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【工控技术】基于PLC的碟式太阳能跟踪控制系统设计

信息时间:2017-05-26 信息来源:电子技术应用

      摘 要:设计了一种以FX3U系列PLC为控制核心的太阳能自动跟踪控制系统。该跟踪控制系统将视日运动轨迹跟踪与传感器跟踪相结合,即第一级采用视日运动轨迹跟踪,初步跟踪太阳的运行轨迹,第二级采用传感器跟踪校正,并采用双轴式跟踪调整装置。系统还设计了时间显示模块,能够显示实时时间,同时也可以对时间进行实时调整。


      关键词:太阳自动跟踪;PLC;视日运动轨迹跟踪;传感器跟踪


      如何提高太阳能的利用率一直是国内外学者的研究热点[1-5]。太阳能跟踪系统使集热器装置始终保持与太阳光垂直,就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能,精确地跟踪太阳,可以大大提高集热器的接收率,进而提高太阳能的利用率。

      目前,太阳能跟踪方法有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪两大类[6-8]。参考文献[9]提出了基于PLC的单轴跟踪系统,采用光敏电阻光强比较法,利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理来控制电机的转动,从而带动集热器跟踪太阳,但该跟踪方法受天气影响大,无法在阴雨天气正常工作,而且该跟踪系统采用单轴跟踪,只能在一个方位上对太阳进行跟踪。参考文献[10]介绍了基于二维太阳跟踪装置的控制系统,该系统采用视日运动轨迹跟踪方法计算出太阳高度角和方位角,进而通过PC机控制步进电机,从而带动集热器实现对太阳的跟踪。该方法成本低,但是采用视日运动轨迹跟踪存在累计误差,而且自身不能消除。

      此外,以上光电跟踪和视日运动轨迹跟踪中没有设计时间显示调整模块,无法显示实时时间和对时间进行调整。

      鉴于此,本文提出了一种基于PLC的碟式太阳能热发电的跟踪控制系统的设计方案——混合跟踪方法,当太阳辐射光线达到一定阈值时,首先通过视日运动轨迹跟踪,然后采用光电传感器跟踪校正,同时本系统中还设计了时间显示调整模块,能够显示实时时间,同时也可以对时间进行实时调整,并设计了伺服驱动器及电机与PLC的连接电路。

      1 跟踪系统的设计与实现

      1.1 系统的总体结构

      跟踪控制系统由传感器、可编程控制器(PLC)、数码管显示器、双轴跟踪装置组成。

      其中双轴跟踪装置包括方位角调节机构和高度角调节机构。方位角调节机构主要由电机、行星减速器、一级蜗轮蜗杆、回转轴承组成;高度角调节机构主要由电机、行星减速器、螺旋升降机组成。当系统启动后,由控制器控制电机转动,通过减速装置从而驱动集热器跟踪太阳,实现对太阳高度角和方位角两方位的跟踪。跟踪系统的组成结构如图1所示。

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      1.4 数码管显示电路

      数码显示调整模块主要用于显示PLC采集到的时间,以方便对时间进行调整。用于PLC的I/O口有限,采用直接驱动方式占用大量I/O口,因此本文采用CD4543BCD锁存/七段译码/驱动器。通过译码来驱动4位数码管的显示,PLC通过Y10~Y3输出BCD码,将BCD码送到七段译码锁存器(CD4543)进行译码后再送到数码管上显示。而4位数码管的接通分别由Y14~Y17来控制。由于计算程序所需采集的时间有年、月、日、时、分、秒,若一次全部显示则需要12位LED数码管,超出CD4543驱动能力,因此,本文的设计中只显示时和分。图4是数码管显示电路与PLC外部接线图。

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      1.3 光电传感器跟踪模块

      本系统采用4个光敏电阻作为传感器来检测天空光线的变化,跟踪太阳的位置,进行误差校正。4个完全相同的光敏电阻置于一个高壁圆筒内,均匀分布在东南西北4个方位处,接收来自不同角度的入射光。当东西方位或南?方位的两个光敏电阻感受到的光强差值小于某个限定值时,PLC不发出让电机动作的信号;当光强差值超过一定范围时,PLC发出信号控制电机转动。如图2所示。其中CDS1和CDS2两个光敏电阻用于检测东西方向光线变化,调整太阳能集热器东西方向角,即方位角;CDS3和CDS4两个光敏电阻则用于调整太阳能集热器南北方向角,即高度角。采样不同位置光敏电阻上的模拟信号,经过运放及相应保护电路,然后通过A/D转换之后将信号输送到PLC进行数据比较程序,最终从PLC发出相应信号驱动电机动作。PLC采样输入端口选择X4、X5、X6、X7端口。图3为采样光敏电阻CDS1电压、进入PLC端口X4的采样电路,其他三路原理相同。

      

      

      由于本系统中需要对时间进行调整,设计了按键电路,设置了2个按键S1、S2。S1用来调

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