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本文提供兩種控制方案，采用PLC對(duì)槽式太陽能集熱器熱性能測(cè)試平臺(tái)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到測(cè)試平臺(tái)跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)控制的目的，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文采用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和過程控制，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了測(cè)試平臺(tái)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度和穩(wěn)定性。該跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用于槽式太陽能集熱器熱性能測(cè)試平臺(tái)，控制測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)跟蹤太陽以達(dá)到符合槽式太陽能集熱器熱性能測(cè)試要求的目的。
前言
槽式太陽能集熱器是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的聚光跟蹤類太陽能集熱器，既能用于高溫段的太陽能光熱發(fā)電，又能用于中溫段的工業(yè)用熱。隨著我國槽式太陽能集熱器熱利用技術(shù)的迅猛發(fā)展，如何測(cè)試槽式集熱器的熱性能，成了迫切需要解決的問題。為了測(cè)試槽式集熱器的熱性能，大多數(shù)科研機(jī)構(gòu)或者公司采用的方法是建立槽式太陽能集熱器熱性能測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)主要包括旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、油溫控系統(tǒng)和槽式太陽能集熱器系統(tǒng)三大部分，其中旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)，它的正常運(yùn)行是平臺(tái)測(cè)試的關(guān)鍵，而旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是否正常運(yùn)行主要取決于跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)劣，因此跟蹤系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性直接決定了測(cè)試平臺(tái)對(duì)于槽式太陽能集熱器熱性能測(cè)試的準(zhǔn)確性。本文提出的基于PLC的測(cè)試平臺(tái)跟蹤系統(tǒng)的兩種設(shè)計(jì)方案結(jié)合太陽位置（方位角）的天文學(xué)公式，方案一采用高精度磁阻傳感器和普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)自動(dòng)跟蹤太陽；方案二采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)自動(dòng)跟蹤太陽。
1. 電氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1電氣控制系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用的PLC，內(nèi)置模擬輸入輸出模塊，可以直接接收模擬量信號(hào)。觸摸屏通過RS232C通信電纜與PLC 實(shí)現(xiàn)信息互通，通過觸摸屏可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)處理系統(tǒng)異常。
方案一采用高精度磁阻傳感器和普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)自動(dòng)跟蹤太陽。在本方案中系統(tǒng)有以下功能：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)比對(duì)、定日跟蹤、手/自動(dòng)切換、系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)控制等。磁阻傳感器采用模擬量給定方式，PLC直接對(duì)模擬量進(jìn)行MD轉(zhuǎn)化并運(yùn)算；數(shù)據(jù)比對(duì)通過設(shè)定在PLC程序中的天文學(xué)公式（太陽方位角位置公式）進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出此時(shí)太陽的方位角，再由太陽位置與測(cè)試平臺(tái)的物理位置根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出此時(shí)測(cè)試平臺(tái)中軸線與地球磁軸夾角的理論值，將結(jié)果與PLC采集的磁阻傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值大小比較；跟蹤系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)比對(duì)后的結(jié)果輸出數(shù)字信號(hào)，通過電磁繼電器控制接觸器的開閉來控制普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)跟日轉(zhuǎn)動(dòng)；手/自動(dòng)切換、系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)控制是通過設(shè)定在觸摸屏的外部變量與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互完成。
本系統(tǒng)工作過程如下：上電-數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)對(duì)比-電磁繼電器1閉合/電磁繼電器2閉合/電磁繼電器1、2斷開-接觸器1閉合/接觸器2閉合/接觸器1、2斷開-電機(jī)正轉(zhuǎn)/電機(jī)反轉(zhuǎn)/電機(jī)停轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)通過控制電磁繼電器的開閉來控制接觸器的開閉，以此控制電機(jī)的正、反、停轉(zhuǎn)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)跟日運(yùn)轉(zhuǎn)。觸摸屏通過手/自動(dòng)按鈕對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手/自動(dòng)控制。當(dāng)手/自動(dòng)按鈕切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)在水平方向上自動(dòng)跟蹤太陽，此時(shí)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕不起作用；當(dāng)切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕可以控制系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)，為了保護(hù)電機(jī)，當(dāng)正轉(zhuǎn)按鈕和反轉(zhuǎn)按鈕同時(shí)按下時(shí)，按鈕失效，正、反按鈕僅在單獨(dú)按下時(shí)才起作用。限位開關(guān)起到保護(hù)作用，防止旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)出控制范圍。觸摸屏通過RS232C與PLC通信.
觸摸屏可以操控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的啟動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)，原點(diǎn)返回。還可以通過相對(duì)轉(zhuǎn)角差及相對(duì)轉(zhuǎn)角的數(shù)值輸入對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)試及修正，方便旋轉(zhuǎn)平臺(tái)初始安裝時(shí)的程序調(diào)試及運(yùn)行后的數(shù)據(jù)修正。
方案二采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)自動(dòng)跟蹤太陽。相比方案一，本系統(tǒng)在硬件部分去除了磁阻傳感器，增加了伺服驅(qū)動(dòng)器以及將普通電機(jī)更換為伺服電機(jī)。PLC根據(jù)設(shè)定在內(nèi)部的太陽方位角公式計(jì)算出某一時(shí)刻輸出的脈沖量，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，跟日轉(zhuǎn)動(dòng)。觸摸屏的作用與方案一相同。
本系統(tǒng)工作過程如下：上電-旋轉(zhuǎn)平臺(tái)復(fù)位至初始點(diǎn)-計(jì)算輸出脈沖量-輸出脈沖-電機(jī)正/反轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)通過控制脈沖量的輸出來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以此達(dá)到定日跟蹤的目的。觸摸屏通過手/自動(dòng)按鈕對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手/自動(dòng)控制，其控制方式與方案一相同，在此不再贅述。
1.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
方案一：為了保證跟蹤系統(tǒng)定日跟蹤的精度，跟蹤系統(tǒng)采用天文學(xué)公式（太陽位置公式）與磁阻傳感器相結(jié)合的控制方式。太陽位置的天文公式采用我國氣象科學(xué)院王柄忠研究員所提出的計(jì)算方法。
太陽高度( h ⊙) 的計(jì)算公式為
sin h ⊙ = sinδsinφ+ cosδcosφcosτ （1）
式中：δ為太陽赤緯角 ,φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?/SPAN>,τ為當(dāng)時(shí)的太陽時(shí)角
太陽方位角（A）的計(jì)算公式為
cos A = (sin h ⊙sinφ- sinδ) / cos h ⊙cosφ （2）
其中，當(dāng)cos A ≤0 時(shí)，90°≤A ≤180°
當(dāng)cos A ≥0 時(shí)，0 ≤A ≤90°
式中：h ⊙為太陽高度，δ為太陽赤緯角 ,φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?/SPAN>
磁阻傳感器采用高精度系列傳感器。系統(tǒng)工作時(shí)，磁阻傳感器完成對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)當(dāng)前位置的檢測(cè)，由本地控制器采集并與控制系統(tǒng)的計(jì)算參數(shù)相比較，以進(jìn)行位置確定。為了追日跟蹤系統(tǒng)的操作方便及跟蹤過程中的安全可靠，PLC追日跟蹤系統(tǒng)的程序分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式在系統(tǒng)初次調(diào)試及控制系統(tǒng)檢修時(shí)使用，通過手動(dòng)控制調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺(tái)至合理位置方便系統(tǒng)初始調(diào)試及系統(tǒng)檢修。自動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)追日跟蹤過程的自動(dòng)化。本文設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)主程序包括自動(dòng)程序和手動(dòng)程序。
在自動(dòng)模式下，首先由PLC根據(jù)太陽位置的天文學(xué)公式計(jì)算出此時(shí)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)應(yīng)處的位置（角度值），同時(shí)通過磁阻傳感器采集旋轉(zhuǎn)平臺(tái)此時(shí)實(shí)際所處的位置（角度值），根據(jù)兩者的差值與設(shè)定值比對(duì)的結(jié)果決定旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的正反轉(zhuǎn)，使其跟日轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)兩者差值小于設(shè)定值時(shí)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由此完成控制系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的自動(dòng)定日跟蹤。
在手動(dòng)模式下，可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的正、反轉(zhuǎn)，達(dá)到所需位置。
方案二：在本方案中 ，天文學(xué)公式同方案一。系統(tǒng)工作時(shí)，由PLC內(nèi)部程序計(jì)算出某一時(shí)刻的輸出脈沖量，由輸出脈沖控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以進(jìn)行跟蹤系統(tǒng)控制。為了追日跟蹤系統(tǒng)的操作方便及跟蹤過程中的安全可靠，PLC追日跟蹤系統(tǒng)的程序分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式在系統(tǒng)初次調(diào)試及控制系統(tǒng)檢修時(shí)使用，通過手動(dòng)控制調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺(tái)至合理位置方便系統(tǒng)初始調(diào)試及系統(tǒng)檢修。自動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)追日跟蹤過程的自動(dòng)化。本文設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)主程序包括自動(dòng)程序和手動(dòng)程序。
在自動(dòng)模式下，首先根據(jù)PLC內(nèi)部設(shè)定程序使旋轉(zhuǎn)平臺(tái)快速復(fù)位至初始位置（此點(diǎn)由限位開關(guān)的信號(hào)控制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)復(fù)位至初始位置時(shí)，限位開關(guān)輸出信號(hào)1給PLC），到達(dá)初始位置后，根據(jù)設(shè)定的天文學(xué)公式計(jì)算出此時(shí)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)應(yīng)處的位置（脈沖值），根據(jù)脈沖值控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以此控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)跟日轉(zhuǎn)動(dòng)。太陽落山后，根據(jù)設(shè)置在PLC的程序，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)自動(dòng)復(fù)位至初始點(diǎn)，到下一日太陽升起時(shí)，根據(jù)PLC內(nèi)計(jì)算的太陽升起的時(shí)間，繼續(xù)跟蹤太陽。若在跟蹤過程中，PLC突然斷電，則在上電后旋轉(zhuǎn)平臺(tái)快速復(fù)位至初始位置，然后根據(jù)計(jì)算的脈沖量快速轉(zhuǎn)動(dòng)至正常跟蹤時(shí)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)應(yīng)處的位置，繼續(xù)跟蹤。
在手動(dòng)模式下，可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的正 、反轉(zhuǎn)，達(dá)到所需位置。
2 方案運(yùn)行測(cè)試對(duì)比
2.1測(cè)試方法
將高精度電子羅盤固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中軸線的位置，使其與中軸線正南方向上的夾角為0°，然后將測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)跟蹤太陽，通過測(cè)量的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的此時(shí)測(cè)試平臺(tái)中軸線應(yīng)處位置的角度的數(shù)值比較，計(jì)算差值，其差值的平均值即為測(cè)試平臺(tái)的跟蹤精度。
2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)
通過對(duì)兩種方案分別一周的測(cè)試，根據(jù)當(dāng)日的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)日的跟蹤精度，并根據(jù)測(cè)試周期內(nèi)每日的跟蹤精度計(jì)算出跟蹤系統(tǒng)的平均跟蹤精度，跟蹤精度數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 測(cè)試平臺(tái)跟蹤精度
由上表可知兩種方案的跟蹤系統(tǒng)每日及平均跟蹤精度均≤0.1°，因此根據(jù)兩種方案設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)均達(dá)到了測(cè)試平臺(tái)跟蹤系統(tǒng)所需的跟蹤精度及穩(wěn)定性。
3 結(jié)論
本文采用兩種方案針對(duì)槽式太陽能聚光集熱器測(cè)試平臺(tái)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，均達(dá)到了測(cè)試平臺(tái)追日跟蹤過程中高精度（誤差≤0.1°）、良好穩(wěn)定性的自動(dòng)跟蹤控制，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便操作。為槽式太陽能集熱器熱性能測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)提供了有力的技術(shù)支持。
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