【一种太阳能热水器智能控制器设计18000字（论文）】

-PAGEIV-一种太阳能热水器智能控制器设计摘要在我国热水是生活中必不可少的资源。因此，国家正积极推广可再生能源来代替电能，火能等有限资源在制造热水的过程中起到的能源的作用。其中太阳能热水器是我国目前最为完善和使用最为广泛的节能设备。我国国土辽阔，各地气候不一，因此所需的热水资源量也不一样。如果依靠单一的太阳辐射来提供太阳能作为热水器的能源，很难满足北方人民的热水需求。传统的太阳能热水器是根据所在地理位置以及当地气候将其放置在向阳的一面，且位置一经选择就不再移动，虽然能起到吸收太阳能的作用，但吸收量有限，长久以往。太阳能热水器上表面会积攒大量灰尘从而影响太阳辐射，造成了不必要的能量损失。针对上述所说的不足之处，我设计了一款太阳能热水器智能控制器。目录摘要 I1引言 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国内研究现状 11.2.2国外研究现状 22太阳能热水器系统的选择及类型 42.1太阳能集热器的选择 42.1.1平板型太阳能集热器 42.1.2真空管太阳能集热器 42.1.3热管式真空管集热器 52.2太阳能热水系统的类型 62.2.1自然循环热水系统 62.2.2强制循环太阳能热水系统 62.2.3直流太阳能热水系统 73太阳能集热板自动追日设计方案 93.1自动跟踪太阳方位设计 93.1.1自动追踪设计 93.1.2光强检测设计 103.2光电跟踪的设计 113.2.1准确追踪太阳位置 113.2.2光电跟踪控制过程 123.3追踪太阳运动路径 133.3.1赤道和水平坐标 133.3.2太阳角的计算 143.3.3太阳运动轨迹跟踪过程 153.4同时采用光电和太阳运动轨迹跟踪模式 153.5自动除尘装置 163.5.1工作原理 163.5.2设计方案 164自动追踪太阳系统的硬件设计 184.1在控制系统中硬件的设计 184.2机械追踪装置 194.3光强的检测电路 204.3.1检测光强装置 204.3.2光强检测与转换放大电路 214.4太阳位置检测装置与电路 224.4.1太阳位置检测装置 224.4.2太阳方位检测与转换放大电路 234.5风速检测部分 244.6模拟量扩展模块EM231 244.7西门子PLC模块 264.8电源部分 285自动追踪太阳系统软件设计 305.1自动追踪太阳系统的主程序 305.2自动追踪太阳系统的子程序 305.3收集数据子程序 325.4光电跟踪子程序构思 335.5太阳移动路径跟踪子程序设计 346系统实验与分析 366.1PLC程序和人机交互界面设计 366.1.1PLC的部分主程序图 366.1.2人机交互界面 387总结与展望 407.1总结 407.2展望 40参考文献 41-PAGE41-引言研究背景及意义热水器在我国应用广泛。随着经济和科技的发展，低碳生活已成为人们的共同需求。太阳能热水器以其无污染、低能源消耗的特征，更加满足目前社会环保要求的发展趋向，并且在我国北部地区获得了非常普遍的应用。太阳能热水器设备，运用了太阳射线辐射的总热量，充分全面地吸收太阳光辐射的总热量，将热量传递到水箱中，使水温升高，满足北方居民生活热水的需求。太阳能热水器的发明和广泛应用，极大地改善了北方居民的生活，满足了北方区域人民大众的使用要求。为了减少降低煤炭与其他不可再生利用能源的运用，从而方便获取其中所需要的日常生活热量，我们应当高效、全面、大力地使用太阳光能。太阳能热水器的利用效率受不同地区、不同气候条件的影响，是目前太阳能热水器研究的重点和难点。在北方尘土飞扬、雨雪纷飞的日子里，不可能获取温度适中的热水。在这类实际状况下，太阳光能热水器设备的正常运用，需要除去灰尘和积雪，充分使用阳光，所以，太阳光能收集控制器设备的板，需要依据太阳光照位置的改变而改变，从而有效保障北方区域日常平时所需要的热水资源。总而言之，太阳能热水器设备的使用，是中国北方公民日常生活热水的重要来源。即使太阳能热水器设备的生产加工与使用专业技术，早已十分成熟稳定，但是截至当前，国内普遍应用的太阳能热水器设备都是固定安装的，不可以高效、全面、大力地使用阳光。所以，针对太阳光能热水器设备存在的各类问题不足，在本文中，笔者指出了太阳能热水器人工智能控制设备的深化设计。国内外研究现状国内研究现状二十世纪七八十年代，中国开始大力宣传推广使用太阳能，提倡高效、全面地使用太阳光能，与此同时，开始推广使用太阳能热水器设备。最开始时期，太阳能热水器设备的类型都是平板式与气密式，这不单单受到中国生产加工与研发专业技术的限制，并且受到工业制造加工产业的技术约束。一直到1987年，中国才在平板集热器的研发上取得重大突破，建立了全玻璃和热管真空管集热器产业。在之后的数十年时间中，中国的太阳能热水器设备产业得到了快速发展，太阳能热水器设备也持续更新换代。根据2005年的市场调研数据信息，太阳能热水器设备的年生产总量，最高达到了1500万平方米，2006年，年生产总量更是突破了1800万平方米。因为太阳能产业的迅速发展进步，太阳光能产业的固定资本生产总值早已超越200亿人民币。参考依据2013年的数据报告，我国太阳光能热水器设备的年生产总量早已实现近6400万平方米，是年产量最大的国家。2014-2015年太阳光能热水器设备总生产总量，呈逐步降低态势，如下示意图1-2所示。2016年的降低速率比之前任何时候都需要慢，生产加工运行工作整体上没有任何矛盾问题。这代表着中国太阳光能热水器设备产业进入到了一个全新的发展历史时期，“十三五”时期太阳光能热水器设备体系，将会不断大力宣传推广。图1-2二零零六至二零一六年太阳光能集热体系总生产总量国外研究现状太阳能的使用在全世界都很普遍。在一些国家，如中国和希腊，太阳能热水系统的主要用途是为洗浴和生活提供热水；在一些欧洲国家，太阳能热水系统也应用于建筑供暖行业。太阳能产品种类繁多，如真空管太阳能热水器、无盖太阳能热水器、平板太阳能热水器等，不同地区的产品分布也不尽相同。平板产品主要分布在欧洲、亚洲、美洲和大洋洲。在美国等一些国家，使用无盖太阳能热水器最多。过去几年，欧洲的太阳能电池市场每年增长18%，预计未来十年将达到20%。据欧洲太阳能研究所预测，到2020年，欧洲太阳能热水器面积将达到14亿立方米。在中国，大部分太阳能热水器产品是通过制造商、分销商和专卖店销售的。相反，在欧洲，外国制造商负责产品制造、品牌运营、工程安装和售后服务[3]。太阳能热水器系统的选择及类型太阳能集热器的选择太阳光能集热控制器设备，把吸收的太阳能转化为热能，再经过中间介质自动传递热量。太阳光能集热控制器设备是这个体系最为关键的是构成部分。参考依据集热控制器设备的组成构造与吸热方式，可以划分为真空管集热控制器设备、平板集热控制器设备与热管真空管集热控制器设备。平板型太阳能集热器根据示意图2-1知，平板集热控制器设备，通常是由隔热物质材料，排管，玻璃盖与吸热板等构成。MACROBUTTONAcceptAllChangesInDocAndStopTracking图2-1平板集热控制器设备组成构造示意图平板集热控制器设备的理论是：阳光直接照射在玻璃罩构件与吸热板构件上，开始大量吸收太阳辐射，使实际温度增高；因为传热中间介质附着在吸热板构件上，实际温度相对应增高，进而实现了太阳光能与热能的交换，将温度提高到板材收集器的热输出。随着温度升高，当吸热板吸收的热量以各种方式（如对流、传导和辐射）消散到环境中时，集热控制器设备里的少数热量将会消亡。真空管太阳能集热器针对平板太阳光能集热控制器设备的少数缺点不足，研发了真空管式太阳光能集热控制器设备。当吸热物质材料和透明盖板相互之间产生真空的时候，能够降低盖板和吸热体之间的对流和散热。参考依据这类理论，研发了真空管太阳光能集热控制器设备。真空管太阳光能集热控制器设备主要由空气集热器组成。有两种类型的真空管收集器：全玻璃收集器和金属接收器。全玻璃式的真空集热管，如下示意图2-2所示。图2-2全玻璃真空集热管组成构造示意图热管式真空管集热器如下示意图2-3所示，热管真空集热管通常都由七大部分构成，依次是：吸收图层，吸热版，铜热管，内、外玻璃管以及真空层等。参考依据作用功能不相同可以划分为：冷凝段与蒸发段。热管真空集热管的工作基本理论是：太阳光经过刚性玻璃管添加吸热板构件，吸热层将辐射转化为热量。热管里的吸热板构件吸收的总热量快速蒸发。伴随着工质蒸汽实际温度的逐步增高，工质蒸汽提高到冷却处理段。这个时候，集热控制器设备冷凝段的传热中间介质获取很多热量并且展开热转换。图2-3热管式真空管集热器结构图太阳能热水系统的类型太阳光能热水体系按照其组成结构特征，可以划分为强制周期循环体系、自然周期循环体系与直流式体系三种。自然循环热水系统如下示意图2-4所示，自然周期循环体系的工作基本理论是经过水箱和集热控制器设备之间的温差产生热转换来实现体系的水周期循环。图2-4自然周期循环热水体系原理示意图自然循环热水系统的工作原理是：集热器内的水受太阳照射后温度升高，密度降低，集热器内的水增加。当上部循环管缓慢流入水箱时，水箱顶部的水温会升高，但底部的水温仍然很低。由于水的低温和高密度，储水箱底部的水逐渐通过下部循环管进入集热器，这种循环使储水箱中的水在集热板中受热。一般来说，供水位于水箱顶部，因此居民首先使用较温暖的水。强制循环太阳能热水系统图2-5为强制式体系工作图，水提升泵作为水的周期循环原始推动力，安装设置在水箱和感应设备之间的传输管道里。与此同时，使用集热控制器设备的有用能量提升水温，加热处理之后的水在水箱里持续保存。图2-5强制式体系运行工作示意图温差控制由集热器出口和水箱底部水温之间的温差来调节。早晨太阳出来时，采集器内的水温因光照而升高，温度也越来越高。当集热器出口与储水箱底部温差达到预定值（一般为8~10℃）时，控制温差指令启动泵循环，系统开始工作。当集热器出口和水箱底部之间的温差达到预定值（通常为3至4℃）时，温差控制命令关闭泵循环，系统停止工作。直流太阳能热水系统如图2-6所示，直流太阳能热水系统的操作过程里，当水流过集热控制器设备，可以把水加热处理到一个前一组实际温度，之后，加热处理的水把流进水箱。通常用于在恒定温度下排放水，以达到系统运行时满足用户需求的热水温度。图2-6直流式系统示意图水管与集热器的进水管相连。集热器中的水被太阳辐射加热处理之后，实际温度逐步增高。集热控制器设备对外出口装有温度测量设备，集热控制器设备进口管装有电动控制阀。温度控制器设备应用温度测量设备元件测量确定对外出口实际温度，参考依据测量确定的对外出口实际温度调节约用电动控制阀的开度。电动控制阀与控制操作设备的工作完成水平，在一定程度上确定了体系的可行性。太阳能集热板自动追日设计方案本文主要研究热水器集热板可以根据太阳位置的变化而变化，让太阳能集热板充分吸收吸收太阳能光照，提高太阳能利用效率。但天气情况变化无常，本文的焦点所在是跟踪解决方案。自动跟踪太阳方位设计自动追踪设计太阳自动追踪器有单轴跟踪和双轴跟踪两种方式,单轴跟踪只能跟踪一个方向(如东西方向),双轴跟踪器可以跟踪两个方向(东西和南北)。因此，确保准确地跟踪太阳的轨迹，该系统使用了双轴跟踪机械结构。为了高效并且稳定地运行工作，在本文中，笔者经过运用光敏感应设备，以明确当天的天气实际情况，参考依据辨别到的差异天气运用相对应的方式，与此同时，应用光电追踪与太阳运动分布轨迹追踪两大类模式，充分全面使用各自优势实现了追日过程，如下为综合设计规划方案：(1)晴天的时候，自动捕捉设计方案：因为太阳光照辐射非常强并且非常小的变化波动，所以太阳方位测试感应设备的准确度比较大，因此能够经过光电追踪来准确地追踪太阳的具体位置；(2)多云时自动捕捉设计方案：因为在多云的时候，光照辐射变化波动的不同比较多，有些时候容易导致方位测试控制器设备不可以精确找到发现太阳具体位置，所以，在多云的天气里应用两级追踪。第一步，我们运用太阳运动分布轨迹追踪展开大体上追踪太阳的具体位置，之后运用光电追踪来准确地追踪太阳的运动途径。假如在准确追踪过程里光照一般，先暂停追踪。(3)阴雨天捕捉方案：考虑到跟踪设备的操作也会消耗电力，并且在阴雨天气中阳光很少，因此不追踪太阳的方位，只让太阳能集热板固定在固定位置。为了实现准确，及时的追踪并且思考到唯一体系的能耗，应用系统设立为在指定时间有效间隔运行工作应用程序。每一次运行工作应用程序的时候，体系需要，第一步收集整理光作用强度数据信号以明确天气实际情况并且选用合适的追踪模式。本次应用系统选择西门子PLC作为体系的控制操作设备。光强检测设计充分保障可以精确的判定当天的天气怎样，我们要求测试光照作用强度与变化波动实际情况，并且从其中选用出合适的追踪模式。这个体系运用了硅光工作电池构件，作为光作用强度测试控制器设备，检测得的光电流通运转过交换工作电路交换成一类工作额定电压数据信号，发送往模拟仿真自动输入功能模块EM231，并且展开A/D交换。它发展为数据量保存在模拟仿真自动输入AI地区里,PLC能直接从AI地区里获取与全面处理、分析数据。确保能精确判定目前的天气怎样，我们要求设立少数参照量作为参照。北方区域阴雨天的时候，光照强度数据信号与多云时光照强度变化波动极限值作为参照数值，如下为综合设计规划方案：(1)多取几组北方地区不同的季节在阴天时的光强检测电压值，计算数值取平均电压值，将其定义为阴天和雨天系统的光强度检测输出电压值，以表示。(2)硅太阳能电池的光强度检测器的输出电压信号正比于太阳的辐射强度，可以用公式(3.2)计算北方地区多云天气时任意时间内的太阳辐射强度，将获得的多组计算数据取平均值为。在正式运行该系统之前，必须先获得着两个参考量和。(3)此时获取的光强检测电路输出的电压平均值计算公式是：(3.1)(4)因为光照作用强度正比于光作用强度测试工作电路的自动输出工作电压，运算公式（3.2）能够被用于表现光作用强度的变化波动大小，接下来是运算方程式：(3.2)(5)判定这个时候的天气：并且时为阳光明媚，这个时候的太阳光非常强并且振幅的变化波动也较低，所以参考依据判定选择光电追踪的模式；并且的时候，天气实际情况为多云，光线非常强，而且幅度变化波动也巨大，则体系将决定同时采用太阳运动跟踪和光电跟踪。时为没有光照（阴天或雨天），此时，太阳光照不强，根据判断采取不跟踪太阳，使太阳能集热板处于固定位置。光电跟踪的设计准确追踪太阳位置在本文中，我们运用了实际高度角——方位角的双轴追踪机器设备，为了准确追踪太阳的具体位置，因此应用太阳具体位置测试感应设备来测试太阳的具体位置改变。在日常工作里，我们选用某一种光敏设备器件，对称的把其放置于太阳光能集热板核心或者4个周围，检测在太阳光通过连接放大电路对应转换的位置变化，并准确地捕获太阳的位置。光敏器件在太阳光照射下产生的光电流正比于太阳光照面积和太阳光照强度，但是这类安装设置一般会造成光敏设备器件的光电交换比例不相同，进而造成测试最终结果不精确，光电追踪的准确性与稳定安全性也会遭受严重干扰。在本文中，笔者里应用的太阳方位测试控制器设备是一个四象限光电测试控制器设备。四象限光电检测控制器设备，对应于图3-1里所示的直角分布坐标系的4个分布象限，光入射在检测器中，也就是入射光在x正半轴上，东边，南边和北边同理。从图3-2可知，使用透明的透明桶盖将太阳光辐射到四象限检测器上，从而在检测器的圆形感光表面上形成入射点。该检测器使用四象限定位方案实现光电检测过程，如果光线垂直于该探测器时，则4个象限A，B，C与D里的光斑实际有效面积一致，与之对应测试控制器设备自动输出一致的光电力信号幅度；当阳光倾斜直接照射的时候，分布在四个象限当中的光斑的面积也不会再相同了，还有检测器输出的光电信号的幅度也会根据它的改变而改变。能够参考依据每一个象限里的光斑分散的能量比例来明确与追踪太阳的具体位置改变。图3-1四象限准确定位简单示意图图3-2通光筒简单示意图图3-1里，X横坐标轴代表太阳方位角的分布方向，Y纵坐标轴代表实际高度角的分布方向，SA、SB、SC和SD代表对应象限中光斑的分布面积，Ex代表x轴上光斑的偏移量、Ey代表y轴上的，（3.3）和（3.4）为计算公式：(3.3)(3.4)进一步处理后得：(3.5)(3.6)本文我们假设方位角电动机的正向转动是从东向西，而高度角电动机的正向转动是从南向北的。可以通过x轴以及y轴的偏移量进行调整PLC控制电机的转动。光电跟踪控制过程(1)清晨，太阳能集热板处于其原始位置，太阳出来之后开始追踪。(2)太阳能集热板可设置成手动或自动追踪控制两种模式，并且在执行自动追踪时，将会读取系统的实时时钟；仅在日出的情况下（还可以设立开始时间），开始自动智能获得太阳的具体位置。(3)当阳光明媚的时候，太阳方位感应设备是比较持久的，同时也具备比较大灵活性，而且所述光电追踪体系是精确的。天气实际情况是多云时，与此同时，应用太阳运动轨迹追踪与光电追踪。是自主预防太阳光能集热板机器设备重复多次摇晃，操控管理体系经过双信号通道增加总量编码器设备“记住”太阳能集热板的旋转角度和方向，当方位测试控制器设备自动输出不固定而被控制操作设备“检测得”的时候，这个时候方位测试感应设备的数据信号不会被控制操作设备收到，不履行光电追踪方式。(4)在4个分布方向上：东，西，北与南，自动智能追踪操控管理体系具备带限位控制开关的限位保护作用功能。我们用水平横向而言，当旋转组织机构击中西限位控制开关的时候，旋转机器设备在2秒的有效时间内向完全相反的分布方向旋转再切断。假如击中限位控制开关时就马上切断工作电路链接，旋转机器设备把不断按照压限位控制开关，直到返回原始的位置。这样一直下去，会严重缩短限位开关的寿命。假如限位控制开关受到损害而且在未及时有效代换的时候，连续运行工作，则也会减少体系追踪组织机构的时间。所以，在本文中，我们把设立一个保护子应用程序，当旋转设备接触任何限位开关的时候，它将沿背离的分布方向旋转2秒钟来实现限位保护的影响。(5)太阳落山后(可设立自动复位时间)，太阳光能集热板被PLC操作控制会转到基本标准的具体位置。追踪太阳运动路径赤道和水平坐标我们使用各种参考坐标（包括地理坐标和天球坐标）来分析和跟踪太阳的轨迹。在采用两轴跟踪的过程中，极轴追踪模式应用赤道分布坐标系，实际高度-方位追踪模式主要应用水平分布坐标系。1.赤道分布坐标系从3-3可知，以天体赤道与天体子午线的交点定义成原点，把天体赤道定义成水平基本圆，以天体北极为基本极点的天球坐标系称为赤道坐标系。在赤道坐标系中，太阳位置的标定用时间角τ和赤纬角δ来表示，两者是相互垂直的关系。。图3-3赤道分布坐标系简单示意图2.水平分布坐标系图3-4可以得知，真地平是水平基本标准圆，北天非常基本标准极，以真地平和天球子午线交点是原点的天球分布坐标系是水平分布坐标系。太阳方位的改变一般用实际高度角α与太方位角γ标定，这2个角或者弧度的相互关系是相互垂直的。在本文中，笔者我们运用的是双轴追踪体系与水平分布坐标系。图3-4水平分布坐标系简单示意图太阳角的计算太阳实际高度角α：太阳光与当地水平分布面在0°~90°相互之间的层面改变。根据下面的式子可计算出α：(3.7)在这其中，φ代表当地的纬度数值，δ代表赤纬角，从下面的计算方程式里，可以计算δ，ω表示时角，也可根据下面公式求出。太阳方位角γ：指的是阳光直接照射在交通地面上的投影与当地子午线相互之间的层面。太阳处于正南时候的γ=0°，太阳正西时候的γ=90°，正东时候的γ=-90°。具体如下所示运算方程式可运算太阳方位角：(3.8)太阳赤纬角：指太阳中心到地心的连线与地球赤道面之间的夹角，它反应了地球绕太阳公转规律的角度变量。每时每刻赤纬角都在发生着变化，所以地球全年都可以收到来自各个方向的太阳光线。下面的公式可以计算出任意一天的赤纬角：(3.9)计算公式（3.9)里，n是一年时间里每一天的排布序列编码号，例如元旦时，n=1，十二月三十一日时，n=365（闰年366）。太阳时角：指交通地面上随意一点和地心之间的连线与当地正午时候的太阳核心到地心的连线依次在赤道面上的投影所产生的有效夹角。时间角度15°/h，t的作用范围从0到二十四小时，下面的计算方程式能够运算：(3.10)太阳升起与下落的时角是：(3.11)太阳运动轨迹跟踪过程参考依据太阳的运动分布轨迹，使用水平分布坐标系明确太阳和地球的相对具体位置。经过获取体系的实时控制时钟，自动输入当地的地理数据信息，能够获取当地的有效时间数据信息。参考依据上面列举出的运算方程式，常常会运算出实际高度角与方位角。所以，在追踪太阳运动分布轨迹的时候，太阳光能集热控制器设备需要每一天自动智能追踪日落并且回转到初始参照具体位置，以去除累积的运算有效误差。之后，每一次集电盘机械转动的时候，都会反馈集电盘的方位角和高度角，必须同时使用水平和垂直增量编码器。垂直和水平电机需要转动的角度是太阳的实际高度角与方位角和收集控制器设备的实际高度角与方位角相互之间的层面差，以便精确跟踪太阳的位置。同时采用光电和太阳运动轨迹跟踪模式当太阳足够亮的时候，明亮的光线可以达到更高的光电跟踪精度，所以你不需要寻找参考位置，你可以追踪太阳的方向仅仅基于光电探测器上的斑点，且无累积误差。然而，光电检测器对气象条件敏感。阴天时，光电检测器的信号输出会发生变化，覆盖太阳的白云会影响检测和跟踪的精度。太阳运动分布轨迹的跟踪不会受到天气的影响作用。每一次开始操作前要找到有参考的位置，程序正在运行，而且角度也容易计算错误。因此，追踪太阳的方位角的准确度会降低。根据以上分析，为了更好地提高跟踪系统的精度，可以采用太阳轨迹跟踪和光电跟踪相结合的方法。当天黑或太阳被遮住时，太阳的位置不会被跟踪。晴天时，采用光电跟踪方式。本文同时采用这两种跟踪方式，可以在任何天气条件下稳定、准确地跟踪太阳的位置。自动除尘装置工作原理图3-5自动显示了综合系统设计的工作基本理论。此时，由于温度升高，管内的相变物质蒸发，蒸发的液体越来越多，导致管内压力逐渐升高。当集热管温度达到一定值时，集热管内的压力将滑块向上推至顶部，一次除尘完成。夜间温度偏低的时候，传输管道内气体会感受逐步液化，因为实际温度降低缓慢，压力逐步降低。当压力因实际温度降低而降低到一定数值的时候，大气压力将除尘刷从出风口向下推动，最后移动到底部，回到原来的位置。根据这一工作原理，太阳能电池板大部分时间可以保持清洁，充分吸收阳光，从而达到自动除雪的功能。图3-5工作原理图设计方案如下示意图3-6是综合系统设计的自动智能除尘设备，它由压力真空表、气缸、防尘刷与控制阀门构成。太阳能电池板自动除尘装置选用膨胀度高、潜热低的相变材料作为工作介质，利用相变材料的热膨胀产生驱动力驱动装置。除尘刷的长度取决于电池板的长度，圆筒导轨略大于电池板的宽度，使其有足够的滑动距离。本设计中接头上端连接压力表检测连接管内压力，下端连接阀门使连接管和集热管处于真空状态，使气缸连接管内压力一开始为负。气缸滑块和支架下方装有磁铁，以保证当气压升高时，滑块不停在中间位置，直接到达导轨顶部。滑块与除尘杆合二为一，带动除尘刷来回移动除尘除雪，其初始位置在太阳能板底部。图3-6基本结构图自动追踪太阳系统的硬件设计在控制系统中硬件的设计图4.1为追踪流程图，本文设计的自动追踪控制系统包括太阳能集热板、光强和太阳方位检测传感器、风速传感器、检测与转换放大电路和直流电动机等部件。图4.1自动追踪控制流程图该图4.1自动追踪控制流程图该操控管理体系里，一般有步进机动设备或直流机动设备两大类联动模式。太阳运行轨道追踪操控管理体系经过运算高度角α，方位角γ和集热板的旋转角之间的数值差来控制电动机的转动，而步进电动机非常适合控制角度差的调整，但是这也有一个缺点，即我们采用的PLC操作控制会造成耗用更多的输出终端子。在以前所提起的光电追踪操控管理体系里的，太阳的分布方向能够由安装设置在太阳光能集热板上的光电感应设备展开追踪，我们所说的这类模式适合应用在直流机动设备联动的机械设备追踪组织机构，会促使太阳的光线直接照射到太阳光能的集热板上，这同时也是最为简易的，与此同时，也减少降低了PLC输出终端子。通常而言，步进电机设备市场价格比较贵，操作困难。考虑到经济性的要求，本文应用了价格比高的直流电机设备。为了准确操作控制追踪组织机构的旋转角度，在本文中，笔者判断应用增加总量编码器设备，其自动输出信号脉冲和旋转角度的增加总量为正比例关系，输入西门子PLC里的快速计数控制器开始计数，再信息反馈太阳光能集热板的具体位置数据信息过小。接下来是在操控管理体系里硬件设施部分的重要作用：(1)太阳光能集热板，能够将吸收太阳的光能转化成为其中所需要的电能；(2)我们使用光作用强度感应设备来测量太阳辐射的强度，利用太阳方位传感器进行获取所需要的太阳位置数据信息；(3)在本文中，笔者应用的测试放大设备工作电路的作用功能是将体系的工作电流数据信号交换为要求的工作额定电压数据信号，并且扩大这个数据信号；(4)每一个模拟仿真工作电压自动输出数据信号均会发送往模拟仿真量EM231里，再转化处理成数据量，最后发送到西门子PLC中；(5)S7-200系列PLC读取EM231中的数字量，接着再算出数据，达到最后操作控制与联动机动设备运行工作；(6)操作控制水平运动的直流机动设备联动集热板水平运动(方位角)，操作控制垂直方向运动的使其做俯仰运动(实际高度角)；(7)具体位置测试信息反馈的工作基本理论通常都是用增加总量式编码器设备把太阳光能集热板根据太阳位置变化后转动的角度值传递给PLC；(8)本文中的监控室可以利用RS485通讯进行监控PLC的运行状况，然后就可以控制集热板的运动。机械追踪装置本文采用了一种跟踪精度高的双轴跟踪机构。图4-2显示了机械跟踪控制装置。考虑到机器跟踪设备本身重量较大，一般在屋外工作，对风速也比较敏感。如果屋外风速达到一定值，系统程序会自动将太阳能集热板调整到水平位置，减少风速对其的影响，以免损坏设备。当风速保护应用程序运行工作的时候，体系不再追踪太阳的具体位置。在开始自动智能追踪以前，必须将太阳能集热板准确定位并返回到原始参考位置，以便随时追踪太阳的运动分布轨迹。在完成自动智能追踪之后，每一次集电盘机械转动的时候，数据信息均会经过增加总量式编码器设备自动传输给PLC，这样一来PLC就可以自动智能记忆集电盘的具体位置数据信息。在太阳运动分布轨迹的操作控制里，西门子PLC能够经过日期、时间、纬度、经度等数据信息运算出太阳的升降时间和高度角α、方位角γ，获取太阳集热板中所需要的旋转角差与旋转分布方向，并且把获取的角差展开交换自动输入信号脉冲数并且操作控制直流电机设备联动集电板。假如编码器设备自动返回的信号脉冲数等同于角度交换之后的信号脉冲数，则代表太阳光能集热板已转到指定具体位置。在光电追踪方式下，使用太阳方位检测控制器设备获得的数据信号操作控制直流电机设备修改调配太阳光能集热板的方位，增加总量式编码器设备还能够把太阳光能集热板的方位数据信息自动传输给PLC。图4-2机械设备跟踪操作控制机器设备简单示意图光强的检测电路检测光强装置图4-3SP0606型硅光工作电池设备元件图4-4工作电池内部组成构造示意图在本文中，笔者选择光照强度测试感应设备来判定天气。体系应用Sp0606型工作电池作为光照强度感应设备。图4-3与图4-4依次是物理图与工作电池组成构造示意图。当硅光电池被阳光直接照射的时候，硅光电池相似于工作电流源。在其中部电场的影响下，光子在PN结四周启发出比较少的载流子，并且向n型与p型地区移动。这个时候，假如把荷载增加在PN结的两侧，光电流就会通过负载，如果没有光，则可视为普通二极管。图4-5ISC、VOC与入射光强曲线图图4-6ISC、VOC与T曲线图从图4-5和4-6可以看出，光照和温度的变化会影响硅光电池的短路电流ISC和开路电压VOC。从图4-5的关系可以看出，短路电流ISC伴随着入射光作用强度的加大而加大。另一方面，根据示意图能够得知，当入射光作用强度超越60（MW/cm2）的时候，开路工作电压VOC变化不大，几乎没有变化。在图4-6的关系中，短路工作电流ISC对环境实际温度T不太敏锐，伴随着环境实际温度T的逐步增高，ISC缓慢加大；开路工作电压VOC对环境实际温度T十分敏锐，开路工作电压VOC伴随着环境实际温度T的逐步增高而剧烈降低针对以上实际状况，在本文中，笔者应用sp0606硅光工作电池的ISC作为光照强度测试工作电路的测试目标对象。光强检测与转换放大电路我们知道了解太阳辐射作用强度和硅光工作电池里的光工作电流数据信号为正比例关系，所以光电流可以决定光的强度，从而判定天气。光照强度测试、交换与扩大工作电路把硅光工作电池里的工作电流数据信号经过集中计算放大设备交换扩大为工作额定电压数据信号，更加方便测试。图4-7是设计电路图。从图中可以看出，集成运算放大器A9可以将光电流Ig转换为由于该位置的反馈电阻器R14而产生的电压信号，完成I/V转换过程，并且转换后的电压值为。而输出电压UG和光生电流IG二者的相互关系是：(4.1)可以从(4.1)得知，光照强度测试和交换扩大工作电路的自动输出工作电压UG正比于光生工作电流IG，IG与太阳辐射作用强度的相互关系同时也是为正比例关系的，因此自动输出工作电压UG就等同于收集整理太阳辐射作用强度数据信号。图4-7光照强度测试和交换扩大工作电路我们知道了解S7-200PLC系列里的CPU226仅能够认可接受数据量数据信号，假如还需要收集整理模拟仿真量的工作额定电压数据信号，则这个时候一定会使用EM231模拟仿真拓展功能模块实行A/D转换后，把转换后的数据再送给PLC处理，算出UG的平均值和波动值。将平均值和波动值与之前获得的，对比较，能够经过对比分析来判定这个时候的天气实际状况。太阳位置检测装置与电路太阳位置检测装置图4-8QP50-6光电检测控制器设备图图4-9QP50-6检测控制器设备管脚在本文中，笔者运用的太阳方位测试控制器设备是QP50-6型四象限光电检测控制器设备，图4-8是检测控制器设备的实物示意图。QP50-6的圆面运行工作地区实际有效面积是50mm2，这个圆面平均划分成为4个象限，每一个象限与每一个光电二极管依次匹配，其实际有效面积是11.78mm2。这个检测控制器设备还有很多优点，比如感光的范围较宽，精度高达50μm，较低的暗电流，响应速度快到50ns等，适合太阳位置的准确检测，如下图图4-9所示。太阳方位检测与转换放大电路图4-10太阳方位测试和交换扩大工作电路示意图光工作电流数据信号经过4-10的电路图转换成电压信号，并且同相放大。在QP50-6光电检测控制器设备里的，象限A、B、C与D里与之对应的光电二极管的阳极依次和相应的集成运算放大器A1、A2、A3和A4的反向端连接，直流电源连接象限中光电二极管中的公共阴极，把限流电阻R1安装在电源正极和光电二极管的公共阴极两者之间，每一个光电二极管的运算放大电路都是对称的，所以R2、R3、R4、R5相等，R7、R9、R11、R13相等。这个电路的原理与光照强度测试和交换扩大工作电路的原理差比较少，应用集中计算扩大A1、A2、A3、A4把4个光电二极管在光下形成的工作电流IA、IB、IC、ID依次转是与光照实际有效面积和光照强度为正比例关系的工作额定电压数据信号，获取的数据信号通过集中计算放大设备A5、A6、A7与A8同相扩大，从而知道了解自动输出工作电压UA、UB、UC与UD。获取的UA、UB、UC与UD链接到模拟仿真拓展功能模块EM231的模拟仿真自动输入，完成A/D交换与PLC获取。可经过(4.2)与(4.3)计算出太阳方位角和实际高度角二者之间的偏移量，从而操作控制机动设备能够自动智能跟踪太阳。QP50-6检测控制器设备的每一个象限在阳光直接照射下所产生的光斑实际有效面积SA、SB、SC、SD与自动输出工作电压UA、UB、UC、UD的有效数值成正比例相互关系，因此计算公式（3.5)和(3.6)可依次等价成计算公式（4.2)与(4.3)。(4.2)(4.3)当|Ex′|与|Ey′|实现超越预先设立好的控制阀数值的时候，这个时候西门子PLC会根据Ex′和Ey′的代表符号不同命令指示方位角和实际高度角机动设备的机械转动。通过光电跟踪控制模式，能够使得越来越多的光照垂直射入到太阳光能的集热板。风速检测部分风速感应设备的作用是将测得的风速信号转换成电信号并发送给PLC。本文选用wfs-1-3型风力感应设备。感应设备的自动输出模拟仿真工作电压是0～5V，也能够直接自动输入模拟仿真拓展功能模块EM231实现了a/D交换，不需要任何附加工作电路。西门子PLC可直接从模拟仿真自动输入AI区获取交换之后的风速数值。模拟量扩展模块EM231模拟仿真拓展功能模块EM231主要应用在自动接收模拟仿真数据信号。它划分为五个档位，并且通过其功能模块里的dip控制开关展开修改调配。DIP控制开关的综合深化设计如下表4-1所示。即使综合系统设计的dip控制开关适合应用在整个功能模块，但是假如要求修改调配测量有效范围，则只可以运用一个功能模块。模拟仿真自动输入功能模块具备十二位辨识率，具备单极与双极全量程自动输入，如下表4-1所示。在本文中，笔者应用单极性0～5V模拟仿真量自动输入，数据量自动输出0～32000。假如拓展功能模块经过扁平传输电缆链接到西门子PLC，则拓展功能模块需要处于PLC的右端。表4-1EM231模拟仿真拓展功能模块DIP控制开关的综合深化设计这个体系要求测试六个模拟仿真工作电压与两个EM231模拟仿真拓展功能模块，由于EM231仅有四个模拟仿真输入终端。表4-2是EM231模拟仿真量自动输入调配，图4-11与4-12是线路连接示意图。表4-2EM231模拟仿真量拓展功能模块自动输入调配图4-11EM231拓展功能模块线路连接示意图1图4-12EM231拓展功能模块线路连接示意图2西门子PLC模块本文使用西门子STEP7-200系列CPU226CN的PLC。S7-200CPU的指令不仅包括经常使用的基本指令，还有一些其他指令，如数学运算指令、查表、转换等等。PLC模块中的控制程序包括主程序、子程序和中断程序，其中子程序嵌套的极限是8层，定时中断使用1到255毫秒，监控定时器的定时时间设置为300毫秒。在本文中，笔者应用双信号通道增加总量编码器设备（a，B相编码器设备）。参考依据A相的控制时钟信号脉冲和B相控制时钟信号脉冲的振荡相位相互关系，快速计数控制器能够正向计数，反向计数。因此，PLC可以判断轴的旋转分布方向。快速计数控制器hsc0与hsc4依次对中心主轴（Y轴竖向）与稳定副轴（水平横向）增加总量编码器设备自动输出的信号脉冲展开计数，并且运算旋转角度。太阳光能集热板的操作控制可经过控制开关选用自动智能追踪或者人工手动操作控制。当按一下紧急突发意外暂停按键的时候，追踪体系里的每一个动作将会暂停。在人工手动操作控制方式下，设计了面向东、西、南、北的移动按钮，手动控制集电盘的移动。为保证系统的可靠性，还设计了东、西、南、北限位开关，防止旋转轴沿特定方向连续旋转和绕线问题。在转轴机械转动过程里，体系将会完成限位保护作用功能，充分保障机械转动组织机构不会超越限位控制开关的具体位置。表4-3是PLC的I/O调配表，图4-13是外界硬件设施线路连接示意图。表4-3西门子PLC的I/O布置设计表格

图4-13PLC的外端硬件设施连线简单示意图L+DC24.0伏内接于PLC自动输入功能模块里的，因此输入终端不需要附加工作电源；思考到自动输出功能模块里的无工作电源，而操作控制继电器设备线圈的额定工作电压要求24.0伏的工作电压，所以端子1L链接到DC24.0伏的正极电源部分图4-14为开关电源的设计，把220V交流电压进行降压、整流和滤波，将经过一系列操作后得到的44V直流电压给直流电动机使用。从整流桥输出的电压送到开关控制芯片L4960中获得24V的直流电压，给西门子PLC、继电器线圈和模拟输入模块EM231供电。

图4-14控制开关工作电源综合系统设计自动追踪太阳系统软件设计自动追踪太阳系统的主程序图5-1为自动智能跟踪体系主应用程序工作流程，在本文中，笔者综合系统设计的体系中有两种选择开关的方法（手动/自动），当体系位于运行工作分布状态，控制开关会默认是自动智能方式分布状态。体系应用程序的组成构造是主应用程序使用子应用程序与子应用程序嵌套使用子应用程序，假如不调用所设计的子程序时，子程序的命令就会不被执行，这会大幅度缩减系统程序的扫描时间。控制面板上的四个方向控制按钮可通过手动子程序来调节集热板的转动方向，在自动跟踪子程序中设计的那些子应用程序，主要包含：太阳运动分布轨迹追踪的、光电追踪的以及数据信息收集的，这些子程序会判断天气情况选择合适的跟踪方法，进而能够全天稳定并且准确的跟踪太阳具体位置。图5-1自动智能跟踪体系主应用程序工作流程简单示意图自动追踪太阳系统的子程序图5-2为太阳自动智能追踪子应用程序流程示意图。第一步，体系会判定是否按一下了开始按键，假如在自动智能追踪的开始按键没有被按一下的时候，则这个时候的自动智能追踪子应用程序会被终止结束，自动返回主应用程序。若与上面假设相反，那么体系里的实时控制时钟会被获取，判断目前太阳有没有光照(也能够设立自动智能追踪的有效时间段)，假如没有，这个时候太阳光能集热板回转到基本标准具体位置，换句话说，太阳下山之后，太阳光能集热控制器设备返回到方位角α与高度角γ是零的分布方向（基本标准具体位置）。假如有，也就是有太阳的时候，开始跟踪太阳的具体位置。当追踪组织机构开始运行工作的时候，PLC先收集风速、太阳方位以及光照强度等数据信息，第一步全面处理与研究分析光照强度数据信息，目前的天气实际状况是通过光的作用强度与太阳辐射的变化波动展开判定。假如是晴天，就履行光电追踪子应用程序；如果天气是多云的话，先履行太阳运动追踪子应用程序展开粗略调节控制，而用光电追踪子应用程序展开精确调节；若时碰到下雨天，太阳追踪效率较低，则将不追踪太阳。每次追踪设备转动的时候，太阳能集热板的位置通过增加总量编码器设备自动返回来。跟踪体系履行完1次之后，这个时候应用程序会耐心地等候一定时间，之后再回转到主应用程序里。假如是体系仍位于自动智能追踪分布状态的话，则应用程序把履行下一个追踪，而且又一次获取体系的实时控制时钟，参考依据获取的最终结果判定这个时候是不是在以前所设立的自动智能跟踪时间里，是白天的话就追踪太阳；如果不是，太阳集热板就会转到基本标准具体位置。延迟时间可以按照体系的灯光照明作用强度、追踪工作效率与准确度展开设立。图5-2太阳自动智能跟踪子应用程序流程示意图收集数据子程序光照强度测试与交换扩大工作电路自动输出的工作额定电压数据信号UG，太阳方位测试与交换扩大工作电路自动输出的工作额定电压数据信号UA、UB、UC、UD以及风速感应设备直接自动输出的工作额定电压数据信号UF，总计六个模拟仿真工作电压数值，再经过2个4信号通道的模拟仿真自动输入拓展功能模块EM231展开A/D交换，之后自动输入到PLC里。即使模拟仿真自动输入功能模块EM231的辨识率是十二位的，但是它的数据信息保存储存格式是十六位。在这其中，000是单极性数据信息储存格式的最小位，等同于A/D转换数值再乘上数字8；0000是双极性数据信息格式里的最小位，等同于A/D交换有效数值再乘上数据16。模拟仿真量自动输入的储存地址在PLC储存设备里用AIWXX代表，模拟仿真量拓展功能模块以2点(4字节)增加总量模式调配储存地址。图5-3数据信息收集子应用程序流程示意图图5-3所示，在数据采集过程中，为了尽可能降低采样数据的误差值，所以我们会多次收集采样数据，然后把多次得到的数据求平均值并把它作为信号的采样值。多次采集数据的时候，注意都要将采集数据的次数清零，6路模拟量电压值被PLC采集并存储后，采集数据次数增加1次，延迟一段时间，6路模拟量电压信号被重新循环采集，达到采样次数n(5~10次)时，就停止采集数据，然后开始处理得到的数据，把n组数据中的6个信号数值计算出平均值，然后存储在模拟变量的存储区域VW11、VW12、VW13、VW14、VW15、VW16中作为采样数据值UA、UB、UC、UD、UG和UF。光电跟踪子程序构思图5-4为光电追踪子应用程序的流程示意图。光电追踪参考依据阳光直接照射在QP50-6型检测控制器设备上产生的光斑分散来明确太阳的具体位置，由电机设备联动集热板机械转动。由于我们应用的检测控制器设备具备高灵活性，能够减少降低直流电机设备开启的数目，将e1、e2极限值操作控制在体系所允许的准确度控制范围里。在获取UA、UB、UC与UD采样数值之后，使用(4.2)与(4.3)运算方程式计算出偏移量Ex′与Ey′的数值。当|Ex'|<e1的时候，方位角机动设备不开启，不跟踪太阳的具体位置。如果|Ex′|>e1并且Ex′>0，则太阳处于集热板的东边，反向机械转动方位角电机设备；如果|Ex′|>e1并且Ex′<0，正向机械转动方位角机动设备。当|Ey′|<e2的时候，实际高度角机动设备不反应，不跟踪太阳的方位；如果|Ey′|>e2并且Ey′>0，则太阳位于集热板的南侧，使得高度角电动机反方向转动；若|Ey′|>e2并且Ey′<0，使实际高度角电机设备往正分布方向机械转动。

图5-4光电追踪子应用程序流程示意图太阳移动路径跟踪子程序设计图5-5是太阳移动途径跟踪的流程示意图。才开始运行工作应用程序的时候，这个时候PLC先获得时间数值、日期数值、经度与纬度数值上述数据信息，之后再计算出太阳实际高度角α与方位角γ这2个角度的原理有效数值。接下来再跟踪太阳的具体位置，实际高度角转变数值高于零的时候，促使正向机械转动实际高度角机动设备，如果低于零，反向机械转动实际高度角机动设备；方位角改变值大于零时，使得正向转动方位角机动设备，如果低于零，反转方位角机动设备。跟踪机器设备在运行工作过程里，如果Y轴竖向与水平横向这2个分布方向的增加总量编码器设备信息反馈回来的信号脉冲有效数值等同于先前机动设备机械转动实际高度角与方位角其中所需要的信号脉冲数，则跟踪机器设备就早已机械转动到了需求的具体位置，实现了对太阳移动途径的追踪并且自动返回。图5-5太阳移动途径追踪子应用程序流程示意图系统实验与分析PLC程序和人机交互界面设计PLC的部分主程序图图6-1PLC主程序图图6-1为PLC部分主程序图，当设计的程序正常工作时，SM0.0的分布状态长期以来都是ON，因此每一次运行工作周期循环自动扫描时，PLC均会展开保护子应用程序的指示。人工手动操作控制/自动智能追踪方式用控制开关I0.5展开挑选所需模式。当按下紧急停止按钮的时候，则不会运行手动控制子程序和自动跟踪程序的，并且集热板的移动也将暂停。

图6-2人工手动操作控制方式部分子应用程序图图6-2为人工手动操作控制部分子应用程序图，在应用程序图里的M0.1、M0.2、M0.3与M0.4是I1.3（东移动按键）、I1.4（西移动按钮）、I1.5（南移动按钮）和I1.6（北移动按键）的负跳变触点，图6-2里综合系统设计的应用程序能够完成一类体制，在这其中，按键按一下某一个动作，之后又一次按一下就会暂停这个动作。举例，按一下向西移动的I1.4按键，太阳光能集热板就会往西机械转动，再按照1次I1.4按键，集热板就会终止结束向西机械转动。图6-3光电追踪方式部分子应用程序图图6-3是光电追踪方式操作控制的组成部分子应用程序图。如果太阳不垂直照射太阳能集热板，那么此时M2.0是OFF，而且常闭触点同时也是关闭分布状态；在按一下自动智能追踪开始按键时，此时M0.6是ON，按下紧急停止按钮的时候，M0.6是OFF，我们可以用它来开始或停止光电跟踪。若Ex′大于0，M2.1是ON，东西方向的电动机由Q0.1驱动反向转动；Ex′小于0时，M2.2是ON，东西方向电动机由Q0.0驱动正向转动；若Ey′大于0，M2.3是ON，此时南北方向的电动机由Q0.3驱动反向转动，若Ey′小于0，M2.4是ON，南北方向的电动机由Q0.2驱动正向转动。人机交互界面图6-3手动控制状态图6-4自动跟踪控制状态人机界面产品（HMI）由软件和硬件两部分组成，在这其中，运算处理器设备的作用功能确定了HMI产品的作用功能大小，是HMI的中心基本单元，在本文中，笔者运用HMI来，作为体系与客户相互之间展开交互与数据信息转换的中间媒介。图6-3与6-4为太阳光能工作电池板