【电气工程及其自动化】基于plc的双轴太阳能电池板自动跟踪系统的设计

本科生毕业论文（设计）基于PLC的双轴太阳能电池板自动跟踪系统的设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111目的与意义112国内外研究现状313系统功能简介414系统设计目标42系统总体设计421系统的总体设计方案522系统硬件设计723系统软件设计8231太阳跟踪主程序8232PLC对步进电机控制信号的处理流程93系统的硬件设计931可编程逻辑控制器PLC10311PLC的选择1032执行机构11321步进电机的特性1132242BYGH永磁感应式步进电机13323步进电机的控制方式13324SH2024A步进电机驱动器1533传感器16331光敏电阻器的选择164系统的软件设计1941STEP7MICRO/WIN软件编程平台1942系统程序的设计19421视日运动轨迹跟踪方式19422光电跟踪方式2043本章总结205调试2151系统整体连接2152系统调试和调试结果23521系统调试准备工作23522系统调试过程23523系统调试结果236总结与展望24参考文献25附录26附录A、双轴太阳能电池板自动跟踪系统程序图26附录B、双轴太阳能电池板自动跟踪系统实物图29致谢基于PLC的双轴太阳能电池板自动跟踪系统的设计摘要根据太阳能电池自动跟踪系统的工作原理，研究了一种基于西门子S7200可编程序控制器（PLC）的太阳能电池自动跟踪实训系统。系统采用双轴跟踪，通过光学传感器采集模拟太阳光位置信息，控制两维运动机构，使太阳能电池板始终正对着模拟太阳光源，从而获得最大的太阳能。关键词跟踪系统；PLC；光敏传感器；太阳运行轨迹THEAUTOTRACKINGSYSTEMOFBIAXIALSOLARPANELSBASEDONPLCABSTRACTACCORDINGTOTHEWORKINGPRINCIPLEOFSOLARCELLAUTOTRACKINGSYSTEM，ASOLARCELLAUTOTRACKINGSYSTEMBASEDONSIEMENSS7200PLCWASSTUDIEDFORSTUDENTSTRAININGTHEBIAXIALTRACKINGSYSTEMISADOPTEDINTHISSYSTEMTHEOPTICALSENSORSAREUSEDTOCOLLECTTHEINFORMATIONOFTHESUNPOSITIONTOCONTROLTHE2DMOVEMENTMECHANISM，WHICHKEEPSTHESOLARPANELSFACINGTHESUNTOGAINTHEMAXIMUMSOLARPOWERKEYWORDSTRACKINGSYSTEMPLCPHOTOSENSITIVESENSORTHESUNPATH1绪论11目的与意义随着现代人类社会生活的发展，人们对于居住的环境的舒适性产生了更多的依赖，全面生活水平的提高和现代化的生活质量，与不断消耗的能源是呈正比例发展的，而人类的理智与地球上能源的枯竭是十分的不相称的。正鉴于此，为了人类更加久远的高质量的生活，科学家们研究了出了很多的绿色能源，如风能、潮汐能、太阳能等。在国内，太阳能技术已经有了一定的发展，如太阳能热水和太阳能光电的利用。全世界在技术上参差不齐，对于固定式的太阳能设备技术已经基本了解，而对于可以跟踪太阳能角度来提高采光的技术普及还不能广泛展开，在应用的可行性上，以现代的科学技术是不成问题的，然而由于技术难度而带来的成本提高，在经济上不是所有人都能接受的了的，所以一直没有得到广泛的应用。下面对太阳能利用中，采光设备跟踪太阳角度的必要性做下面的说明。对于不考虑由于不同时间阳光穿过大气层的厚度不同，而引起的大气透明度的变化而产生的影响时，通过设备采用和不采用跟踪系统单位面积在不同时间段里，吸收的太阳辐射量近似值，从而计算出的当采用跟踪系统时不考虑其它条件时在吸收太阳能上提高的效率，如图1所示图1不考虑大气层的太阳能吸收效率对于考虑由于不同时间阳光穿过大气层的厚度不同，而引起的大气透明度的变化而产生的影响时，通过设备采用和不采用跟踪系统单位面积在不同时间段里，吸收的太阳辐射量近似值，从而计算出的当采用跟踪系统时不考虑其它条件时在吸收太阳能上提高的效率，如图2所示图2考虑大气层厚度的太阳能吸收效率由于早晚时间与正午时间阳光穿过大气层厚度明显的变化，其影响十分的明显。但即使考虑大气透明度的太阳能其效率提高高达4624，其中其它的影响因素也很多，要全面考虑计算，以上的计算十分粗略，而对于全年考虑，其中一个重要影响因素是，由于固定模式的采光设备，其四季变化，正午都无法满足正对太阳，其辐射量会略低。因此理论上来说，其吸收的太阳辐照会略低（小于15177840J），其提高的效率会比4624大一些，甚至达到50左右。要知道四季角度变化带来的影响到底有多少，要对了解四季太阳不同时间的辐照，考虑四季阴雨天出现的平均概率进行细致的计算。才能得出最有说服力的结果。近50的效率提高。也就是意味着节省很大一部分成本可以考虑用来做采光设备的太阳能跟踪系统，比如100万的一项太阳能工程，用原有的2/3的采光面积将意味着减少1/3的投资，用33万的资金来做跟踪系统，对于我们中国一个人口大国来说，其必要性是不同质疑的。对于化石资源全面匮乏的未来，太阳能的广泛，甚至全面的应用，其占用的空间将成为主要的问题。对于现在应用较广的太阳能热水工程，由于采光集热箱整体的重量较大，硬质（钢管、硬塑）管道的应用技术技术比较纯熟，软管的应用和普及还存在一定的难度，其跟踪系统的应用比较困难。但光电领域的除了提高光电板的能量转换效率以外，其廉价跟踪系统的开发和应用的空间是很大的，也是很必要的，尤其是在大型光伏电站中的应用1。综述，本文将从现有的研究基础上，设计基于PLC为控制核心的太阳能自动跟踪控制系统，使太阳光线始终垂直于太阳板，从而获取当时最大的太阳光能。通过对太阳能跟踪系统的设计，达到对位置随动系统的进一步深入了解。12国内外研究现状自1990年以来，联合国组织召开了一系列会议，讨论并制定了世界太阳能利用的战略规划、国际太阳能公约以及推行可再生能源发电的配额政策（RPS）等。目前许多国家都已经讲太阳能的开发利用作为其可持续发展的重要战略决策，并且通过一定的方针政策加快太阳能的推广使用。1997年美国政府宣布了“百万屋顶光伏计划”；日本自1993年以来先后推出了“月光计划”、“环境计划”、“阳光计划”。国外在太阳自动跟踪系统方面的研究方面起步较早，获得的技术成就也相对较多。1994年在德国具有单轴太阳跟踪装置的太阳能厨房投入使用，捷克科学院物理研究所实现了单轴被动式太阳跟踪，改跟踪系统以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现。1997年美国BLAEKAEE研制了单轴太阳跟踪器，可实现东西方向的自动跟踪；1998年美国加州研究了ATM两轴跟踪器；JOELHGOODMAN研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台是太阳能接收器可从东到西跟踪太阳。在近十年中，国外的相关研究更是达到了一定的高度，而且多数都实现了良好的双轴跟踪。一些最大功率点跟踪方案中也都采用了一定的控制策略。其中一些采用常规的PID控制，而另一些则采用基于模糊逻辑规则监控。虽然我国对太阳能相关方面的研究起步较晚，但近年来国家对太阳能的开发重视程度在逐步提高，同时出台了相关的政策以加快太阳能相关产业的发展。国内不少专家学者也相继开展了太阳能相关方面的研究并有了一定的进展，同时一些相关企业在政府的鼓励下也为太阳能发展作出了重要贡献。1990年国家气象局计量站研制了FST型全自动太阳跟踪器，成功地应用于太阳辐射观察。1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动太阳跟踪器完成了单向跟踪；1995年中国科技产业介绍的ZTK型高精度全自动跟踪控制系统，实现精确的太阳跟踪。未来太阳跟踪装置将会采用全自动跟踪。一方面机械结构将操着高承载能力，大幅度旋转的方向发展，另一方面系统控制采用多种技术融合，实现全自动跟踪。13系统功能简介本文所研究的太阳能跟踪系统是以PLC为控制核心的自动控制系统，整个系统主要包括软件控制模块、传感器模块和执行器件模块部分组成，主要有以下内容（一）执行器件模块部分用两个步进电机组装成执行机械，充分利用PLC，搭建好控制平台，通过运行相关程序后发出脉冲与方向指令，并经过步进电机驱动电路后驱动控制相应的步进电机，实现对应太阳角度变化的转动。（二）传感器模块部分太阳角度确定部分利用光电传感器，感受太阳光强弱及有无的变化，产生相应的变化的感应电流，经传感器电路向PLC发送相应的电平信号，从而确定太阳角度的变化。（三）软件控制部分步进电机脉冲控制部分根据检测到的不同的电平信号，经PLC运算向执行器件发送信号以选择要执行任务的电机及向电机发送脉冲和运转方向控制信号，以控制步进电机按要求转动至阳光垂直照射。14系统设计目标本系统的设计应能够满足以下几点要求（一）通过光电传感器，感应太阳的位置变化，实现对太阳的稳定跟踪。（二）能够充分利用可编程控制器高效运算功能集成的优点，实现预期功能的要求，并具有高效计算功能、高速处理能力、高效通讯能力和可靠性。2系统总体设计总体方案设计是设计开发太阳自动跟踪系统的首要环节56，硬件部分主要涉及PLC、步进电机、步进电机驱动器、光电传感器等。而软件部分和传感器部分则是本文的重点，主要涉及太阳角度变化，脉冲控制及相关控制系统编程等方面。本章首先提出了总体设计的设计要求和设计原理，根据实际需要以精简、高效、节能的原则划分系统硬件模块和软件模块，并对硬件部分设计方案和软件设计方案分别加以介绍，全面说明整个系统的总体方案。图3双轴跟踪系统结构图。图3双轴跟踪系统结构图21系统的总体设计方案研究表明，单轴太阳能追踪系统比固定式系统能增加20的功率输出，而太阳能电池板双轴自动追踪系统比固定式系统能增加40的功率输出。为提高太阳能的吸收效率，以及系统的自动化程度，本文设计了双轴太阳能自动追踪系统。而对太阳能跟踪系统主要有机械式和电控式两大类别2。本设计主体部分主要采用机械和电控中广泛应用的随动原理进行太阳的跟踪的方式作为设计思路。在本系统设计初，我主要提出了两种控制方法（一）是视日运动轨迹跟踪系统，在主控器中存入当地的太阳轨迹，即太阳俯仰角和方位角随时间变化的数据，PLC根据时间来读取相应的角度以输出控制信号，使步进电机转动调整，以达到跟踪太阳的目的。此方法简单稳定，但由于使开环系统，且内部存入的太阳方位角数据不是连续的，所以跟踪精度不是很高。（二）是随动系统控制（即光电跟踪），随动系统是一种带反馈控制的动态系统，在这种系统中输出量一般是机械量，例如位移、速度或者加速度等等。反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号然后进行比较，得出偏差，系统是按照偏差的性质进行控制的，控制的结果是减少或消除偏差，使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化3。PLC根据传感器检测到的信号处理出相应的控制信号，使步进电机准确地跟踪太阳光。但其受天气影响较大，在阴天或被云遮住阳光的情况下，稳定性稍差。本文最终方案确定为采用以上两种方法相结合的控制方式，是为阴天模式（开环，视日运动轨迹跟踪系统）和晴天模式（闭环，随动系统控制），两种控制方式随天气的变化而自动切换。所以此系统具有跟踪精度高，稳定性高和简单易行等特点。本文的设计思想主要基于成熟的硬件支持下，采用具有高效计算功能、高速处理能力、高效通讯能力和可靠性的S7200PLC控制器4，充分利用步进电机优点中的脉冲控制，通过光电传感器感应太阳位置的变化，反馈给PLC，PLC进行处理，输出脉冲控制步进电机的转动，达到跟踪太阳光的目的。本文太阳跟踪系统总体设计构图如图4所示。图4太阳跟踪系统总体结构图22系统硬件设计本系统硬件部分设计分为PLC控制模块、执行器（步进电机）模块和光电感应器模块三个部分。以光电感应模块感应太阳位置变化，产生相应的信号，信号经相应的放大器放大并处理成与PLC相匹配的信号后，送到PLC控制器，经PLC计算处理后，发送相应控制步进电机的脉冲，经驱动器传送至步进电机，从而控制步进电机的转动。本系统使用的两台步进电机为四相步进电机，负责按照脉冲指令转动相应的角度，两台步进电机经机械组合安装组成三维空间内的转动机构，接受控制信号后，两台步进电机配合转动，从而使太阳板始终能够正对太阳。图5太阳能跟踪系统硬件基本框图。图5太阳能跟踪系统硬件基本框图控制模块以西门子PLC224为核心的程序控制器；传感器模块四个光敏传感器模块为核心，分别感受太阳光强弱来产生相对应的电压，以此来给控制器数字信号；执行模块以步进电机和步进电机驱动为主要硬件设备的机械运动硬件，以实现对光的跟踪；按钮模块对系统的启动、停止以及手动复位的控制。23系统软件设计本系统的编程利用了西门子公司针对S7200系列的STEP7MICRO/WINSP9软件编程平台。231太阳跟踪主程序本系统主要采用了太阳轨迹跟踪和传感器感应太阳位置变化跟踪两种方式相结合的方式跟踪太阳，因此主程序主要完成读取太阳轨迹数据和实时感应太阳位置，并设计相应控制策略，按要求发出脉冲信号和方向信号，驱动步进电机完成相应角度的转动。本文对传感器感应太阳位置变化跟踪方式（即晴天模式）进行了重点设计和编程调试。图6为系统主程序流程图。图6系统主程序流程图232PLC对步进电机控制信号的处理流程机器运行后，控制器PLC自动检测天气的白昼阴晴情况，并自动选择和切换模式实施相应的控制。该部分的流程如图7所示。图7信号处理流程图3系统的硬件设计PLC控制器因其先进的软、硬件结构，且具有事件模块管理功能及快速的中断处理功能，越来越成为一种极为方便的实现电机数字化控制的微处理器5。而步进电机作为数字控制系统的一种常见的执行元件，将接收的数字控制信号（电脉冲信号）转换成与之相应的角位移或直线位移，且实现开环控制无累计误差。两者的结合实现了基于PLC的步进电机的控制系统，并且具有模块化、数字化和高效准确等特点，较好的实现了太阳自动跟踪的驱动控制。图8硬件系统结构图。图8硬件系统结构图31可编程逻辑控制器PLC本设计系统中，可编程逻辑控制器PLCTHEPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER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SIEMENS公司S7200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S7200能够监视输入状态，改变输出状态，以达到控制的目的。相对于单片机控制的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长等缺点，PLC控制具有抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短等优点，缺点则是成本相对单片机要高311PLC的选择SIEMENS公司S7200系统PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，它的许多功能达到了大中型PLC的水平，但价格却和小型PLC一样，因此，一经推出，既受到了广泛的关注，它的主要特点有价格低廉、结构小巧、可靠性高、运行速度快，继承和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势。并且它具有强大的集成功能和丰富的指令集。S7200系列PLC硬件系统的配置方式采用了整体式和积木式，即主机包含了一定数目的输入/输出（I/O）点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。一个完整的PLC系列主要由基本单元、个人计算机或STEP7MICRO/WIN编程工具以及通信设备等构成，如图9所示。图9S7200系列PLC系统组成在本次设计中，主要考虑PLC的输入/输出（I/O）点数目，6入6出，以及考虑到输入/输出的储备，故选择S7200系列的CPU为224的西门子PLC作为本次设计的可编程逻辑控制器PLC。32执行机构本设计系统的执行机构是两台步进电机组成的基于PLC的双轴机械运动机构。321步进电机的特性L步距角和静态步距误差步进电机的步距角A是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为05、3，一般情况下，步距角越小，加工精度越高，静态步距误差指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示，一般在10以内。步距误差主要由步进电机齿距角制造误差、定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀等因素造成的，步距误差直接影响工作的加工精度以及步进电机的动态特性。2动频率FQ空载时，步进电机由静止突然启动，并进人不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率用FQ表示，若启动频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动，FQ与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于突跳频率。3连续运行的最高工作频率FMAX，步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率FMAX称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。其值大于FQ，并且随着负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大的关系。4加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频而停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数来描述步进电机的升速和降速特性7见图10。图10加减速特性曲线（5）矩频特性与动态转矩。矩频特性MF（F），图11是描述转矩频率关系的曲线，该特性曲线上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。可见，同态转矩随连续频率的上升或下降。图11转矩频率特性曲线上述步进电机主要特性除第一项外，其余均与电源有很大关系，驱动电源性能好，步进电机的特性可能得到很到的改善。32242BYGH永磁感应式步进电机图1242BYGH永磁感应式步进电机本设计系统中，我们选择的步进电机如图12所示。电机型号为42BYGH401，这款步进电机的驱动电压12V，步进角为09度，相数为4。该步进电机有6根引线，排列次序如下1红色、2白色、3绿色、4黑色、5黄色、6蓝色。接线图如图13图1342BYG步进电机接线图在本系统中设计，42BYGH永磁感应式步进电机是其SH2024A步进电机驱动器配合下使用的，所以其实际步距角是由其驱动器决定的，下面着重介绍SH2024A步进电机驱动器。323步进电机的控制方式3231步进电机的传统控制方式传统的步进电机控制方式如框图如图14所示。由控制器产生控制指令,环形分配器根据指令将输入的单一脉冲串,按工作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲,以便形成旋转磁场8。图14步进电机的传统控制方式这种方式的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者很大的精力和劳动。接口信号的匹配以及元器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。3232步进电机的PLC控制本设计系统中，采用PLC为核心控制器，在优秀的驱动器SH2024A驱动下控制步进电机。图15执行机构电气连接图简单易行，可靠稳定。本系统执行器部分电气接线图如图15现代控制系统中,PLC作为广泛应用于工业自动化领域的控制器,它的功能越来越强,性能越来越先进。PLC具有实时刷新技术,输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高,使得脉冲分配能有很高的分配速度,充分利用步进电机的速度响应能力,提高整个系统的快速性。考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命,PLC应选择晶体管输出型SH2024A步进电机驱动器是二相混合式步进电机驱动器，该驱动器工作电压范围宽、效率高，相电流可调，为步进电机的控制提供了很大的方便。步进电机细分数一般可选择2、5、10、25细分,以避开电机的共振频率9。编制PLC控制程序时将传动系统的脉冲当量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量,以便现场调整。324SH2024A步进电机驱动器SH2024A步进电机驱动器是二相混合式步进电机驱动器，该驱动器具有工作电压范围宽、效率高，相电流可调的特点，相电流设定从05A2A。图16SH2024A步进电机驱动器面板图17SH2024A步进电机驱动器接线说明其中OPTO端需接外部系统的VCC（控制系统）。若VCC为5V，则可直接接，若VCC大于5V，则使用到的CP、DIR、FREE端子分别外接限流电阻，保证给内部光耦提供815MA的驱动电流。输入电源接口采用一组直流供电，电压值为1536V，电流2A。VCC接正极，GND接负极。电压不能超出此范围，否则会出现故障。33传感器图18为传感器组成方块图、此图也说明了传感器的基本组成和工作原理。图18传感器组成方块图传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，那么，一切测量和控制都将变得异常困难。331光敏电阻器的选择光传感器主要是指把光信号转变为电信号的光电转变器件。大致分为四类利用光电发射效应工作的光传感器，其典型器件是光电管和光电被增管利用光电导效应工作的光传感器，其典型器件是CDS光敏电阻器是目前使用最多的光电效应类型的光传感器，如光敏二极管、光敏三极管、光控晶闸管。CCD（电荷耦合器件）二维固体图像传感器忠的光电部分也是这种光电效应型。这些都是用于光检测的。还有一种用作电源的具体整流光电效应器件光电池。用于检测红外线的光电的热释电效应型光电传感器。本设计光敏电阻的具体要求，选择暗阻、亮阻合适的光敏电阻，一般选择暗电阻大的光敏电阻器，并暗阻和亮阻相差越大越好。当将光敏电阻接入电路后受到光照时和不受光照时，电路的反应（动作）的灵敏度要符合电路的要求，选用的光敏电阻的额定功率要大于它在电路中实际消耗的功率（流过亮阻的电流与其两端的电压的乘积）。本设计中，光电感应器的连接如图19所示。图19光电感应器的连接图中光敏电阻在光照的影响下阻值发生改变，D0输出光照时输出低电平，D0接三极管的基极，进而改变三极管的基极电压，来控制三极管的开通和关断，如此来获得TTL信号，感知光的变化。电路后半部分是TTL信号到24V信号的转换，来匹配在24V电压下工作的PLC。下图所示为适应TTL信号的传感器电路与PLC的PCB制板图，如图20所示图20TTL信号PCB制版图图21系统总接线图4系统的软件设计利用西门子公司针对S7200系列的STEP7MICRO/WIN软件编程平台，采用梯形图，主要完成太阳跟踪程序和步进电机脉冲控制等程序以及其他相关功能要求的软件编程。41STEP7MICRO/WIN软件编程平台STEP7MICRO/WIN编程软件式基于WINDOWS的应用软件，由西门子公司专为S7200系列可编程控制器设计开发。它功能强大，主要为用户开发控制程序所使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态，是西门子S7200PLC用户必不可少的开发工具。STEP7MICRO/WIN的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编程过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等，此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。S7200系列PLC指令有三种表达形式，即梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。在实际应用中，一般采用梯形图编写PLC程序，采用梯形图编写程序能照顾到现场电气工作人员的技能与习惯，且使其用户程序编制形象、直观、方便易学，调试和差错也很方便。本设计中，我们用STEP7MICRO/WINSP9软件编程平台，以梯形图式编写PLC程序。42系统程序的设计421视日运动轨迹跟踪方式视日运动轨迹跟踪系统，在主控器中存入当地的太阳轨迹，即太阳俯仰角和方位角随时间变化的数据10，PLC根据时间来读取相应的角度以输出控制信号，使步进电机转动调整，以达到跟踪太阳的目的。对本跟踪方式，本文只提出思路。4211太阳方位角计算公式太阳高度角SINHSINSINCOSCOSCOST其中H太阳高度角T太阳时角太阳赤纬当地纬度太阳方位角COSASINHSINSINCOSHCOS其中A太阳方位角H太阳高度角太阳赤纬当地纬度太阳时角可以由本地时间计算出，太阳时角在正午时约为零，上午为负，下午为正，日出时约为90，日没时约为90太阳时角T真实时间CALLEDTRUETIME1215常用时间CALLEDMEANTIME均时差EQUATIONOFTIME1215根据以上公式可算出某一纬度上的太阳视日运行轨迹角度变化表格，送到PLC存储器中，此纬度数据由用户写入。422光电跟踪方式本文对光电跟踪方式进行重点研究和设计，并编制完整的控制程序，采用了光敏电阻感应器感应太阳位置变化进行跟踪太阳，因此主程序主要完成实时感应太阳位置，并设计相应控制策略，按要求发出脉冲信号，驱动步进电机完成相应角度的转动。4221PLC通信接口地址分配图22PLC通信接口地址分配43本章总结本章主要介绍系统的主要程序模块、步进电机脉冲的产生控制模块以及相关功能模块的软件编程，整体程序在附图中。本章的软件编程部分是本文的重点，并对本系统设计初的目标的实现起到至关重要的作用。图23太阳自动跟踪系统软件框图。图23太阳自动跟踪系统软件框图5调试本设计系统的软硬件部分，均涉及到较多的功能模块，先对各个模块进行单一设计、制作和调试，实现其功能后，再组装进行整体调试，以验证完成设计所要求的各项指标。本文的重点在控制系统的软件编程，硬件部分的主要作用在于支持和配合软件以实现各项设计功能。51系统整体连接本部分主要把已经调试好的各个功能模块进行组装连接，以进行最终的调试和测试结果。其中，光敏电阻光感应模块和步进电机执行机构模块都与PLC控制核心模块进行信息交流，所以PLC通信接口较多，需对其进行合理正确的分配。图24空间结构传感器图25执行模块运动方式52系统调试和调试结果调试是在做一个系统时出来结果前必须的步骤，也是十分关键的一个步骤。它需要根据测得的数据进行分析，并通过调整器件或器件参数来向目标结果靠近。调试过程是理论知识向实际应用转化过程中最完整的体现，是对所学理论知识最真实有效的检阅。521系统调试准备工作（一）将整个系统连接好，并检查确认各线路、接口无虚接、断路和短路等情况。（二）准备好测试工具、器械、仪表，把要测试的数据制成表格的形式以准备记录，等待上电测试。（三）注意事项在PLCSTEP7MICRO/WIN编程软件的安装时，需将软件安装在C根目录下，以免使用过程中出现不必要的错误。通过对感应器电路板上滑动电阻器的调节，可改变感应器对光线强度感应的灵敏度。在往PLC里写程序前，把电路的连线都接好了，然后注意各控制开关都置于0位。522系统调试过程在调试中，遇到了一些问题，但通过思考研究，得到了相应的解决办法（一）步进电机不正常旋转，而是旋转较慢或者不动。经测试发现，因为机械转盘与固定支架的摩擦力太大而造成的。后经加修改转盘模型以后，步进电机正常旋转。（二）系统跟踪不稳定，不能完全的跟踪太阳光（台灯）。经测试发现，光敏电阻过于灵敏，把正常的室内光检测成了太阳光，以至于发送了错误信号，引起了系统的误动作。后在正常的室光条件下调节光感应器电路板上的电位器以改变光感应器的灵敏度，以适应正常的室光，使系统适用可行。523系统调试结果通过对不同感应器的感应，使双轴跟踪系统的太阳电池板调整到阳光垂直照射的位置，达到对太阳能运动的跟踪设计。测试结果如图26所示图26太阳方位角跟踪情况通过