太阳能自动跟踪装置与控制系统设计【5张cad图纸+文档全套资料】
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XXX大学本科毕业设计摘要随着能源和环境问题的日益严重，太阳能等新能源的开发、利用越来越受到社会的关注，太阳能是一种理想的清洁绿色能源，但转换和利用率不高，造成了太阳能利用的局限性很大。如何提高太阳能的转换和利用率、降低发电系统建造成本是研究太阳能发电系统的两大难题。本系统基于三菱PLC等自动化产品设计一种结构简单、成本低廉且精度高的太阳能自动追踪系统，以提高太阳能的利用率。本设计尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能电池的光-电转化率。该系统是以PLC为核心，以及伺服电机驱动双轴跟踪系统，使太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线，从而提高太阳能的吸收效率。由于时间及作者目前的知识限制，跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪，有较大误差，今后如有机会再进行改进。关键词 太阳能；跟踪；光敏传感器；PLC；伺服电机AbstractWith the energy and environmental problems are increasingly serious, the development, utilization of solar energy and other new energy more and more attention from the society, the solar energy is an ideal clean green energy, but the conversion and utilization rate is not high, resulting in the use of solar energy is of great limitations. How to improve the solar energy conversion and utilization rate, reduce the construction cost of the system is the two generation of solar power generation system. The system of Mitsubishi PLC automation products to design a simple structure, low cost and high precision automatic tracking system based on the solar energy, to improve the utilization of solar energy.As with conventional energy based energy structure with the consumption of resources will be more and more adapt to the needs of sustainable development, including solar energy, renewable resources will be more and more peoples attention. Using the clean solar energy, photovoltaic power generation technology in semiconductor photovoltaic effect as the foundation has a very broad application prospects.The design try to design an automatic tracking solar light irradiation angle biaxial to enhance the solar light - electricity conversion of automatic tracking system. The core of the system is PLC, and the servo motor driven two-axis tracking system, make the solar panels perpendicular to the incident rays of the sun, so as to improve the absorption efficiency of solar energy.Because of the time and the limitations of current knowledge, tracking system is rough angle tracking, there is a big error, such as a chance to improve in the future.Keywords ：solar; tracking; sensor; PLC; servo motorIII目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1能源与环保11.2 系统研究背景21.2.1系统研究目的21.2.2系统研究现状31.3 论文的研究内容4第二章 机械结构方案的比较与确认52.1跟踪器机械执行部分比较选择52.1.1立柱转动式跟踪器52.1.2陀螺仪式跟踪器62.1.3齿圈转动式跟踪器62.1.4本课题的机械设计方案8第三章 自动跟踪控制系统控制方案的论证93.1追踪方案论证93.1.1视日运动轨迹追踪93.1.2光电轨迹追踪113.1.3追踪方案113.2机械传动方案论证113.3控制器论证123.4操作界面论证133.5 驱动控制方案论证133.6 驱动电机论证133.7 本章小结13第四章 自动跟踪控制系统硬件设计144.1传感器144.1.1太阳位置传感器设计145.2伺服驱动器174.2.1伺服驱动器原理184.2.2伺服放大器连接与设置194.3 伺服电机连接214.4 PLC和I/O扩展模块的选型224.4.1 机型的选择224.5 PLCI/0的分配224.6 系统电气控制接线图设计23第五章 系统软件设计255.1 PLC的程序设计环境255.1.1 PLC公司的编程软件255.1.2 三菱的GX Developer 编程软件简介255.2 系统程序设计265.2.1 程序设计方法及语言26结论28致谢29参考文献30第一章 绪论1.1能源与环保随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因，世界能源问题日益严峻，表现在如下方面：世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10 年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到2050年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，有关国际组织己召开多次会议，限制各国COZ等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。据有关资料显示:石油储量的综合估算，可支配的化学能源的极限大约为1180一1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量32亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭;天然气储备估计在13180152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57一65年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为3亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现的希望。能源短缺的形势很严峻，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。1.2 系统研究背景 太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及，如何提高太阳能利用装置的效率，始终是人们关心的话题，太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广,我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段。但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，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。根据据实验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 %左右。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。1.2.1系统研究目的太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前，提高太阳能利用率的研究主要集中在两方面：一方面是提高太阳能装置的能量转换率，另一方面是提高太阳能的集热率；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【1】。无论哪种太阳能利用设备，如果它的采光装置能自动追踪太阳并始终保持与太阳光垂直，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。太阳能电池发电原理：利用光伏发电，即通过一对有光响应的器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与太阳电池板平面垂直时转换率最高。采用自动追光系统转换率可提高40%。因此在这样一个大前提下，我们需要制作一套全自动太阳能追光系统，实现了最大限度地使用太阳能，相信在不久的将来，它可以真正用到实处，用到人们的日常生活中去1.2.2系统研究现状太阳辐照追踪装置要对应于昼夜、阴晴更替。太阳落山时，追踪装置朝向西边，然后停止工作，并能够复位；当遇到乌云遮住太阳时，追踪装置传感单元无法反应出太阳光线的变化，当乌云过后太阳可能偏离较大的角度，这种情况下就要求追踪装置传感探测单元能够在较大的范围内反应出太阳光线的变化。现有用于太阳观测科学研究的太阳追踪装置虽然追踪准确但是价格太昂贵，如国家气象计量站研制的FST型全自动太阳跟踪器采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的设计弥补了赤道架型太阳跟踪器的缺点，具有全自动、全天候、跟踪精度高等优点【2】 。这种大型精密仪器由于价格昂贵，通用性和性价比不高。普通民用太阳追踪装置比如1997年美国Blackace研制的单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的白动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的热接收率仅提高了15% 。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，该装置在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使热接收率进一步提高。JoeI.H.Goodman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太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有人直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从为、到西跟踪太阳，以提高夏天季节里能量的获取率。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。【3】这些普通民用太阳追踪装置，普遍存在的问题是精度差。市场急需一种追踪范围广、精度高，原理结构简单、方便使用的太阳追踪装置，并尽快将一技术转化为生产力，从而推动太阳能的普及利用，拓宽太阳能的利用领域。【4】1.3 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)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。(4)选取控制方案，分析系统的硬件需求，设计PLC控制系统。(5)设计控制方案，伺服电机以及驱动电路。第二章 机械结构方案的比较与确认2.1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。2.1.1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。2.1.2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。2.1.3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的传动比。结构紧凑，运动空间大。2.1.4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。第三章 自动跟踪控制系统控制方案的论证3.1追踪方案论证众所周知 ，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24h，所以地球每个小时自转15。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)法线倾斜成2327的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。每年的春分日(3月12日)，太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占=0)，地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90- (为观察者当地的地理纬度)。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。夏至日(6月2日)，太阳正午高度达到最大值90-+2327，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬=0)，地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳多出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太阳正午高度达最小值90-2327，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日(3月21日)太阳从赤道以南到达赤道。3.1.1视日运动轨迹追踪太阳能光伏发电系统的发电效率与太阳高度角、大气透明度、海拔高度、日照时数、太阳能电池光电转换效率等有关。但是相对于某一固定地点来说，每天太阳东升西落，方位每时每刻都不样；即使是同一地点不同日期的同一时刻也会因为太阳赤纬角的变化引起太阳高度的不同。太阳能发电系统要求电池组件始终尽可能最大限度垂直太阳入射光线，太阳追踪系统的工作状况对整个系统的发电效率有很重大的影，。现有太阳辐照追踪方式根据追踪原理的不同可分为两类:视日运动轨迹追踪方式和光电追踪方式【5】。太阳位置每天都在变化，但其运行规律是确定、可以计算的，视日运动轨迹追踪方式就是通过计算太阳每一时刻的位置来控制机械完成追踪。一些简单的太阳能光伏发电系统采用此追踪方式，即只在方位角上对太阳进行追踪，使光伏发电效率增高，但是太阳高度角变化所带来的效率损失也是很大的。一、太阳高度角计算1、一般时间太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬（与太阳直射点纬度相等）以表示，观测地地理纬度用表示（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负），地方时(时角)以t表示，有太阳高度角的计算公式： （3-1）2、正午时间日升日落，同一地点一天内太阳高度角是不断变化的。日出日落时角度都为0， 正午时太阳高度角最大，时角为0，以上公式可以简化为： (3-2)由两角和与差的三角函数公式，可得 对于太阳位于天顶以北的地区而言，； （3-3）对于太阳位于天顶以南的地区而言，； （3-4）二者合并，因为无论是还是，都是为了求当地纬度与太阳直射纬度之差，不会是负的，因此都等于它的绝对值，所以正午太阳高度角计算公式： 【6】 （3-5）根据太阳高度角的计算，确定太阳能集热装置的俯仰角，可以预设太阳能集热装置的运动轨迹，这种方式最大的缺点就是不能精确追踪太阳，不能随环境的变化而变化。3.1.2光电轨迹追踪光电追踪是使用光电传感器作为探测组件，实时探测太阳位置并将信号送达PLC、单片机等控制核心进行处理后来完成对太阳位置的探测和追踪。当太阳位置变化时，这些传感器组件会得到不同的输出结果，根据这样的变化情况就可以知道太阳的变化情况或者知道太阳具体的偏差位置。一些太阳能追踪系统直接使用太阳能接收器作为传感组件，比如太阳能电池板。这类追踪系统的工作原理是先给定一个方向让转动轴转动，如果太阳能电池板上的输出增高，说明太阳在这这个方向上，则相应电机继续转动下去；反之如果输出降低，说明太阳在相反方向，则控制相应电机反转。这类系统简单，但是稳定性差、追踪精度低、追踪回应慢。其它的追踪系统一般采用单独的光电传感器来检测太阳位置，这些传感器采用不同的光感组件，有光电二极管、光电三极管、光电池、光敏电阻等。【7】光电追踪方式的优点很多，在国内外受到高度的关注。一方面，这种追踪方式属于死循环控制方式，可以时刻检测太阳位置，对系统的初始安装精度要求较低，不会受到累积误差的影响；【8】 另一方面，这种传感器信号少，运算简单。光电追踪方式也存在着致命的缺点，就是追踪的稳定性问题。这种回馈式的工作方式较容易受到干扰光的影响，并且受天气的影响也较大，如何克服这样的问题就成为了国内外学者研究较多的领域。传感器的性能对追踪系统的影响较大，如何设计一个即能准确和精确反应太阳位置又能克服干扰的太阳位置光电传感器就成为一个关键问题【9】。3.1.3追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9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。3.2机械传动方案论证目前国内外普遍使用的机械传动机构主要有两种，一种是单轴追踪机构，另外一种是双轴追踪机构。单轴追踪结构简单，相较于固定不动的太阳能接受器件而言，能够一定程度上的提高系统接收光能效率，但是效果并不理想。为了完成精确追踪，必须使用两个电机分别在东西水平方向和太阳高度俯仰角两个不同方向上同时动作，即双轴追踪方式。【10】本系统采用双轴追踪方式追踪太阳，分为东西水平方向和俯仰角控制，水平方向最大限位角度为180度，俯仰角度最大90度，在一天当中，机械系统要随时跟着太阳转动，这就要求系统的速度要慢。水平方向上如果采用1:1的齿轮传动，那么电机只能转半圈，装置就转180度，这样相对难控制且精度不高。本系统电机和机械装置之间的配合采用涡轮蜗杆传动，传动比30:1，这样电机转30圈，装置才转1圈，这样保证了整个系统的精度。俯仰角度的控制是通过伺服电机来调整，同样要求低速，采用同样的方法，用涡轮蜗杆减速器，减速比30:1。由于伺服电机本身非常精确，在传动机构上采用同步带轮，使用同步带轮可以减少在传动过程中的误差。3.3控制器论证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。3.4操作界面论证在传统工业控制和生产社会实践当中用于控制的主要是按钮元件，按钮元件控制有很多优越性，但是占用一定的空间。GOT即图形操作终端，用GOT操作比较传统的低压电器输入而言，触摸屏操作简单方便，可以有很多画面组成，一个画面又可以有很多按钮，不仅节约了安装空间，而且又使整个系统美观。同时，GOT有很强的人机互动，可以监控控制系统的运行情况，减少控制电路的规模。本系统设计采用的三菱GOT1045 QSBD-C的图形操作终端。3.5 驱动控制方案论证由于太阳在东西水平方向上运行轨迹的速度与季节、地点有较大关系，因此系统在水平方向应能实现无极调速，且转速不能随电压和负载的变化而变化，只能通过改变频率来改变电机的转速，本系统采用三菱FR-A7NC变频器。垂直方向控制采用三菱MRJ3-10A伺服放大器。3.6 驱动电机论证东西水平方向上，机械系统的基本要求是能够随太阳东升西落的过程转动180度，此过程历经大约10小时，这一过程就必须要求电机能够低速运行，同步电机的转速n=60f/p(f:电源频率p:磁极对数)，磁极对数一般不能变动，本文选用小型90TYD-L三相低速同步电机。垂直方向上不但要求电机能低速运行，还希望能进行相对精确的位置控制，因此系统选择三菱KP-13型伺服电机。3.7 本章小结本章对太阳能电池组件辐照追踪控制系统的方案进行了论证，经过论证最终确定光电追踪、PLC控制、水平、垂直方向伺服放大器驱动伺服电机的方案。第四章 自动跟踪控制系统硬件设计4.1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】4.1.1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4-1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 4-1 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 4-2 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4-3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4-3 传感器的安装图4-4 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4-6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.4.2.1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。4.2.2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4-7 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X074.3 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。4.4 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。 4.4.1 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。 4.5 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4-2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4-2 I/O接口分配4.6 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4-8 主接线图图4-9 PLC接线图23第五章 系统软件设计5.1 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。5.1.1 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。5.1.2 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5-1所示界面。图5-1 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。5.2 系统程序设计5.2.1 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，语句表，这些都为程序的阅读提供了不同形式的方法，适合电气方面的工程人员阅读，也适合电子方面的工程人员进行参考使用。结论本文主要完成以下几点
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