自动跟踪太阳智能型太阳能系统设计[机电-PLC]【三菱】【8张CAD图纸+PDF图】
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- 内容简介：
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XXX大学本科毕业设计摘要人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计。第一，机械部分设计：机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动伺服电机1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪；同时控制信号驱动伺服电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动，通过伺服电机1、伺服电机2的共同工作实现对太阳的跟踪。第二，控制部分设计：本系统利用安装在太阳能电池组件的不同方位光敏传感器检测太阳与电池组件相对位置，检测结果传输给PLC，PLC通过伺服放大器分别两台伺服电机动作，实现水平角和俯仰角两轴控制。关键词 太阳能；跟踪；光敏传感器；PLC；伺服电机AbstractMan is now facing a serious threat to the exhaustion of fossil fuels such as oil and coal, solar energy as a new energy has unlimited reserves, widespread use of clean, use, economic advantages, but solar has low density, intermittent, spatial distribution changing faults, a series of solar energy equipment that makes the current use of solar energy the rate is not high. Automatic solar tracking device solves the problem of low utilization ratio of solar energy. This paper is part of the design and control of mechanical design and automatic tracking system for solar tracking system.First, the mechanical part design:Mechanical structure mainly comprises a base, main shaft, gears and gear ring. When the suns rays deviation, control section generates a control signal to drive servo motor 1 drives the small gear 1 rotates, the small gear drives a big gear and spindle rotation, realize the horizontal tracking; and a control signal to drive servo motor 2 drives the small gear 2, a small gear 2 drives the gear ring and solar panels in vertical direction of rotation, through the servo 1 motor, servo motor work together 2 realize the sun tracking.Second, the control part of the design:Installed in different directions of photosensitive sensor for the detection of solar and battery components of solar cell components relative position by using the system, the detection results are transmitted to the PLC, PLC through a servo amplifier are two sets of servo motor action, realize the horizontal angle and pitch angle of two axes control.Keywords ：solar; tracking; sensor; PLC; servo motor新!为您提供类似表述，查看示例用法：分享到翻译结果重试抱歉，系统响应超时，请稍后再试 支持中英、中日在线互译 支持网页翻译，在输入框输入网页地址即可 提供一键清空、复制功能、支持双语对照查看，使您体验更加流畅46目 录1绪论51.1课题来源51.2课题背景51.2.1能源现状及发展51.2.2我国太阳能资源51.2.3目前太阳能的开发和利用61.2.4太阳能的特点61.3课题研究的目的61.4研究课题的意义61.4.1新环保能源61.4.2提高太阳能的利用率71.5太阳能利用的国内外发展现状71.6太阳追踪系统的国内外研究现状91.7论文的研究内容92太阳能自动跟踪系统总体设计112.1太阳运行的规律112.2跟踪器机械执行部分比较选择112.2.1立柱转动式跟踪器112.2.2陀螺仪式跟踪器122.2.3齿圈转动式跟踪器132.2.4本课题的机械设计方案132.3跟踪方案的比较选择142.3.1视日运动轨迹跟踪142.3.2光电跟踪152.3.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合172.3.4 本设计的跟踪方案173机械设计部分183.1太阳能自动跟踪系统机械设计方案183.2第一齿轮转动计算193.2.1材料选择193.2.2尺寸计算193.2.3校核计算203.2.4 齿根弯曲疲劳强度验算213.3第二齿轮转动计算233.3.1材料选择233.3.2尺寸计算233.3.3校核计算243.3.4 齿根弯曲疲劳强度验算263.4轴瓦校核计算273.4.1大轴瓦校核计算273.4.2小轴瓦校核计算303.5键联接计算323.5.1主轴与大齿轮的键联接323.5.2 小轴与齿圈的键联接323.5.3 伺服电机1输出轴与小齿轮1的联接333.5.4 伺服电机2输出轴与小齿轮2的联接333.6抗风性分析333.6.1底座上螺钉校核333.6.2轴校核344自动跟踪控制系统控制方案选择365自动跟踪控制系统硬件设计375.1传感器375.1.1太阳位置传感器设计375.2伺服驱动器405.2.1伺服驱动器原理415.2.2伺服放大器连接与设置425.3 伺服电机连接445.4 PLC和I/O扩展模块的选型455.4.1 机型的选择455.5 PLCI/0的分配455.6 系统电气控制接线图设计466 系统软件设计476.1 PLC的程序设计环境476.1.1 PLC公司的编程软件476.1.2 三菱的GX Developer 编程软件简介476.2 系统程序设计486.2.1 程序设计方法及语言487结论507.1结论507.2展望50致谢51参考文献52附录1531绪论1.1课题来源模拟生产实际课题:太阳能自动跟踪系统设计。1.2课题背景1.2.1能源现状及发展能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作1。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计2，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长l%，而太阳能发电每年增长达20%，风力发电的年增长率更是高达26%。预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。1.2.2我国太阳能资源我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960104km，占世界总面积的7%，居世界第三位。据估算3，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为501018KJ，全国各地太阳年辐射总量达335837KJ/cm2A，中值为586KJ/cm2A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816KJ/cm2A，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。 1.2.3目前太阳能的开发和利用人类直接利用太阳能有三大技术领域4，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。 太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。1.2.4太阳能的特点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点5： 第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。 第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。 第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。 太阳能的利用有它的缺点： 第一，能流密度较低，日照较好的，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。 第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。1.3课题研究的目的本课题研究一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。1.4研究课题的意义1.4.1新环保能源长期以来6，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署资料7，目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%，且其使用在世界范围内以每10年20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。日本经济企划厅和三泽公司合作研究认为，到2030年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义8。1.4.2提高太阳能的利用率太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源9，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手10，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明11:太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，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。1.5太阳能利用的国内外发展现状日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用12，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。1990年德国政府推出了“一千屋顶计划” 13，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量15千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已用4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。2005年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到2015年，美国光伏发电成本将从现在的2140美分/千瓦时降到6美分/千瓦时，届时，太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视14。意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。印度也于1997年12月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入3000万法郎资金，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和2010年规则中已将太阳能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速15，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达1000余家，年产值20亿元。根据我国19962020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。1.6太阳追踪系统的国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器16，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。目前17，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.7论文的研究内容本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括:(l)分析太阳运行规律，比较国内外主要的几种跟踪方案，提出合理的跟踪策略。(2) 机械部分也是实现追踪目的的关键，主要是机械设计和计算，装配图及其零件图。(3)分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性，还要设计光电转换电路。(4)选取控制方案，分析系统的硬件需求，设计控制系统。(5)设计控制方案，伺服电机以及驱动电路。2太阳能自动跟踪系统总体设计2.1太阳运行的规律由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为23度27分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，夏至时赤纬角最大为23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始18。2.2跟踪器机械执行部分比较选择根据分析以前的跟踪器机械执行部分的问题，以及成本等各个方面考虑，有以下几种跟踪器。2.2.1立柱转动式跟踪器图2-1立柱转动式跟踪器 跟踪器的结构19：大齿轮固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动)，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接马达1的输出轴。马达1固定在转动架上，转动架以及支架固定安装在主轴上，接收器、马达2安装在支架上面(接收器相对于支架可以转动)，马达2的输出轴连接在接收器上。跟踪器实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮转动，由于大齿轮固定。使得小齿轮自转的同时围绕大齿轮转动，因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达2带动接收器相对与支架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。对于方位角的跟踪，利用齿轮副传动，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本。整个跟踪器的结构紧凑，刚度较高。传动装置设置在转动架下。受到了较好的保护，提高了传动装置的寿命。2.2.2陀螺仪式跟踪器图2-2陀螺仪式跟踪器跟踪器的结构20：传动箱1固定安装在支架上，马达1安装在传动箱1上，传动箱1的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达1的输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱1的输出轴连接环形支架，传动箱2固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱2上，传动箱2内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面(接收器相对于环形支架可以转动)，传动箱2的输出轴连接接收器。该跟踪器可以选择不同朝向安装，当按照上图的朝向进行安装时，跟踪器跟踪的实现原理如下：当太阳光线发生偏移时，控制部分发出信号驱动马达2带动传动箱2中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动接收器相对于环形支架转动，跟踪太阳由东向西的运动；同时控制部分也发出信号驱动由马达1带动传动箱1中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动环形支架和接收器转动，跟踪太阳南北方向的运动，由此来实现对太阳的两个方向的跟踪。系统优点：该跟踪机构结构简单。对于两个方向的跟踪，都利用蜗杆、蜗轮副传动，在紧凑的结构下得到很大的传动比，能使用功率很小的马达同时传递足够的动力，使用功率小的马达降低了其能源成本和制造成本；蜗杆、蜗轮副的自锁性能好，能防风防雨。结构紧凑，运动空间大。传动装置设置在传动箱内，受到了较好的保护，提高了装置的寿命。2.2.3齿圈转动式跟踪器机构结构21：马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与齿圈1啮合。齿圈1连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈2啮合，齿圈2连接着转动架，转动架安装在主轴上(转动架相对于主轴可以转动)。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动齿圈1和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。小齿轮2带动齿圈2和转动架转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。图2-3齿圈转动跟踪器系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成本和制造成本；由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构紧凑，运动空间大。2.2.4本课题的机械设计方案图2-4本课题的机械设计方案机构结构：马达1固定在支架上，马达1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与大齿轮啮合。把齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，马达2安装在主轴前端的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈啮合，齿圈连接着太阳能板，转动架安装在主轴上。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达1带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动马达2带动小齿轮2。小齿轮2带动齿圈和太阳能板转动，通过马达1、马达2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。2.3跟踪方案的比较选择目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式22: (1)视日运动轨迹跟踪；(2)光电跟踪；(3)视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。2.3.1视日运动轨迹跟踪不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系23。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法24:算法l，采用中国国家气象局气象辐射观测方法；算法2，采用世界气象组织气象和观测方法。由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。2.3.2光电跟踪传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，25原则上由三大部件组成:位置检测器、控制组件、跟踪头。其跟踪系统框图如图2-5所示。位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。图2-5跟踪系统框图下面对2001年应用光学杂志介绍的一种五象限法太阳跟踪仪做一简单介绍26，下图为五象限光电转换器原理。在半径为R的大圆内有一个半径为R /2的小圆，将大圆与小圆之间的圆环分成四个象限。每象限的分界线与X轴均成45度，小圆为第V像限。图2-6五象限光电转换器原理在上述5象限中为跟踪定位测向象限，V象限为主测象限。将5片面积、性能、参数相同的光电池安装在所设计的5个象限内，当阳光照射到5片光电池上时必然产生光电流，光电流强度与光强成正比。为了测量准确，在光电池前放置可调光学镜筒，将一个凸透镜放在镜筒前，透镜安放在镜筒的最外沿，如图2-7所示。当光线经过透镜照到镜筒底部的5片光电池上时，调节筒的长度，使光斑正好完全覆盖5片光电池。当太阳光与光轴成一角度时，光线经过透镜照射到5片光电池上形成的光斑必然发生偏移，如图2-8所示。阴影部分为光线照到的部分，此时有的光电池不能被光斑完全覆盖，因此各光电池产生的光电流不尽相同，将光电流差经过一系列处理后输入到跟踪头，驱动电机动作,调节跟踪装置,直到4个象限光电池输出的光电流相等，此时太阳光线与透镜光轴平行，驱动电机无动作。为了使测量跟踪装置更安全、可靠，该装置采用V象限主测光电池进行光强测量和判断，使装置在夜晚停止工作。将第V象限的电压V1与外来控制电压V2进行比较，可选择合适的V1控制测量跟踪装置的工作状态，在夜晚时V2V2，装置正常工作。图2-7镜筒结构图2-8光线与光轴不垂直时理论上，镜筒越长，光电池的灵敏度愈高，但是镜筒长度和透镜的参数也有关系，不可能无限制增长，通常镜筒长度，以取10-30cm为宜。系统的位置精度，基本决定于传感器的精度，因此能够比较容易实现跟踪装置具有较高的精确度，光电池只要能捕捉到透镜聚焦的光斑就可以跟踪太阳，且结构设计较为简单。但当长时间出现云遮后或早晨太阳刚升起时,太阳光线与透镜光轴的夹角超过一定的角度范围，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光斑无法被光电池捕捉到这时跟踪装置便无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。因而该种跟踪装置只能在一定的角度范围内实现高精度跟踪，其跟踪范围跟镜筒结构有关。2.3.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合由上述讨论可知27，开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但计算过程十分复杂，高精度角度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。2.3.4 本设计的跟踪方案视日运动轨迹追踪方式和光电追踪方式各有优缺点，因此实际运用中有很多系统都是综合采用了两种方式来工作，取各自的优点来实现光伏发电系统的高效率工作。但是这种方式成本较高，不适合小型光伏电站的发展；另外这种系统操作复杂，容易出现错误追踪问题。考虑到视日运动轨迹追踪属于开环控制，累计误差无法消除，加入回馈系统后更为复杂成本更高，本系统选择光电追踪方式，采用8个信号控制，四个方位角检测信号，一个阴晴天检测信号，两个水平方位极限角，两个俯仰方位极限角。鉴于光电追踪控制方式存在的缺点，本系统将令设计一种传感器来满足需要，并完成相应系统设计工作。3机械设计部分3.1太阳能自动跟踪系统机械设计方案图3-1自动跟踪系统机械设计方案机构结构：伺服电机 1固定在支架上，伺服电机1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与大齿轮啮合。齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，伺服电机2安装在主轴前端的一块板上，伺服电机2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与齿圈啮合，齿圈连接着太阳能板，转动架安装在主轴上。机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动伺服电机1带动小齿轮1转动，小齿轮1带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动伺服电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板转动，通过伺服电机1、伺服电机2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。3.2第一齿轮转动计算3.2.1材料选择齿圈及齿轮的材料选用渗碳钢，热处理为渗碳淬火。3.2.2尺寸计算初选模数m=4mm,中心距a=260，转动比i=4。一般齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角=8到15度 。初选齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角=10度，则齿轮齿数Z2=iZ1=425=100。分度圆直径： 小齿轮直径 ， 取d1=100mm。大齿轮直径 ，取d2=405mm。 式（3.1）取齿宽系数=1.2b=1.2100=120则取大齿轮宽度b2=120,小齿轮宽度b1=125。齿顶高 式（3.2）齿根高 式（3.3）齿高 式（3.4）3.2.3校核计算查文献28表12.9得使用系数KA1.35。 查文献28 图12.9得动载系数KV=1.1。 查文献28表12.10得齿间载荷分配系数KHa 。 式（3.5）式中-圆周力； -端面重合度； -重合度系数。载荷系数K 式（3.6）查文献28表12.12得弹性系数189.8。查文献28图12.16得节点区域系数2.5 。查文献28表12.14得接触最小安全系数为1.25。 总工作时间Th=103602=7200h。应力循环次数 式（3.7）原估计应力循环次数正确。 式(3.8)接触寿命系数ZN:查文献28图12.18得 =1.2 ， =1.3 。 许用接触应力 式(3.9)验算许用接触应力 式(3.10) 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。3.2.4 齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分配系数 式(3.11)则齿向载荷分布系数 =1.3载荷系数K 式(3.12)齿型系数 YFa:查文献28图12.21得：应力修正系数Ysa:查文献28图12.22得：弯曲疲劳极限:查文献28图12.23c 得1=600MPa ,2=450MPa 。 查文献28表12.14得弯曲最小安全系数SFlim1=1.6 。 应力循环次数 式(3.13) 原估计应力循环次数正确。弯曲寿命系数尺寸系数:查文献28图12.25 =1.0 。 许用弯曲应力 式(3.14)验算许用弯曲应力 式(3.15)齿根弯曲疲劳强度验算满足。3.3第二齿轮转动计算3.3.1材料选择大齿轮及小齿轮的材料选用渗碳钢，热处理为渗碳淬火。3.3.2尺寸计算初选模数m=3mm,转动比i=4。一般Z1=25，=8到15度 （为分度圆螺旋角）。初选Z1=30，=15度，则Z2=iZ1=4*30=120。分度圆直径：小齿轮 ， 取d1=125mm。大齿轮 ， 取d2=500mm。取齿宽系数=1.2b=1.2125=150则取大齿轮宽度b2=150,小齿轮宽度b1=155。齿顶高 齿根高齿高3.3.3校核计算查文献28表12.9得使用系数Ka1.35。 查文献28图12.9得动载系数Kv=1.1 。 查文献28表12.10得齿间载荷分配系数Ka =400 。 载荷系数 查文献28表12.12得弹性系数189.8MPa。查文献28图12.16得节点区域系数2.45。查文献28表12.14得接触最小安全系数 。 总工作时间Th=103602=7200h。查机械设计表12.15得指数m=8.78 。 原估计应力循环次数正确。接触寿命系数ZN:查文献31图12.18得 =1.18 , =1.25 。 许用接触应力验算许用接触应力计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。3.3.4 齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数 式(3.16)齿间载荷分配系数则齿向载荷分步系数=1.38载荷系数K 式(3.17)齿型系数YFa：查文献28图12.21得YFa1 =2.5,YFa2=2.06 。 应力修正系数Ysa:查文献28图12.22得Ysa1=1.63,Ysa2=1.97 。 弯曲疲劳极限:查文献28图12.23c 得=600MPa,=450MPa 。 查文献28表12.14得弯曲最小安全系数 。 查机械设计表12.15得指数m=49.91 。 式（3.18） 原估计应力循环次数正确。弯曲寿命系数 =0.95 , =0.97查文献28图12.25得尺寸系数 =1.0。许用弯曲应力 式 (3.19)验算弯曲应力 式(3.20)齿根弯曲疲劳强度满足。3.4轴瓦校核计算3.4.1大轴瓦校核计算取B/d=1,轴颈直径d=100mm,则有效宽度B=100mm。试取=180度计算轴承压强 式(3.21)轴承速度 式(3.22)PV值 式(3.23)轴承材料:选ZCrSn10P1最大许用值P=15MPa，v=10m/s，PV=15m/s，最高工作温度280，最高轴颈硬度200HB，抗咬合性3，顺应性/嵌藏性5，耐蚀性1，耐疲劳性1。润滑剂和润滑方法选择，选择润滑牌号，自定机械油AN32。设平均油温t=50 度。下油的运动粘度V=20 /s下油的动力粘度 式(3.24)润滑方法选择 式(3.25)选择针阀式注油油杯润滑。承载能力计算相对间隙 式(3.26)取轴转速 式(3.27)索氏数 式(3.28)偏心率层流校核半径间隙 式(3.29)临界雷洛数 式(3.30)轴承雷洛数 式(3.31)满足层流条件流量计算流量系数 v=0.075轴承润滑油的体积流量 式(3.32)功耗计算 摩擦特性系数 摩擦系数摩擦功耗油温升 式(3.33)进油温度 出油温度均符合要求。安全度计算最小油膜厚度 式(3.34)轴颈表面粗糙度，由加工方法精磨得=1.6。轴瓦表面粗糙度，由加工方法精车得=3.2。安全度 式(3.35)3.4.2小轴瓦校核计算取B/d=1,轴颈直径 d=89mm,则有效宽度B=89mm。试取=180度计算轴承压强 轴承速度PV值轴承材料选ZCrSn10P1最大许用值:P=15MPa，v=10m/s，PV=15m/s，最高工作温度280度，最高轴颈硬度200HB，抗咬合性3，顺应性/嵌藏性5，耐蚀性1，耐疲劳性1。润滑剂和润滑方法选择选择润滑牌号，自定机械油AN32。设平均油温t=50 度。下油的运动粘度 V=20 /s下油的动力粘度润滑方法选择选择针阀式注油油杯润滑。承载能力计算相对间隙取轴转速索氏数偏心率层流校核半径间隙临界雷洛数轴承雷洛数满足层流条件流量计算流量系数 v=0.075轴承润滑油的体积流量功耗计算摩擦特性系数 摩擦系数摩擦功耗油温升进油温度 出油温度均符合要求安全度计算最小油膜厚度轴颈表面粗糙度，由加工方法精磨得=1.6。轴瓦表面粗糙度，由加工方法精车得=3.2。安全度3.5键联接计算3.5.1主轴与大齿轮的键联接选用普通圆头键联接。取直径d=100mm 则键的截面尺寸为：b=20mm,高h=12mm,键长L=120mm。键的接触长度键的材料选用45钢，则联接所能传递的转矩 式(3.36)所以满足要求。3.5.2 小轴与齿圈的键联接选用普通圆头键联接。取真径d=89mm ，则键的截面尺寸为：b=12mm,高h=10mm,键长l=92mm。键的接触长度键的材料选用45钢，则联接所能传递的转矩 式(3.37)所以满足要求。3.5.3 伺服电机1输出轴与小齿轮1的联接选用花键联接。材料选用45钢，齿面经过热处理则。 联接所能传递的转矩 式(3.38)所以满足要求。3.5.4 伺服电机2输出轴与小齿轮2的联接选用花键联接。材料选用45钢，齿面经过热处理。联接所能传递的转矩 式(3.39)所以满足要求。3.6抗风性分析3.6.1底座上螺钉校核危险截面面积 式(3.40)螺钉应力副 式(3.41)选择螺钉的性能等级5.6级 则 式(3.42)螺钉疲劳极限 式(3.43)极限应力幅 式(3.44)许用应力幅 所以螺钉强度满足条件。3.6.2轴校核判断危险截面主轴端面往下170mm处材料选用45钢调质 。对称循环疲劳极限式(3.45) 式(3.46)脉动循环疲劳极限 式(3.47)等效系数 式(3.48)截面上的应力 有效应力集中系数表面状态系数尺寸系数弯曲安全系数设为无限寿命，k=1 式(3.49)轴强度满足要求。4自动跟踪控制系统控制方案选择控制器能够实现装置自动运算并控制系统工作的功能，常见的控制器有工控机、单片机、FPGA、PLC（可编程逻辑控制器），由于太阳能发电系统可能位于世界任意位置，系统对控制器本身的适应能力提出了很大的要求。工控机(Industrial Personal Computer)即工业控制计算机，是一种增强型的可以适合工业环境的个人计算机。相对于普通计算机，它的优点有:防磁、防尘、防冲击，含有抗干扰能力强的专用电源，可以持续长时间的工作，有PCI和ISA插槽等。但是它也有一些缺点，比如数据处理能力差、存储选择性差和价格较高等【9】。FPGA (Field-Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，能解决定制电路的不足又能克服以前可编程器件门电路的缺点。FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。【11】单片机，又被称为微控制器(Microcontroller )。单片机的应用非常普遍，价格也较为便宜；单片机制作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。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。【12】PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短、通用性强，控制程序可变、使用方便功能强、适应面广、编程简单，容易掌握；但成本相对单片机要高。综合上述分析，本系统选用三菱FX3U-48MR PLC作控制器。5自动跟踪控制系统硬件设计5.1传感器国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。【13】5.1.1太阳位置传感器设计一、光敏元件选择光传感器是最常见的传感器之一，是以光电器件作为转换元件的传感器，光传感器可以直接检测光的变化，作为探测元件组成其他传感器又可以对许多非电量进行检测，如直径、速度、位移等，只需要将这些非电量变化转换为光信号的变化即可。光传感器有非接触、响应快、性能可靠等特点。目前光传感器是使用最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和检测技术中占有非常重要的地位。 光传感器利用半导体的光导效应、光生伏特效应或者光电效应为原理制成的传感器。光敏电阻器利用的是半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。主要用于光的测量、光的控制、和光电转换。该类电阻器的特点是入射光越强，电阻值就越小，入射光越弱，电阻值就越大。考虑到结构简单、经济实用的原则，满足相对精确的设计要求，本系统采用光敏电阻作为检测光强弱的传感器元件。二、电路设计太阳位置光电传感器是光电追踪方式中很重要的一个部件，其探测可靠性决定了系统的追踪准确性，继而影响系统的发电效率。它对于整个系统的重要性不可忽视。光电追踪的核心部件就是光电传感器，其可达到的精度直接影响追踪系统的追踪精度，而其追踪精度高低是直接影响太阳能光伏发电系统发电效率的因素之一。但是一般传感器在保证了高精度情况下往往忽略了追踪范围因素，导致传感器经常出现因追踪范围小而搜索不到太阳的情况。而一些改进技术虽然提高了传感器的追踪范围，但是仍然不能使人满意。所以，保证光电传感器在追踪范围、追踪精度等方面同时达到要求成为影响光电追踪技术发展的瓶颈。鉴于各种传感器的特点，为了得到精度较高的追踪系统，如图5-1所示原理图所示是一种简单实用的传感器，R1、R2为1K电阻，R5为10K电阻，R4为可调电阻，阻值为0-10K，R5为1K电阻,三极管8050的集电极接中间继电器的线圈。当有光照射达到光敏电阻，阻值发生减小，一旦比可调电阻预设的阻值小，经过放大器让三级管导通，中间继电器的线圈通电，常开触头吸合，以此来给PLC信号。 图 5-1 LM358电路内部电路图LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，内部电路如图4-2所示：2，4号脚接地，8号管脚接5V电源，输入输出用1、2、3号管脚或接5、6、7号管脚。图 5-2 LM358电路内部电路图三、 安装光电传感器安放的位置和方法直接影响传感器的检测精度，因为光敏电阻是点元件，所以接受光能的范围比较广，如果直接暴露在阳光下会降低整个太阳追踪系统的精度，所以本文设计采用在光敏电阻外部安装遮光套，根据安装不同地方作具体的调整。四个传感器分别安装于太阳能电池板的四周，如图5-3所示，还有一个阴晴天检测传感器安装于支架上，五个传感器比较电路集成在一块印制电路板上，安装于太阳能电池板的后面，并作避雨处理。五个传感器比较电路共公用一个5V电源，五个24V电源的负极直接焊在一起，电源的正极连接中间继电器的线圈，线圈的另一端接到电路板上五个三极管的集电极，实物图如图5-4所示。图5-3 传感器的安装图5-4 传感器电路5.2伺服驱动器伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。图5-6伺服驱动器各个部分名称伺服放大器正面的显示部分（5为7段LED）。可以进行状态的显示，参数的设定等，可再运行前设定参数、诊断异常时的故障、确认外部程序、确认运行器件状态。每按一次“MODE”、“UP”、“DOWN”按键进行参数的设定.5.2.1伺服驱动器原理目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心， 可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。 随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。5.2.2伺服放大器连接与设置伺服放大器顶部和控制柜内壁要留出较大空隙，并安装风扇使控制柜内部温度不要超过规定条件。伺服放大器密集安装时，考虑安装的公差，与相邻的伺服放大器之间要留出1mm的间隙。此时，请在0-45摄氏度，实际负载在75%以下使用。伺服放大器与外部设备连接 ：图5-7 伺服驱动器的接线伺服放大器也叫伺服控制器，是控制伺服电机转速的控制器。本系统采用MR-J3-10A，MR-J3系列伺服放大器配有USB通用接口可方便和PC机的通讯,通讯速度快，实时采集数据的能力非常强。伺服放大器连接参看表4-1。表 4-1伺服放大器端子接线伺服器端子编号功能PLC端子10PPYO+11PGY0-35NPY4+36NGY4-20DICOM24V46DOCOM0+15SAN47DOCOM42EMQ43LSD44LSN34LG46 DOCOM49RD接X075.3 伺服电机连接伺服电机有两根外置电缆线，一根是电源线，将电源线连接到伺服放大器的另外一根是链接伺服放大器的编码线CN3；编码线连接到伺服放大器的CN2接口。5.4 PLC和I/O扩展模块的选型 选择能满足本电池包装送料装置控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要作用。PLC的选择包括机型，容量，I/O模块的选择等几个方面。 5.4.1 机型的选择 本系统选取的是三菱公司生产的小型整体式可编程控制器FX3U-32MT-001系列，输入端子选择16点, 输出端子选择16点，满足控制要求。三菱FX3U-32MT-001的CPU单元规格是:输入16点,输出16点,输入、输出为晶体管型形式,电源AC220V。 5.5 PLCI/0的分配分配输入/输出点信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。FX2N型PLC的输入/输出通道号采用自由配置、固定通道方式。输入输出继电器可自由选择，与输入点对应的即为输入继电器，与输出点对应的即为输出继电器。包装生产线控制系统输入输出接口如表5-2所示。输入输出名称接口名称接口启动X0上下伺服电机脉冲输出Y0停止X1左右伺服电机脉冲输出Y1急停X2上下电机脉冲方向Y2上光照传感器X3左右电机脉冲方向Y3下光照传感器X4上下伺服启动Y4左光照传感器X5左右伺服启动Y5右光照传感器X6上极限位置X7下极限位置X10左极限位置X11右极限位置X12上下装置原点传感器X13左右装置原点传感器X14表5-2 I/O接口分配5.6 系统电气控制接线图设计系统供电电源采用两相线制上机供电。供电电源等级为AC220V5，50Hz。其中QF给整个系统提供电源，电机的主回路包括热继电器等安全回路。整机的接地保护与系统的接地保护网相联接。电气控制主电路图见5-8。PLC的接线图如图5-9所示。图5-8 主接线图图5-9 PLC接线图XXXX大学毕业设计(论文)6 系统软件设计6.1 PLC的程序设计环境 PLC的编程主要是通过编程器或用PLC生产厂家提供的编程软件来完成的。每个PLC公司都有自己的编程器，一般比较小，而且比较轻，适合在现场使用。但是这种编程器只能使用助记符语言对PLC进行编程，而且由于屏幕较小，每次只能显示一、两行程序，难于对程序从整体上分析。PLC公司提供的编程软件则能使用梯形图、助记符或功能图语言等进行编程。通过编程软件，不仅能从宏观上对程序进行编辑和分析，而且还能对程序的运行情况进行监视。6.1.1 PLC公司的编程软件编程软件的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话，它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程软件一般由PLC生产厂家提供，各家用各家，不通用，而且多是商品化的。这些软件一般功能都差不多，大体上有以下几种功能。 (1) 脱机编程: 可用梯形图语言或助记符语言编程。这两者可相互转换。另外，程序还可加注解。 (2) 文件管理: 对所编程序可存储为磁盘文件，还可建立数据库文件以及与PLC工作相关的系统设计软件。 (3) 文件的上传与下载: 程序文件、数据文件等可在计算机与PLC建立起通信联系后下载给PLC，也可从PLC中上传，将PLC的程序、数据上传到计算机中，然后计算机在对其做相应管理。 (4) 监控运行: PLC与计算机建立通信后，计算机可监视PLC的工作，观察任何工作位的状态，可读所有的数据，可强置某些工作位处于ON或OFF状态，还可修改一些参数。 (5) 在线更改。监视运行时发现程序存在问题，有两种解决的办法。 脱机更改。即先回到脱机状态修改程序，然后再联机，重新把程序下载到PLC。 在线更改。在问题不太多，又是允许的情况下可在线更改程序。这种边运行、边监视、边更改的方式，既不耽误PLC的工作，可直接地发现与排除故障，是较为方便的调试与完善程序的方法。(6) 其他功能。编程软件还有一些其他功能。如可用来进行只读存储器的程序写入。有的还可进行对PLC作组网参数的设定等。6.1.2 三菱的GX Developer 编程软件简介进入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜单中，单击“新建”菜单项，选择创建一个新文件。在【设备名称】中填写设备名称，设备类型选择PLC的类型，然后单击设定按钮选择CPU的类型，单击确定后，即可进入梯形图编程界面，开始编程，如图6-1所示界面。图6-1 编程界面程序编写完成后，下一步就可进行编译、链接和调试了。如果编译没有错误，就可以进行在线运行。在编译过程中，如果出现错误要进行修改时，我们既可以在梯形图编程下修改，也可在助记符方式下修改。编译完成，没有语法错误，可加载程序到PLC，进行在线运行。6.2 系统程序设计6.2.1 程序设计方法及语言工程设计中，可编程控制器应用程序的设计大体上有三种方法，也是使用最多的方法。这些方法的应用，也因不同设计人员有着不同的技术水平和习惯存在着差异。下面介绍一下常用的几种应用程序的设计方法，以便对下面的设计更有一个清晰的认识，也使读者更加明白可编程控制器的设计方法和技巧。1、经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。但是它没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。经验设计法的具体步骤如下：（1）确定输入/输出电器；（2）确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；（3）做出系统动作工程流程图；（4）选择PLC指令并编写程序； （5）编写其它控制控制要求的程序；（6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。2. 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器组件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。因此用逻辑设计法也可以适用于PLC应用程序的设计。顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下：（1）步与步之间必须用转移隔开；（2）转移与转移之间必须用步隔开；（3）转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。（4）一个顺序功能图中至少有一个初始步。可编程控制器设计语言也有多种形式，因其在继电器的基础上研制而成，所以大部分都是以开关量为主的控制方式。很多表达形式也都是电气符号的沿用，或直接使用。这样，PLC的语言就有所不同。梯形图语言是设计中使用最多的，还有流程图，
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