭、监视用仪表或指示灯等,也可以应用触摸屏来实现人机交互,在本系统中采用触摸屏来实现。PLC提供的输出脉冲经过功放部分放大后提供给步进电机,采用开环控制。步进电机控制的整体结构图如图6所示。图6 步进电机控制系统的整体结构图驱动电路步进电机驱动电路的设计或选用要根据电机来进行选择,电机相数和电流大小是选择驱动的主要依据;驱动电路有多种形式,专用的驱动器、简单的功放电路等。本系统在设计过程采用后者进行设计,既可以降低成本,又能比较容易地完成相应的功能。为了保护PLC的内部电路,提高电路运行的可靠性,采用光电耦合使负载部分与PLC隔离。三、软件系统设计（1） 软件系统构成跟踪模式的判断过程完全由软件实现, 灵活度很高, 可以针对不同的地区和不同的气候进行调整, 尽量提高光伏电站的发电效率。电池参数由电压传感器采集。还可以根据需要, 增加温度传感器、光强传感器、风力传感器等多种传感装置。图7 为主程序框图。监控PLC输入与输出子程序是将PLC输入与输出状态复制到内存的特定位置, 称为标记区域, PC监控程序能直接从内存区域随时读取输入和输出状态。图8为子程序框图。太阳能电池板有两个自由度, 控制机构将分别对X、Y 两方向进行调整。当电池板转到尽头时, 采样电压不再变化, 据此, 程序将自动反转电池板, 以保护电机不受损害。采样数据存储是一个在线采集存储过程, 通过RAM数据存储内部的特殊矩阵, 每隔1h读取1次光敏电阻的值。数据采集在白天进行。晚上停止。采集的时间(小时和分钟) 存储在不同的矩阵, 然后在PC机的屏幕上显示出来。当RAM内存满时, 将不再存储数据, 直到复位操作将存储数据清除。（2）光敏信号处理光电检测模块主要由一个四象限光敏二极管探测器组成。四象限光敏二极管CU301 是在同一芯片上制成4个二极管单片(它们之间有十字沟槽间隔) 。单元的性能参数基本相同, 一致性较好。4个二极管单元相当于直角坐标系中的4个象限, 每个象限的二极管有自己的输出。当照射在4个象限光敏二极管上的光斑图像位于十字形划线的中心时, 代表4个象限的光敏二极管各自的输出相等, 经过运算放大器对信号处理后, 输出为0。当光斑产生相对于十字形划线的任何位移时, 都会使4个象限光敏二极管的输出随之变化, 运算放大器的输出也随之产生相对位移方向上的正负变化, 从而可以确定物体在二维方向上的位移。为减小环境光的干扰和提高检测单元的敏感度,4象限光敏二极管探测器可以放置在一个长方形桶状内, 采用透光性比较好的材料给长方形的桶做一个盖子, 以防止由于遮光或覆盖灰尘而发出错误信号。其中VD1、VD2正极分别接在CU301的“2”、“3”端,VD3、VD4正极分别接在CU301 的“1”、“4”端。这样X 轴、Y 轴的输出信号即可显示出光斑是否在中心位置, 当控制器检测到光斑在中心位置上时即发出中断信号。（3）步进驱动程序设计编制程序的过程中,通过改变定时器的定时时间从而控制输出脉冲的频率,实现对电机转速的控制;应用交互界面上按钮与程序配合实现步进电机转向的控制;应用PLC内部计数器控制实现三拍的脉冲输出计数实现步进电机的步数控制。编制部分程序如下:（4）结果分析介绍了太阳自动跟踪系统能自动检测昼夜, 并应用了太阳辐射与环境亮度的比较, 使得该自动跟踪系统的准确性高、可靠性强。即使是在天气变化比较复杂的情况下, 系统也能正常工作, 提高太阳能的利用效率。如果应用于太阳能电池板, 则可从电池板直接获取电能, 而无需另外输入能量。整个系统具有控制实时、性能靠性和扩展性强的特点, 使得一些复杂算法得以实现。设计可以应用于大型跟踪设备的伺服控制中, 市场前景广阔。四、参 考 文 献【1】李兴红,张淑梅,续志军,等. 基于DSP的光电跟踪架伺服控制器的设计 J . 计算机测量与控制, 2006, 14(12) : 1632 1634.【2】王智鑫,杨臻. 基于DSP的某轻武器伺服控制系统设计 J . 微电机, 2007, 40 (4) : 80 - 81.【3】佟俐