【《基于PLC的太阳能跟踪控制系统的设计》12000字（论文）】

基于PLC的太阳能跟踪控制系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u18616基于PLC的太阳能跟踪控制系统的设计 130473摘要 28621绪论 237661.1选题背景 2146131.2课题研究背景及意义 3318611.3国内外研究现状 4132611.4主要研究内容 4283032太阳能跟踪控制系统方案分析 6113552.1太阳能跟踪控制系统的基本构成 6141882.2太阳跟踪的常用方法 6237562.2.1光电跟踪 774582.2.2视日运动轨迹跟踪 8323022.3线性菲涅尔光热发电技术 968012.4需求分析 9219543太阳能跟踪控制系统的硬件设计 11179983.1光电检测 11216933.2步进电机及其驱动器 11301833.3主控单元 1499773.4触摸屏 16103094太阳能跟踪控制系统的软件实现 19123594.1程序整体功能设计 19225924.2数据采集及处理 20136374.3PLC控制步进电机 2083464.4报警及复位 2150874.5人机交互 2394644.6系统测试 2320711结论 23摘要在当今社会，随着我国技术和经济的高速发展，对生物质能源的大量消耗加重了生态环境的污染，形成了酸雨、雾霾以及全球气候变暖等问题，对公民生产生活等方面产生严重影响，与人类的可持续发展相悖。在可持续发展的前提下，我国开始开发利用可再生清洁能源，如太阳能、风能、水能等。其中风能、水能等对地域及气候有严格要求，在生产过程中还伴有噪声污染以及设备造价高等问题，而太阳能资源不受气候、地域的限制，在偏远地区、海岛、沙漠和发展相对落后的农村山区等地，只要有太阳辐射的地域就能开发利用太阳能资源。其中太阳能热发电就是将太阳辐射能转换为热能，再通过各种动力装置转换为电能，太阳能跟踪装置就是最大限度的利用太阳辐射能，提高太阳能的利用率。通过分析太阳能跟踪控制系统所需实现的功能，提出了本系统的设计方案,旨在最大限度的获取太阳辐射能。本跟踪控制系统对太阳能进行东西向单轴跟踪，在晴天时，当太阳光光强大于参照值时，利用光敏电阻光强比较法检测太阳光光强，比较东西两侧太阳光光强，其比较信号经PLC处理后将其角度差转换为脉冲数，驱动步进电机转动实时跟踪太阳，在阴天及日落后，停止对太阳的跟踪，将太阳能镜场复位，使镜场回到初始位置，触摸屏与PLC通过以太网连接通信，利用触摸屏NB-Designer软件进行系统人机交互界面仿真设计。在设计过程中需合理选择各部分硬件型号，并结合软件对硬件进行调试，以完成对太阳的实时跟踪，提高太阳能的利用率。通过理论分析，本文设计的太阳能跟踪控制系统能够满足预期要求，实现太阳能自动跟踪，提高太阳能热发电的效率，与固定式跟踪相比，发电效率提高了40%左右。其跟踪控制系统的设备结构简单，成本低廉，有很好的应用价值。关键词：太阳能；PLC;步进电机；触摸屏；跟踪控制1绪论1.1选题背景不论在任何时间，人类的进步对能源的利用都是必不可少的。伴随着我国经济和国民生活质量的提升，对于能源的需求量也逐步增涨，而能源的过度开采与可持续发展观念相悖，考虑到人类的可持续发展，为了更好的利用资源，人们将目标投入到可再生的清洁能源中，如太阳能，风能，水能，核能等REF_Ref72271205\r\h[1]。考虑到设备造价及在生产过程中的环境污染等问题，将主要目标集中在太阳能的发展，因其太阳能资源丰富，随处可见，利用率高且永不枯竭等特点，作为可再生能源符合人类可持续发展的理念，能够有效改善全球气候变暖及化石能源枯竭的问题REF_Ref72271222\r\h[2]。太阳能资源的存储量巨大，能被广泛利用，在解决偏远地区及因地势条件无法供电的地区，太阳能资源有着显著优势。在我国，领土面积广阔，地理位置差异大，太阳能资源东西部、南北方相比较后，呈现出西部及北方的太阳辐射能更优REF_Ref72271232\r\h[3]。其中对太阳能的利用主要有太阳能光伏发电和太阳能光热发电两种类型。太阳能光伏发电是利用太阳能光伏板直接将太阳辐射能转换为电能，但因太阳能光伏板是由晶体硅组成的，造价高且生产中会造成环境污染。太阳能光热发电是利用聚光集热器将太阳辐射能收集转换为热能，再通过驱动装置，驱动汽轮机转动，最终将热能转化为电能，为负载供电REF_Ref72271239\r\h[4]。1.2课题研究背景及意义随着化石燃料的大量利用，出现了能源和环境问题。化石能源是不可再生能源，它的形成过程缓慢，动植物残骸经过数万年的演变，才能形成化石能源，且随着经济的发展能源的利用将大幅度增加，就人类社会可持续发展而言，寻找替代能源势不可挡。在过去的发展中，化石能源的燃烧对人类社会产生了不可逆转的影响，生态环境被破环，水土流失、环境恶化等问题严重影响着人类的生产生活，为了改善环境我们必须开发清洁能源。在文明进步的过程中，除化石能源外，还开发利用了水能、风能、潮汐能、地热能和太阳能等资源。这些可再生能源在发电过程中不会有三废的产生，对改善气候环境方面有显著效果。太阳能资源一直被人类直接或间接的使用，储量丰富，但由于地球与太阳相距太远以及地球大气层等因素的影响，实际辐射到地表的能量不足总辐射能的万分之一，尽管如此，若能将地表的太阳辐射能加以利用，其发电效益仍十分可观。因此如何最大效率的利用太阳辐射能将成为未来社会的重大研究课题。据研究表明，太阳每秒放射的能量约为3.8×1020MW,而辐射到地表的能量仅仅只有1.7×1014MW，地表照射84分钟所吸收的太阳辐射能就能够供给世界全年的能量需求。太阳能资源存在于世界各地，能够被广泛利用，因地理环境因素，在一些电力无法到达的区域，可通过太阳能为地方供电，解决了电力需求问题，节省了人力、物力。从人类可持续发展方面考虑，太阳能资源较化石资源优势十分显著，且随着太阳能发电技术的发展，证明太阳能发电是可行的，有很大的发展空间，必将在未来能源结构中占据主导地位。太阳能跟踪是使聚光系统实时跟踪太阳,确保太阳入射光线垂直照射在光线采集面上,最大程度的利用太阳辐射能。研究表明,采用跟踪比非跟踪系统收集到的太阳辐射能高37.7%,即太阳能跟踪系统具有研究意义,但是由于太阳时刻运动,还有气候等影响，对太阳的实时精确跟踪是研究的重点所在。1.3国内外研究现状从能源危机至今，太阳能的利用逐渐被人们重视起来。在上世纪中后期，自从能源危机过后，石油价格回落，太阳能的发展又进入低迷期，对于经济的快速发展而言，化石能源的利用技术更为成熟，因此被广受青睐，成为经济发展的主要能源支柱。但随着社会几十年的发展，环境污染对生产生活的影响逐渐显现，严重制约人类的生存进步，因此可再生清洁能源太阳能的利用再次被重视起来。20世纪曾被誉为太阳能热电发电厂之父的意大利数学家GiovanniFrancia发明了世界上第一套线性菲涅尔反射式太阳能热发电系统，弗兰西亚证明了该系统能够将太阳辐射能通过液体作为介质转换为热能存储起来REF_Ref72271257\r\h[5]。在1973年，石油危机时期，各发电公司对此技术进行了进一步发展研究，但在经历了20年后，此技术才有了相对的发展。太阳能跟踪有单轴和双轴两种跟踪方式，在20世纪末，用于东西向单轴跟踪的太阳能跟踪装置被研究出来，其太阳能跟踪效率提高了15%左右，但整个系统的太阳高度角的跟踪需要人为手动调节。在21世纪初，能够自西向东跟踪太阳方位角的单轴太阳能跟踪装置被成功制造，其光照采集板利用的是光伏电池板的光生伏特效应将太阳辐射能转换为电能。随后，用于检测太阳光照强度的太阳能位置传感器的感光元件种类也日益增多，出现了光敏电阻、光敏二极管、硅光电池等多种元件。双轴跟踪也被逐渐开发研究出，研究表明，系统感光面的性能优于单轴跟踪，收集到的太阳辐射能与固定式跟踪相比提高了40%左右。2005年，德国的太阳能总发电量达到50MW,并且通过出口电能获得钱财，补充建造成本，以此获得利润。2006年，基于最大功率点的太阳能光伏发电跟踪控制系统被提出。2011年，意大利某公司设计的太阳能双轴跟踪系统的太阳能光伏电站成功运营。在太阳能双轴跟踪的应用上，美国、日本、欧洲等国家研究技术居于世界前列REF_Ref72271264\r\h[6]。线性菲涅尔光热发电技术（简称LFR技术）是依靠光学镜组成的反射阵列，将太阳光反射到复合抛物面聚光器CPC内，经过复合抛物面的二次反射聚焦在CPC焦点的吸热器上，加热导热油REF_Ref72271273\r\h[7]。1.4主要研究内容本文的主要工作有以下几个方面的内容：1、分析了发展太阳能的目的以及太阳能发电与传统化石能源发电的优缺点，掌握当前太阳能发电技术和太阳能跟踪技术的发展情况，设计出一种基于PLC和触摸屏的太阳能光场跟踪控制系统的设计方案。2、介绍太阳能跟踪控制系统的基本构成，跟踪太阳的常用方法，比较各种太阳跟踪方式的优缺点；通过步进电机实现镜场对太阳的跟踪。3、本跟踪控制系统由光电检测、PLC控制器、步进电机和触摸屏四部分构成。选用了PLC作为系统的主控单元，根据其跟踪控制系统输入输出需求确定各部分模块组成及硬件选型。4、进行太阳能跟踪控制系统光电检测模块的设计,根据光敏电阻光强比较法确定光线采集板东西两侧太阳光光照强度的大小，进行数据采集及处理。5、步进电机及其驱动器是太阳能跟踪控制系统的动力执行机构，在提高机械精度和传动效率的前提下，选择合适的型号，控制太阳能集热器跟踪太阳。6、触摸屏是对系统实时情况的监测，与PLC进行数据通信。了解其工作原理，掌握人机交互界面的仿真设计。7、在硬件设计的基础上，针对控制功能的设计要求进行相应软件设计，实现对太阳能的跟踪控制，分析与固定式跟踪相比有何优缺点，有无设计意义。2太阳能跟踪控制系统方案分析2.1太阳能跟踪控制系统的基本构成太阳能跟踪控制系统是能实时跟踪太阳，为提高太阳能利用率而提出的设计方案，它的原理是通过集热器采集太阳辐射能，通过接收器加热流体工质，直接或间接产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机转动，带动发电机发电。太阳能跟踪系统最重要的部分是控制和跟踪，控制部分的作用是将太阳的实时位置直接或间接输出给动力装置，跟踪部分则是将控制部分输出的信号通过分析、处理后驱动太阳集热器转动，使光线采集面始终与太阳入射光线垂直，提高太阳利用率。太阳能跟踪控制系统根据其聚光形式的不同，可划分为槽式、碟式、塔式、线性菲涅尔四类，根据聚光器的转轴个数可分为两类，单轴跟踪和双轴跟踪。两轴跟踪是根据太阳高度角和赤纬角的变化情况而设计的，它要求入射角与主光轴方向一致，以便获得更多的太阳能，但设备结构复杂，制造和维修成本高。单轴跟踪只要求满足入射光线位于含有主光轴和焦线的平面上，结构简单但跟踪准确度不高。其中槽式和线性菲涅尔采用单轴跟踪，塔式和碟式采用双轴跟踪。太阳能跟踪控制系统从整体结构上又可以划分为光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪，即主动跟踪和被动跟踪。被动跟踪没有电机或电子控制设备，只是根据一些忆合金的位置记忆特点进行控制，它的跟踪精度低，会有累积误差。主动跟踪根据有无控制器又可分为两类，无控制器的主动跟踪其跟踪控制系统是完全由电子电路构成，设备结构复杂，跟踪精度低，功能单一，逐渐被淘汰。而含有PLC、单片机等控制器的主动跟踪，控制功能强大、应用方便逐渐成为跟踪控制系统的主流。主动跟踪根据其控制方式的不同又可分为闭环控制、开环控制和混合控制三种。闭环控制是将太阳位置传感器采集到的数据，传输到控制器中，进行数据处理，将偏差信号反馈给动力执行装置，控制镜面转动跟踪太阳，结构简单、易受天气影响。开环控制是指不需要太阳位置传感器采集光强信号，只需要根据视日运动轨迹，确定太阳高度角和方位角，控制镜面转动。以前的开环控制是通过控制镜面一定时间转过固定角度来进行的，跟踪精度低，适用范围少。而现在的开环控制是根据太阳位置的算法判断当地太阳的高度角和方位角，再通过相关程序进行控制，提高了系统跟踪精度。混合控制是结合了开环控制和闭环控制的优点设计的，开环跟踪，闭环纠错，有效提高了跟踪控制的精度。2.2太阳跟踪的常用方法跟踪太阳的方法有光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。根据视日运动轨迹跟踪可以分为双轴跟踪和单轴跟踪。2.2.1光电跟踪对太阳光的跟踪主要目的是使太阳入射光线垂直照射到光场集热器上，能够使太阳能的利用效率达到最优。太阳能跟踪控制系统的光电跟踪是通过太阳光线入射角度的改变，控制动力执行机构转动。当光敏元件检测到太阳光照强度时，将光信号通过运算放大电路、滤波电路及模数转换后，对两个电信号进行分析处理，反馈给动力执行机构，判断太阳光是否垂直照射在太阳集热器上，当太阳入射光发生偏转时，控制动力执行机构转动，调整光线采集面的位置。此种控制方式为闭环控制，整个系统跟踪精度高，但容易受外界环境因素的影响，在阴雨天、沙尘等恶劣情况下，跟踪系统受到严重制约，使得跟踪效果达不到理想状态，所以在实际应用中需与其他跟踪模式相配合使用。光电跟踪有三种不同的检测方式，分别为隔板式光电跟踪、金字塔式光电跟踪和光筒式光电跟踪。隔板式光电跟踪是将一垂直挡板插在底部的光强采集板上，正常工作时，当太阳光垂直照射时，挡板两侧的感光元件接收到的光信号相同，当太阳倾斜照射时，因为挡板的作用，左右两侧感光元件接收到的感光信号不同，若太阳左偏，则当太阳照射时，太阳光主要照射在左侧，右侧光线被挡板遮挡，无法照射在右侧感光元件上，所以左侧的感光信号大于右侧，判定太阳左偏，将感光差值转换成电信号差，控制动力执行机构调整反射镜面转动。此种检测方式主要特点是设备结构简单、容易操作、价钱便宜，但由于其结构特性易受微弱光线干扰，影响系统的跟踪精度。金字塔式光电跟踪外形是模仿金字塔创造的，工作原理与隔板式光电跟踪有相似之处。正常工作时，当太阳光垂直照射时，四面体前、后、左、右四面接收到的太阳辐射量是相同的，当太阳入射光线偏移时，因为余弦效应会使各面感光元件的入射角会发生改变，若光线左移则左侧感光元件的入射角会减小，电流也随之增大，而右侧感光元件的入射角会增大，电流也随之减小。通过电流差控制动力执行机构的转动。这种光电跟踪检测方式也容易受杂光的干扰，影响跟踪精度。光筒式光电跟踪是在底面固定放置四个感光元件，外围通过一圆柱形光筒包围，圆柱顶部开有一圆孔，正常工作时，太阳光垂直照射四个感光元件接收信号相同，太阳光偏移时，当光线照射在在圆筒上时，会在感光元件上形成光斑，光斑的面积不同则对应的电压信号不同，通过计算偏差值控制动力执行机构动作REF_Ref72271285\r\h[8]。此种光电跟踪被大量应用，它解决了前两种检测方式易受杂光干扰的问题，且工作效率有显著提高。它的工作原理是太阳光照射在圆筒上时，通过凸透镜会在光敏元件上形成映像，从而产生不同的光斑，在光强采集板四个区域形成的光斑面积，使得光敏元件的输出电流值发生偏差，进而控制动力装置跟踪太阳。光斑在四个区域的面积计为S1、S2、S3、S4,与之相对应的电流为I1、I2、I3、I4,通过运算放大器形成的电压为U1、U2、U3、U4，当太阳光对探测器垂直照射时，光斑中心与探测器中心位于同一位置，当太阳光倾斜照射时，光斑中心与探测器中心位置发生偏差，即两者在水平方向上产生一个角度，记为α，在垂直方向上产生一个角度记为β。通过控制使得α、β为零时，则说明太阳光再次垂直照射到光敏元件上。Uα表示太阳光线在光斑中心和探测器中心水平方向上的角度偏移量，Uβ表示太阳光线在光斑中心和探测器中心垂直方向上的角度偏移量，则表示为Uα光斑的自身功率会对Uα、Uβ造成影响，应尽量减小，需对其进行进一步处理，去除光斑自身功率影响后得到的信号记为Eα、Eβ,表示为EE将计算得出的偏移量Eα、Eβ传输给控制器，用于驱动动力装置转动，使得反射镜面实时跟踪太阳运动。2.2.2视日运动轨迹跟踪地球在自转的同时还进行着公转，要对太阳进行视日运动轨迹的跟踪，首先需了解其运行轨迹。通过对太阳高度角和方位角相关公式的分析研究，可以得出当某地的经纬度和时间确定时，可以通过计算得出太阳高度角和方位角的确切结果REF_Ref72271294\r\h[9]REF_Ref72271301\r\h[10]。视日运动轨迹跟踪就是通过一系列的太阳位置算法，计算出某地任意时刻的太阳高度角和方位角，与镜场目前所在位置进行比较，算出两者之间的角度差，驱动动力执行装置控制镜场转动。因为地球自转和公转的作用，在此种跟踪方式下会存在累积误差。视日运动轨迹跟踪可分为单轴和双轴跟踪，单轴是跟踪太阳方位角，双轴则同时跟踪太阳高度角和方位角。视日运动轨迹跟踪的优点是跟踪精度高，系统不易受环境等因素的影响；缺点是系统复杂，因太阳高度角和方位角的确定需要根据镜场实际位置的经纬度和具体时间确定，所以对不同的地区需重新设置经纬度数据。2.3线性菲涅尔光热发电技术线性菲涅尔光热发电技术是利用二次反射原理，首先利用平面反射镜将太阳入射光线汇集于集热器中，再通过复合抛物面的二次反射，将光线汇聚于吸热器中，加热工质水，产生高温高压水蒸汽，最终驱动发电机发电。本设计系统对线性菲涅尔聚光系统的跟踪控制是闭环单轴跟踪控制系统。图1线性菲涅尔光热电站2.4需求分析本跟踪控制系统的设计是基于PLC和触摸屏设计的一种太阳能光场跟踪控制系统的设计，使得跟踪控制系统能够满足跟踪装置稳定可靠、抗干扰性能好和跟踪精度高等特点，跟踪控制系统所需实现的功能有：1、两个光敏电阻接收光信号，通过光敏电阻光强比较法确定反射镜镜面左右两侧太阳光照强度的大小，确定太阳光线照射在镜面时的偏转方向。2、将采集到的模拟量传输到PLC中，在PLC内部对两个模拟电压信号S1、S2进行分析处理，根据两信号的偏移差确定电机的旋转角度，两信号相比较，大于时控制电机正转，小于时控制电机反转，等于时则电机不动作，使得太阳入射光线能够垂直照射在镜面。3、PLC驱动步进电机转动，使镜场实时跟踪太阳，步进电机需要专用步进驱动器才能动作，PLC与步进电机驱动器之间采用共阴极接法。4、当光强传感器在晴天采集不到光信号时，则说明反射镜面距初始位置转过角度超过180°，即反射镜面此时背对太阳，需对系统设计报警程序。5、到日落时无太阳光照，系统应停止跟踪，返回保护位置，使系统待机。6、PLC有四个输入按钮SB1、SB2、SB3、SB4，SB1控制跟踪系统在自动还是手动模式下运行；SB2、SB3分别手动控制电机的正反转；SB4为停止跟踪按钮。7、触摸屏与PLC通过Ethernet通信，利用NB-Designer软件设计人机交互界面。3太阳能跟踪控制系统的硬件设计本设计系统由光电检测模块、主控单元、步进电机和触摸屏四部分组成。总体结构图如图2所示。光电检测光电检测PLC步进电机驱动器

步进电机触摸屏图2系统硬件总体结构图3.1光电检测本跟踪控制系统是通过光敏元件光敏电阻组成的光强传感器对太阳进行实时跟踪REF_Ref72271317\r\h[11]。在光强采集板左右两侧各放置一个光敏电阻，用于检测光照强度，当太阳光线垂直照射到光强采集板上时，两个光敏电阻接收到的光照强度是相等的，即两个光敏电阻阻值相等，当太阳光线偏移时，两个光敏电阻接收到的光照强度不等，光照强度大的光敏电阻阻值减小，光照强度小的阻值则增大REF_Ref72271324\r\h[12]。光敏传感器的作用是将光信号转换为电信号，它的工作原理是根据光电效应，而光电效应又可划分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应的光敏元件有光电管和光电倍增管等，它是一种外发射现象，通过光的照射使电子逸出物体表面。内光电效应则是通过入射的光照强度的变化改变了物体的导电率，它主要用于光电控制中，相关的传感器有光敏电阻、光电二极管和光电三极管等。3.2步进电机及其驱动器动力执行装置是整个控制系统最为重要的环节。为满足控制精度高，方便调节等特点，选用了步进电机作为其动力执行机构，其中步进电机需配置专用的步进电机驱动器才能够正常工作。步进电机的工作原理是通过控制器传输的电脉冲信号实现步进电机的转动，其中脉冲信号改变步进电机的角位移，脉冲数与角位移量成正比。它的控制方式简单，只需要控制输入步进电机的脉冲个数就能够控制转子转动角度，一个脉冲对应的固定转角称为步距角，一般情况下步距角角度为0.9度至1.8度。步进电机的分类根据励磁方式有三种类型。反应式的整体结构较为简单，软磁材料作为电机转子材料，一般为三相，步距角为1.5度，可实现大转矩输出，但噪声和振动问题较严重；永磁式的转子材料为永磁材料，输出转矩大，一般为两相，步距角为7.5度或15度；混合式则结合了反应式和永磁式的优点而制造的。本系统步进电机选用了两相四线制步进电机，且配置了相应的驱动装置，步进电机和步进电机驱动器选用的型号为42BYG250-40步进电机和ZD-6209-V2步进驱动器。有关步进电机的技术数据如表1所示。表1步进电机相关数据电机型号42BYG250-40步距角（°）1.8机身长L(mm)40电压（V）12电流（A）0.4电阻（Ω）30电感（mH）32静转矩（nm）0.33轴长L(mm)22轴径M5引线数（NO.）4重量（kg）0.20ZD-6209-V2驱动器有DC电源端口，脉冲、方向、脱机输入端口和电机相线输出端口，还可进行细分设置、衰减设置和电流设置。具体设置参照图3和表2所示。图3步进驱动器实物图表2步进驱动器ZD-6209-V2的工作条件项目最小额定最大单位环境温度-30-80℃输入电压（DV）82432V输入频率0-16000Hz输出电流0.3-1.5A控制接口电压H4.555.5VL000.5V步进驱动器的工作过程是在其输入端接收脉冲信号，在驱动器内部进行信号分配和功率放大后，输出端子接至步进电机，进行驱动。步进电机驱动器接收PLC发出的脉冲信号，PLC与步进电机驱动器采用共阴极接法，如图4所示。图4驱动器端子接线图3.3主控单元在早期的自动化控制中，采用的是继电-接触器控制，但因其体积庞大，耗电量高，等缺点慢慢地被人们淘汰，开发出了更为简单方便的PLC控制系统，它的软硬件设计较为简单，体积、耗电量等方面都有所改善，大大的方便了电气控制设计人员的操作。并且它可以通过计算机进行数据的传输及监控，能实时监控设备运行状态，当出现故障时能及时传输给操作运行人员进行检修，它相比较继电-接触器控制的优点在于修改电路时不必对电路元件的连接进行修改，只需修改输入输出信号及PLC控制程序，就能对系统功能进行修改，减少了工作量。继电-接触器控制系统中使用了大量的继电器元件，这些元件的通断都是由其触点的通断来决定的，触点的开通和闭合会产生电弧，因此元件的频繁通断会烧毁触点，从而影响元件使用寿命。继电-接触器控制系统中是通过继电器控制各部分电路的通断，而PLC控制系统是通过每个“软继电器”进行控制的，控制方式更为简单，应用广泛。本跟踪控制系统采用的PLC是欧姆龙公司制造的CP1H型PLC,具体型号为CP1H-XA40DT-D，采用晶体管输出，具有上位通信功能，NTLINK功能，MODBUS-RTU功能，内置模拟量I/O功能，高速计数器功能和脉冲输出功能；PLC电源供电是DC24V,输入端口DC24V,输出DC24V，输入输出端口共有40点，可通过CP系列扩展端口，最高可达320点；有4轴100kHz的高速计数器输入和4轴100kHz的脉冲输出；程序容量为20K步；有一个Ethernet端口；有两个选件板插槽，可插入三种选件板实现与上位机的通信，分别为RS-232选件板、RS-422A/485选件板和LCD选件板。其中PLC各输入输出端口如表3所示。表3输入输出端口分配表输入信号输出信号地址功能地址功能I0.0手动跟踪按钮Q100.00输出脉冲数I0.1正转启动按钮Q100.01输出脉冲方向I0.2反转启动按钮I0.3停止跟踪按钮PLC通过RS-232串口与CX-Programmer连接，在CX-Programmer软件中首先需新建文件，选择PLC对应型号，具体界面如图5所示。图5PLC设定窗口具体程序编程界面如图6所示。图6PLC程序编程界面3.4触摸屏NB系列触摸屏的组态和开发监控画面通过NB-Designer软件设计，本跟踪控制系统的触摸屏采用欧姆龙公司制造的NB系列触摸屏，具体型号为NB7W-TW01B，通过以太网与PLC相连，实现人机交互界面的仿真设计，其连接示意图如图7所示。NB7W-TW01B触摸屏画面尺寸为7寸，外形尺寸为148×202×46mm，有800×480像素点的真彩TFTLCD,配备USB主站和Ethernet功能，含有LED背光，当在常温25℃的条件下，可以运行50000小时，其中触摸屏材料选用了模拟电阻薄膜，屏幕分辨率为1024×1024，可进行100万次的触摸操作，重量在715g之下，工作环境温度为0～50℃。图7触摸屏与PLC连接示意图触摸屏软件编程界面中含有元件库窗口、编译信息窗口、工程文件窗口和工程结构窗口。元件库窗口分为六类，包含通讯连接、HMI、PLC、PLC元件、功能元件和工程数据库。其中通讯连接有串口连接和以太网连接两种方式，在编程界面选择相应的PLC和触摸屏型号后，两者通过以太网连接，对网络设备进行配置，HMI根据PLC型号选择相关通信协议，本设计PLC选用欧姆龙CP系列，具体界面如图8所示。图8以太网连接网络配置界面工程结构窗口中显示的是实际所选择的HMI和PLC,单击工程结构窗口中的HIM0,即可对HMI进行修改，其中HMI有9个默认窗口，一般在设计中不使用，需添加新的组态窗口，设计所需的人机交互界面。在相应的组态窗口中双击可在弹出窗口中对窗口属性进行修改，比如窗口位置、边框和背景填充效果等，如图9所示。图9窗口属性设置界面在本设计系统中主要用到的PLC元件有位状态设定、位状态指示灯、报警显示、数值显示、数值输入和事件显示等，功能元件中使用功能键和位图等。4太阳能跟踪控制系统的软件实现4.1程序整体功能设计在该控制系统中，PLC需要完成数据采集、数据处理、驱动步进电机和数据通信等功能。系统设计思想是跟踪控制系统有两种跟踪模式分别是手动跟踪模式和自动跟踪模式，首先检测系统是否在自动跟踪模式下，若是则通过光强传感器收集左右两侧太阳光照强度，通过CP1H-XA40DT-D的内置模拟量输入端口，将两个信号输入PLC中进行比较处理，当任一信号的值大于规定光照强度时，则进行太阳跟踪，比较两者的差值是否大于规定值，若是则控制步进电机转动，转动角度为15度，左大于右时，控制步进电机正转，否则控制步进电机反转，最后当检测到两输入信号都为0时，则说明此时无光照，跟踪控制系统处于夜晚状态下，将反射镜场复位，使系统待定，在白天时再进行跟踪。其中系统整体流程图如图10所示。图10系统整体流程图本跟踪控制系统采用了主程序与子程序相配合的方法，考虑到了系统失灵等现象的发生，为提高系统运行稳定性而提出的主程序和子程序相配合的设计。其中主程序包含了三部分，分别为跟踪子程序、报警子程序和复位子程序。跟踪子程序是当太阳光强在适合跟踪的范围时，对太阳进行跟踪，以提高太阳利用率；报警子程序是为提高系统的跟踪精度而设计的，考虑到了当系统出错时，镜场背对太阳的情况；复位子程序是为太阳次日的跟踪而服务，以及夜间对镜场的保护。4.2数据采集及处理PLC控制步进电机应主要从输入信号、脉冲输出个数、旋转方向和运动距离四方面进行考虑。PLC的输入信号经分析处理后确定系统需转动的距离及方向，PLC的输出脉冲数则直接控制步进电机的旋转角度。本设计的太阳能跟踪控制系统主要有两种运行模式，即自动跟踪和手动跟踪。在进行跟踪控制之前首先需要对太阳光信号进行采集，因为系统采用的是单轴跟踪，只需对太阳方位角进行跟踪，所以在反射镜面安装一光强传感器，用于检测左右两个区域的光强信号，将两个信号通过欧姆龙PLC的CP1H-XA40DT-D的内置模拟量输入端口进行传输，通过CX-Programmer软件对PLC的内建AD端口进行设定，其中内置模拟量分辨率设为6000，选用AD0CH通道和AD1CH通道，进行模拟电压信号输入，电压范围为0-10V。对采集的数据进行换算将结果保存到PLC存储器中，通过PLC内部的数据分析及处理，确定太阳光线与垂直位置的偏移量，控制步进电机的正反转，以实时跟踪太阳，最大限度的获取太阳辐射能。其中