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XXXXX大學 畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 太陽能自動跟蹤裝置與控制系統(tǒng)設計 系 部 XXXXXX 專 業(yè) XXXXXX 學生姓名 XXXX 學號 XXXXX 指導教師 XXXXX 職稱 XXXXX 畢設地點 2013年 X月XX日 設計（論文） 題目 太陽能跟蹤裝置與控制系統(tǒng)設計 一、 本課題的研究目的和意義 太陽能是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率，始終是人們關心的話題，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計為解決這一問題提供了新途徑，從而大大提高了太陽能的利用效率。 太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當今國內外最具發(fā)展前景的新能源之一。光伏（PV）發(fā)電技術在國外已得到深入研究和推廣,我國在技術上也已基本成熟，并已進入推廣應用階段。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。根據據實驗，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，采用自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35 %左右。因此，設計開發(fā)能自動追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，是非常有價值的研究課題。 太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前，提高太陽能利用率的研究主要集中在兩方面：一方面是提高太陽能裝置的能量轉換率，另一方面是提高太陽能的集熱率；前者屬于能量轉換領域，還有待研究，而后者利用現有的技術則可解決【1】。無論哪種太陽能利用設備，如果它的采光裝置能自動追蹤太陽并始終保持與太陽光垂直，它就可以在有限的使用面積內收集更多的太陽能。太陽能電池發(fā)電原理：利用光伏發(fā)電，即通過一對有光響應的器件將光能轉換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角器件將光能轉換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角器件將光能轉換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角有關，當太陽光線與太陽電池板平面垂直時轉換率最高。采用自動追光系統(tǒng)轉換率可提高40%。 因此在這樣一個大前提下，我們需要制作一套全自動太陽能追光系統(tǒng)，實現了最大限度地使用太陽能，相信在不久的將來，它可以真正用到實處，用到人們的日常生活中去 二、 國內外研究情況及其發(fā)展 太陽輻照追蹤裝置要對應于晝夜、陰晴更替。太陽落山時，追蹤裝置朝向西邊，然后停止工作，并能夠復位；當遇到烏云遮住太陽時，追蹤裝置傳感單元無法反應出太陽光線的變化，當烏云過后太陽可能偏離較大的角度，這種情況下就要求追蹤裝置傳感探測單元能夠在較大的范圍內反應出太陽光線的變化。 現有用于太陽觀測科學研究的太陽追蹤裝置雖然追蹤準確但是價格太昂貴，如國家氣象計量站研制的FST型全自動太陽跟蹤器采用傳感器定位和太陽運行軌跡定位相結合的設計彌補了赤道架型太陽跟蹤器的缺點，具有全自動、全天候、跟蹤精度高等優(yōu)點 。這種大型精密儀器由于價格昂貴，通用性和性價比不高。 普通民用太陽追蹤裝置比如1997年美國Blackace研制的單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的白動跟蹤，而南北方向則通過手動調節(jié)，接收器的熱接收率僅提高了15% 。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，該裝置在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進一步提高。JoeI.H.Goodman研制了活動太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉臺太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個方位跟蹤器具有人直徑的軌跡，通風窗體是白晝光照鼓膜結構窗體，窗體上面是圓頂結構，成排的太陽能收集器可以從為、到西跟蹤太陽，以提高夏天季節(jié)里能量的獲取率。2002年2月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結構，結構緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應用領域。這些普通民用太陽追蹤裝置，普遍存在的問題是精度差。 市場急需一種追蹤范圍廣、精度高，原理結構簡單、方便使用的太陽追蹤裝置，并盡快將一技術轉化為生產力，從而推動太陽能的普及利用，拓寬太陽能的利用領域。 三、 本課題的主要研究內容（提綱） 本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實現大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括: (l)分析太陽運行規(guī)律，比較國內外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。 (2) 機械部分也是實現追蹤目的的關鍵，主要是機械設計和計算，裝配圖及其零件圖。 (3)分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性。 (4)選取控制方案，分析系統(tǒng)的硬件需求，設計PLC控制系統(tǒng)。 (5)設計控制電路，伺服電路以及PLC接線電路。 四、 研究思路和方法 本課題主要研究太陽追蹤器，課題要求通過對產品結構的分析，制定出幾種結構方案，通過對多種方案的比較，選擇比較合理的方案進行設計，并進行相關的工藝設計計算，使之具有實用性和經濟性方面的要求。 主要思路：首先認真分析產品結構，確定設計方案； 其次，小組成員間分工合作，充分發(fā)揮團隊作用，將數據匯總分析，及時對方案進行修改，提高設計效率；最后，對產品的工程圖進行繪制和裝配，觀察各部件間是否有運動干涉，避免在現實中發(fā)生事故。最后，對控制方案進行比較，最后選取最為適合的控制方案，完成控制系統(tǒng)的設計。 主要方法：充分運用計算機輔助設計，實現二維圖的繪制和裝配圖的繪制，同時了解PLC控制器的特點，編寫控制程序。 五、 本課題的進度安排 起訖日期：2012年12月8日至2013年6月10日 進度安排：2012年12月～2013年01月 查閱資料，了解所要做的內容，學習有關太陽追蹤器的資料。 2012年01月～2013年02月 運用查閱的資料知識，選擇設計方案。 2013年02月～2013年03月 完善方案選擇，準備開題報告。 2013年03月～2013年04月 翻譯文獻,準備期中檢查。 2013年04月～2013年05月 條件允許，去公司考察研究。 2013年05月～2013年06月 寫畢業(yè)論文，并裝訂成冊，準備畢業(yè)答辯。 2013年06月初期 論文形式、內容審閱, 畢業(yè)答辯，上交資料 六、 參考文獻 [1]李申生．太陽能[M]．北京：北京人民教育出版社，1988:12-14. 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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 people's 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 motor III 目 錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1能源與環(huán)保 1 1.2 系統(tǒng)研究背景 2 1.2.1系統(tǒng)研究目的 2 1.2.2系統(tǒng)研究現狀 3 1.3 論文的研究內容 4 第二章 機械結構方案的比較與確認 5 2.1跟蹤器機械執(zhí)行部分比較選擇 5 2.1.1立柱轉動式跟蹤器 5 2.1.2陀螺儀式跟蹤器 6 2.1.3齒圈轉動式跟蹤器 6 2.1.4本課題的機械設計方案 8 第三章 自動跟蹤控制系統(tǒng)控制方案的論證 9 3.1追蹤方案論證 9 3.1.1視日運動軌跡追蹤 9 3.1.2光電軌跡追蹤 11 3.1.3追蹤方案 11 3.2機械傳動方案論證 11 3.3控制器論證 12 3.4操作界面論證 13 3.5 驅動控制方案論證 13 3.6 驅動電機論證 13 3.7 本章小結 13 第四章 自動跟蹤控制系統(tǒng)硬件設計 14 4.1傳感器 14 4.1.1太陽位置傳感器設計 14 5.2伺服驅動器 17 4.2.1伺服驅動器原理 18 4.2.2伺服放大器連接與設置 19 4.3 伺服電機連接 21 4.4 PLC和I/O擴展模塊的選型 22 4.4.1 機型的選擇 22 4.5 PLCI/0的分配 22 4.6 系統(tǒng)電氣控制接線圖設計 23 第五章 系統(tǒng)軟件設計 25 5.1 PLC的程序設計環(huán)境 25 5.1.1 PLC公司的編程軟件 25 5.1.2 三菱的GX Developer 編程軟件簡介 25 5.2 系統(tǒng)程序設計 26 5.2.1 程序設計方法及語言 26 結論 28 致謝 29 參考文獻 30 第一章 緒論 1.1能源與環(huán)保 隨著時代的前進，人類社會和經濟的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時人類社會的負擔和責任也隨之增加。能源是國民經濟和社會發(fā)展的基礎，社會經濟發(fā)展得越快，人類對能源的需求就越大，利用能源時可能對環(huán)境造成較大程度的破壞。目前世界的主要能源是由吸收太陽能的植物經億萬年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等。正是由于上述原因，世界能源問題日益嚴峻，表現在如下方面： 世界上大部分國家能源供應不足，據統(tǒng)計近10 年內化石燃料(煤、石油與天然氣等)能量消耗增加了近20倍，預計今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己探明的石油儲量只能用到2050年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。 由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數十萬噸硫等有害物質拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質量，局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土。 化石能源的利用產生大量的溫室氣體而導致溫室效應，引起全球氣候變化。這一問題己提到全球的議事日程，有關國際組織己召開多次會議，限制各國COZ等溫室氣體的排放量。能源問題關系到經濟是否能夠可持續(xù)發(fā)展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的極大關注?，F在人們常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人們能源消費的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。據有關資料顯示:石油儲量的綜合估算，可支配的化學能源的極限大約為1180一1510億噸，以1995年世界石油的年開采量32億噸計算，石油儲量大約在2050年左右宣告枯竭;天然氣儲備估計在13180~152900兆立方米，年開采量維持在2300兆立方米，將在57一65年內枯竭;煤的儲量約為5600億噸，1995年煤炭開采量為3億噸，可以供應169年;鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期，核聚變在2050年前沒有實現的希望。能源短缺的形勢很嚴峻，當前世界多數國家對能源問題都很重視。新能源技術及節(jié)能技術在世界范圍內迅速發(fā)展。太陽能、綠色生物能、燃料電池、海洋能等新能源的研究與應用為人們描繪出希望。其中太陽能應用技術以其獨特的優(yōu)勢在全世界蓬勃發(fā)展，使人們在能源危機的焦慮中，感到不少欣慰。 1.2 系統(tǒng)研究背景 ?? 太陽能是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術的普及，如何提高太陽能利用裝置的效率，始終是人們關心的話題，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計為解決這一問題提供了新途徑，從而大大提高了太陽能的利用效率。 太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當今國內外最具發(fā)展前景的新能源之一。光伏（PV）發(fā)電技術在國外已得到深入研究和推廣,我國在技術上也已基本成熟，并已進入推廣應用階段。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。根據據實驗，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，采用自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35 %左右。因此，設計開發(fā)能自動追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，是非常有價值的研究課題。 1.2.1系統(tǒng)研究目的 太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前，提高太陽能利用率的研究主要集中在兩方面：一方面是提高太陽能裝置的能量轉換率，另一方面是提高太陽能的集熱率；前者屬于能量轉換領域，還有待研究，而后者利用現有的技術則可解決【1】。無論哪種太陽能利用設備，如果它的采光裝置能自動追蹤太陽并始終保持與太陽光垂直，它就可以在有限的使用面積內收集更多的太陽能。太陽能電池發(fā)電原理：利用光伏發(fā)電，即通過一對有光響應的器件將光能轉換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角器件將光能轉換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角器件將光能轉換成電能。太陽能電池板的發(fā)電量與太陽光入射角有關，當太陽光線與太陽電池板平面垂直時轉換率最高。采用自動追光系統(tǒng)轉換率可提高40%。 因此在這樣一個大前提下，我們需要制作一套全自動太陽能追光系統(tǒng)，實現了最大限度地使用太陽能，相信在不久的將來，它可以真正用到實處，用到人們的日常生活中去 1.2.2系統(tǒng)研究現狀 太陽輻照追蹤裝置要對應于晝夜、陰晴更替。太陽落山時，追蹤裝置朝向西邊，然后停止工作，并能夠復位；當遇到烏云遮住太陽時，追蹤裝置傳感單元無法反應出太陽光線的變化，當烏云過后太陽可能偏離較大的角度，這種情況下就要求追蹤裝置傳感探測單元能夠在較大的范圍內反應出太陽光線的變化。 現有用于太陽觀測科學研究的太陽追蹤裝置雖然追蹤準確但是價格太昂貴，如國家氣象計量站研制的FST型全自動太陽跟蹤器采用傳感器定位和太陽運行軌跡定位相結合的設計彌補了赤道架型太陽跟蹤器的缺點，具有全自動、全天候、跟蹤精度高等優(yōu)點【2】 。這種大型精密儀器由于價格昂貴，通用性和性價比不高。 普通民用太陽追蹤裝置比如1997年美國Blackace研制的單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的白動跟蹤，而南北方向則通過手動調節(jié)，接收器的熱接收率僅提高了15% 。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，該裝置在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進一步提高。JoeI.H.Goodman研制了活動太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉臺太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個方位跟蹤器具有人直徑的軌跡，通風窗體是白晝光照鼓膜結構窗體，窗體上面是圓頂結構，成排的太陽能收集器可以從為、到西跟蹤太陽，以提高夏天季節(jié)里能量的獲取率。2002年2月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結構，結構緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應用領域?！?】這些普通民用太陽追蹤裝置，普遍存在的問題是精度差。 市場急需一種追蹤范圍廣、精度高，原理結構簡單、方便使用的太陽追蹤裝置，并盡快將一技術轉化為生產力，從而推動太陽能的普及利用，拓寬太陽能的利用領域?！?】 1.3 論文的研究內容 本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實現大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括: (l)分析太陽運行規(guī)律，比較國內外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。 (2)分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性。 (4)選取控制方案，分析系統(tǒng)的硬件需求，設計PLC控制系統(tǒng)。 (5)設計控制方案，伺服電機以及驅動電路。 第二章 機械結構方案的比較與確認 2.1跟蹤器機械執(zhí)行部分比較選擇 根據分析以前的跟蹤器機械執(zhí)行部分的問題，以及成本等各個方面考慮，有以下幾種跟蹤器。 2.1.1立柱轉動式跟蹤器 圖2-1立柱轉動式跟蹤器 跟蹤器的結構[19]：大齒輪固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對于底座可以轉動)，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接馬達1的輸出軸。馬達1固定在轉動架上，轉動架以及支架固定安裝在主軸上，接收器、馬達2安裝在支架上面(接收器相對于支架可以轉動)，馬達2的輸出軸連接在接收器上。 跟蹤器實現自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏移的時候，控制部分發(fā)出控制信號驅動馬達1帶動小齒輪轉動，由于大齒輪固定。使得小齒輪自轉的同時圍繞大齒輪轉動，因此帶動轉動架以及固定在轉動架上的主軸、支架以及接收器轉動；同時控制信號驅動馬達2帶動接收器相對與支架轉動，通過馬達1、馬達2的共同工作實現對太陽方位角和高度角的跟蹤。系統(tǒng)特點：該跟蹤機構結構簡單，造價低。對于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳動，能在使用功率較小的馬達的同時傳遞足夠大的動力，使用功率較小的馬達降低了其能源成本和制造成本。整個跟蹤器的結構緊湊，剛度較高。傳動裝置設置在轉動架下。受到了較好的保護，提高了傳動裝置的壽命。 2.1.2陀螺儀式跟蹤器 圖2-2陀螺儀式跟蹤器 跟蹤器的結構[20]：傳動箱1固定安裝在支架上，馬達1安裝在傳動箱1上，傳動箱1的內部是由蝸桿、蝸輪組成的運動副，馬達1的輸出軸連接蝸桿，環(huán)形支架安裝在支架上面(環(huán)形支架相對于支架可以轉動)，傳動箱1的輸出軸連接環(huán)形支架，傳動箱2固定安裝在環(huán)形支架上，馬達2安裝在傳動箱2上，傳動箱2內也是由蝸桿、蝸輪組成的運動副。馬達2的輸出軸連接蝸桿，接收器安裝在環(huán)形支架上面(接收器相對于環(huán)形支架可以轉動)，傳動箱2的輸出軸連接接收器。 該跟蹤器可以選擇不同朝向安裝，當按照上圖的朝向進行安裝時，跟蹤器跟蹤的實現原理如下：當太陽光線發(fā)生偏移時，控制部分發(fā)出信號驅動馬達2帶動傳動箱2中的蝸桿、蝸輪轉動，再輸出帶動接收器相對于環(huán)形支架轉動，跟蹤太陽由東向西的運動；同時控制部分也發(fā)出信號驅動由馬達1帶動傳動箱1中的蝸桿、蝸輪轉動，再輸出帶動環(huán)形支架和接收器轉動，跟蹤太陽南北方向的運動，由此來實現對太陽的兩個方向的跟蹤。 系統(tǒng)優(yōu)點：該跟蹤機構結構簡單。對于兩個方向的跟蹤，都利用蝸桿、蝸輪副傳動，在緊湊的結構下得到很大的傳動比，能使用功率很小的馬達同時傳遞足夠的動力，使用功率小的馬達降低了其能源成本和制造成本；蝸桿、蝸輪副的自鎖性能好，能防風防雨。結構緊湊，運動空間大。傳動裝置設置在傳動箱內，受到了較好的保護，提高了裝置的壽命。 2.1.3齒圈轉動式跟蹤器 機構結構[21]：馬達1固定在支架上，馬達1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與齒圈1嚙合。齒圈1連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對于支架可以轉動)，馬達2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈2嚙合，齒圈2連接著轉動架，轉動架安裝在主軸上(轉動架相對于主軸可以轉動)。 機構實現自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏離時?？刂撇糠职l(fā)出控制信號驅動馬達1帶動小齒輪1轉動，小齒輪帶動齒圈1和主軸轉動；同時控制信號驅動馬達2帶動小齒輪2。小齒輪2帶動齒圈2和轉動架轉動，通過馬達1、馬達2的共同工作實現對太陽方位角和高度角的跟蹤。 圖2-3齒圈轉動跟蹤器 系統(tǒng)特點：該跟蹤機構結構簡單，造價低。兩個方向的跟蹤都利用齒輪副傳遞動力，能在使用功率較小的馬達的同時傳遞足夠大的動力，使用功率較小的馬達降低了其能源成本和制造成本；由于使用半個齒圈，能在緊湊的結構下得到較的傳動比。結構緊湊，運動空間大。 2.1.4本課題的機械設計方案 圖2-4本課題的機械設計方案 機構結構：馬達1固定在支架上，馬達1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與大齒輪嚙合。把齒輪連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對于支架可以轉動)，馬達2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈嚙合，齒圈連接著太陽能板，轉動架安裝在主軸上。 機構實現自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏離時。控制部分發(fā)出控制信號驅動馬達1帶動小齒輪1轉動，小齒輪帶動大齒輪和主軸轉動；同時控制信號驅動馬達2帶動小齒輪2。小齒輪2帶動齒圈和太陽能板轉動，通過馬達1、馬達2的共同工作實現對太陽方位角和高度角的跟蹤。 第三章 自動跟蹤控制系統(tǒng)控制方案的論證 3.1追蹤方案論證 眾所周知 ，地球每天為圍繞通過它本身南極和北極的“地軸”自西向東自轉一周。每轉一周為一晝夜，一晝夜又分為24h，所以地球每個小時自轉15°。 地球除了自轉外，還繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道(黃道)上運行，稱為“公轉”，其周期為一年。地球的自轉軸與公轉運行的軌道面(黃道面)法線傾斜成23°27′的夾角，而且地球公轉時其自轉軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。因此，地球處于運行軌道不同位置時，陽光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的變化。 假設觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對太陽在天球上的周年視運動情況做如下描述。 每年的春分日(3月12日)，太陽從赤道以南到達赤道(太陽的赤緯占=0°)，地球北半球的天文春季開始。在周日視運動中，太陽出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長。太陽在正午的高度等于90°- (為觀察者當地的地理緯度)。春分過后，太陽的生落點逐日移向北方，白晝時間增長，黑夜時間縮短，正午時太陽的高度逐日增加。 夏至日(6月2日)，太陽正午高度達到最大值90°-+23°27′，白晝最長，這時候地球北半球天文夏季開始。夏至過后，太陽正午高度逐日降低，同時白晝縮短，太陽的升落又趨向正東和正西。 秋分日(9月23日)，太陽又從赤道以北到達赤道(太陽的赤緯=0°)，地球北半球的天文秋季開始。在周日視運動中，太陽多出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長。 秋分過后，太陽的生落點逐日移向南方，白晝時間縮短，黑夜時間增長，正午時候太陽的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太陽正午高度達最小值90°--23°27′，黑夜最長，這時地球北半球天文冬季開始。冬至過后，太陽正午高度逐日升高，同時白晝增長，太陽的升落又趨向正東和正西，直到春分日(3月21日)太陽從赤道以南到達赤道。 3.1.1視日運動軌跡追蹤 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率與太陽高度角、大氣透明度、海拔高度、日照時數、太陽能電池光電轉換效率等有關。但是相對于某一固定地點來說，每天太陽東升西落，方位每時每刻都不樣；即使是同一地點不同日期的同一時刻也會因為太陽赤緯角的變化引起太陽高度的不同。太陽能發(fā)電系統(tǒng)要求電池組件始終盡可能最大限度垂直太陽入射光線，太陽追蹤系統(tǒng)的工作狀況對整個系統(tǒng)的發(fā)電效率有很重大的影，?，F有太陽輻照追蹤方式根據追蹤原理的不同可分為兩類:視日運動軌跡追蹤方式和光電追蹤方式【5】。 太陽位置每天都在變化，但其運行規(guī)律是確定、可以計算的，視日運動軌跡追蹤方式就是通過計算太陽每一時刻的位置來控制機械完成追蹤。一些簡單的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用此追蹤方式，即只在方位角上對太陽進行追蹤，使光伏發(fā)電效率增高，但是太陽高度角變化所帶來的效率損失也是很大的。 一、太陽高度角計算 1、一般時間 太陽高度角隨著地方時和太陽的赤緯的變化而變化。太陽赤緯（與太陽直射點緯度相等）以δ表示，觀測地地理緯度用φ表示（太陽赤緯與地理緯度都是北緯為正，南緯為負），地方時(時角)以t表示，有太陽高度角的計算公式： （3-1） 2、正午時間 日升日落，同一地點一天內太陽高度角是不斷變化的。日出日落時角度都為0， 正午時太陽高度角最大，時角為0，以上公式可以簡化為： 　 (3-2) 由兩角和與差的三角函數公式，可得 　 對于太陽位于天頂以北的地區(qū)而言，； （3-3） 對于太陽位于天頂以南的地區(qū)而言，； （3-4） 二者合并，因為無論是還是，都是為了求當地緯度與太陽直射緯度之差，不會是負的，因此都等于它的絕對值，所以正午太陽高度角計算公式： 　　【6】 （3-5） 根據太陽高度角的計算，確定太陽能集熱裝置的俯仰角，可以預設太陽能集熱裝置的運動軌跡，這種方式最大的缺點就是不能精確追蹤太陽，不能隨環(huán)境的變化而變化。 3.1.2光電軌跡追蹤 光電追蹤是使用光電傳感器作為探測組件，實時探測太陽位置并將信號送達PLC、單片機等控制核心進行處理后來完成對太陽位置的探測和追蹤。當太陽位置變化時，這些傳感器組件會得到不同的輸出結果，根據這樣的變化情況就可以知道太陽的變化情況或者知道太陽具體的偏差位置。一些太陽能追蹤系統(tǒng)直接使用太陽能接收器作為傳感組件，比如太陽能電池板。這類追蹤系統(tǒng)的工作原理是先給定一個方向讓轉動軸轉動，如果太陽能電池板上的輸出增高，說明太陽在這這個方向上，則相應電機繼續(xù)轉動下去；反之如果輸出降低，說明太陽在相反方向，則控制相應電機反轉。這類系統(tǒng)簡單，但是穩(wěn)定性差、追蹤精度低、追蹤回應慢。其它的追蹤系統(tǒng)一般采用單獨的光電傳感器來檢測太陽位置，這些傳感器采用不同的光感組件，有光電二極管、光電三極管、光電池、光敏電阻等?！?】 光電追蹤方式的優(yōu)點很多，在國內外受到高度的關注。一方面，這種追蹤方式屬于死循環(huán)控制方式，可以時刻檢測太陽位置，對系統(tǒng)的初始安裝精度要求較低，不會受到累積誤差的影響；【8】 另一方面，這種傳感器信號少，運算簡單。 光電追蹤方式也存在著致命的缺點，就是追蹤的穩(wěn)定性問題。這種回饋式的工作方式較容易受到干擾光的影響，并且受天氣的影響也較大，如何克服這樣的問題就成為了國內外學者研究較多的領域。傳感器的性能對追蹤系統(tǒng)的影響較大，如何設計一個即能準確和精確反應太陽位置又能克服干擾的太陽位置光電傳感器就成為一個關鍵問題【9】。 3.1.3追蹤方案 視日運動軌跡追蹤方式和光電追蹤方式各有優(yōu)缺點，因此實際運用中有很多系統(tǒng)都是綜合采用了兩種方式來工作，取各自的優(yōu)點來實現光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效率工作。但是這種方式成本較高，不適合小型光伏電站的發(fā)展；另外這種系統(tǒng)操作復雜，容易出現錯誤追蹤問題。 考慮到視日運動軌跡追蹤屬于開環(huán)控制，累計誤差無法消除，加入回饋系統(tǒng)后更為復雜成本更高，本系統(tǒng)選擇光電追蹤方式，采用9個信號控制，四個方位角檢測信號，一個陰晴天檢測信號，兩個水平方位極限角，兩個俯仰方位極限角。鑒于光電追蹤控制方式存在的缺點，本系統(tǒng)將令設計一種傳感器來滿足需要，并完成相應系統(tǒng)設計工作。 3.2機械傳動方案論證 目前國內外普遍使用的機械傳動機構主要有兩種，一種是單軸追蹤機構，另外一種是雙軸追蹤機構。單軸追蹤結構簡單，相較于固定不動的太陽能接受器件而言，能夠一定程度上的提高系統(tǒng)接收光能效率，但是效果并不理想。為了完成精確追蹤，必須使用兩個電機分別在東西水平方向和太陽高度俯仰角兩個不同方向上同時動作，即雙軸追蹤方式?！?0】本系統(tǒng)采用雙軸追蹤方式追蹤太陽，分為東西水平方向和俯仰角控制，水平方向最大限位角度為180度，俯仰角度最大90度，在一天當中，機械系統(tǒng)要隨時跟著太陽轉動，這就要求系統(tǒng)的速度要慢。水平方向上如果采用1:1的齒輪傳動，那么電機只能轉半圈，裝置就轉180度，這樣相對難控制且精度不高。本系統(tǒng)電機和機械裝置之間的配合采用渦輪蝸桿傳動，傳動比30:1，這樣電機轉30圈，裝置才轉1圈，這樣保證了整個系統(tǒng)的精度。俯仰角度的控制是通過伺服電機來調整，同樣要求低速，采用同樣的方法，用渦輪蝸桿減速器，減速比30:1。由于伺服電機本身非常精確，在傳動機構上采用同步帶輪，使用同步帶輪可以減少在傳動過程中的誤差。 3.3控制器論證 控制器能夠實現裝置自動運算并控制系統(tǒng)工作的功能，常見的控制器有工控機、單片機、FPGA、PLC（可編程邏輯控制器），由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)可能位于世界任意位置，系統(tǒng)對控制器本身的適應能力提出了很大的要求。 工控機(Industrial Personal Computer)即工業(yè)控制計算機，是一種增強型的可以適合工業(yè)環(huán)境的個人計算機。相對于普通計算機，它的優(yōu)點有:防磁、防塵、防沖擊，含有抗干擾能力強的專用電源，可以持續(xù)長時間的工作，有PCI和ISA插槽等。但是它也有一些缺點，比如數據處理能力差、存儲選擇性差和價格較高等【9】。 FPGA (Field-Programmable Gate Array)即現場可編程門陣列，是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，能解決定制電路的不足又能克服以前可編程器件門電路的缺點。FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一?！?1】 單片機，又被稱為微控制器(Microcontroller )。單片機的應用非常普遍，價格也較為便宜；單片機制作的主控板受制版工藝、布局結構、器件質量等因素的影響導致抗干擾能力差，故障率高，不易擴展，對環(huán)境依賴性強,開發(fā)周期長。一個采用單片機制作的主控板不經過很長時間的實際驗證很難形成一個真正的產品?！?2】 PLC是經過幾十年實際應用中檢驗過的控制器，其抗干擾能力強，故障率低，易于設備的擴展，便于維護，開發(fā)周期短、通用性強，控制程序可變、使用方便功能強、適應面廣、編程簡單，容易掌握；但成本相對單片機要高。 綜合上述分析，本系統(tǒng)選用三菱FX3U-48MR PLC作控制器。 3.4操作界面論證 在傳統(tǒng)工業(yè)控制和生產社會實踐當中用于控制的主要是按鈕元件，按鈕元件控制有很多優(yōu)越性，但是占用一定的空間。GOT即圖形操作終端，用GOT操作比較傳統(tǒng)的低壓電器輸入而言，觸摸屏操作簡單方便，可以有很多畫面組成，一個畫面又可以有很多按鈕，不僅節(jié)約了安裝空間，而且又使整個系統(tǒng)美觀。同時，GOT有很強的人機互動，可以監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行情況，減少控制電路的規(guī)模。本系統(tǒng)設計采用的三菱GOT1045 QSBD-C的圖形操作終端。 3.5 驅動控制方案論證 由于太陽在東西水平方向上運行軌跡的速度與季節(jié)、地點有較大關系，因此系統(tǒng)在水平方向應能實現無極調速，且轉速不能隨電壓和負載的變化而變化，只能通過改變頻率來改變電機的轉速，本系統(tǒng)采用三菱FR-A7NC變頻器。垂直方向控制采用三菱MRJ3-10A伺服放大器。 3.6 驅動電機論證 東西水平方向上，機械系統(tǒng)的基本要求是能夠隨太陽東升西落的過程轉動180度，此過程歷經大約10小時，這一過程就必須要求電機能夠低速運行，同步電機的轉速n=60f/p(f:電源頻率p:磁極對數)，磁極對數一般不能變動，本文選用小型90TYD-L三相低速同步電機。垂直方向上不但要求電機能低速運行，還希望能進行相對精確的位置控制，因此系統(tǒng)選擇三菱KP-13型伺服電機。 3.7 本章小結 本章對太陽能電池組件輻照追蹤控制系統(tǒng)的方案進行了論證，經過論證最終確定光電追蹤、PLC控制、水平、垂直方向伺服放大器驅動伺服電機的方案。 第四章 自動跟蹤控制系統(tǒng)硬件設計 4.1傳感器 　　國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)?！?3】 4.1.1太陽位置傳感器設計 一、光敏元件選擇 光傳感器是最常見的傳感器之一，是以光電器件作為轉換元件的傳感器，光傳感器可以直接檢測光的變化，作為探測元件組成其他傳感器又可以對許多非電量進行檢測，如直徑、速度、位移等，只需要將這些非電量變化轉換為光信號的變化即可。光傳感器有非接觸、響應快、性能可靠等特點。目前光傳感器是使用最多、應用最廣的傳感器之一，它在自動控制和檢測技術中占有非常重要的地位。 光傳感器利用半導體的光導效應、光生伏特效應或者光電效應為原理制成的傳感器。光敏電阻器利用的是半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器。主要用于光的測量、光的控制、和光電轉換。該類電阻器的特點是入射光越強，電阻值就越小，入射光越弱，電阻值就越大?？紤]到結構簡單、經濟實用的原則，滿足相對精確的設計要求，本系統(tǒng)采用光敏電阻作為檢測光強弱的傳感器元件。 二、電路設計 太陽位置光電傳感器是光電追蹤方式中很重要的一個部件，其探測可靠性決定了系統(tǒng)的追蹤準確性，繼而影響系統(tǒng)的發(fā)電效率。它對于整個系統(tǒng)的重要性不可忽視。 光電追蹤的核心部件就是光電傳感器，其可達到的精度直接影響追蹤系統(tǒng)的追蹤精度，而其追蹤精度高低是直接影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的因素之一。但是一般傳感器在保證了高精度情況下往往忽略了追蹤范圍因素，導致傳感器經常出現因追蹤范圍小而搜索不到太陽的情況。而一些改進技術雖然提高了傳感器的追蹤范圍，但是仍然不能使人滿意。所以，保證光電傳感器在追蹤范圍、追蹤精度等方面同時達到要求成為影響光電追蹤技術發(fā)展的瓶頸。 鑒于各種傳感器的特點，為了得到精度較高的追蹤系統(tǒng)，如圖4-1所示原理圖所示是一種簡單實用的傳感器，R1、R2為1KΩ電阻，R5為10KΩ電阻，R4為可調電阻，阻值為0-10KΩ，R5為1K電阻,三極管8050的集電極接中間繼電器的線圈。當有光照射達到光敏電阻，阻值發(fā)生減小，一旦比可調電阻預設的阻值小，經過放大器讓三級管導通，中間繼電器的線圈通電，常開觸頭吸合，以此來給PLC信號。 圖 4-1 LM358電路內部電路圖 LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，內部電路如圖4-2所示：2，4號腳接地，8號管腳接5V電源，輸入輸出用1、2、3號管腳或接5、6、7號管腳。 圖 4-2 LM358電路內部電路圖 三、 安裝 光電傳感器安放的位置和方法直接影響傳感器的檢測精度，因為光敏電阻是點元件，所以接受光能的范圍比較廣，如果直接暴露在陽光下會降低整個太陽追蹤系統(tǒng)的精度，所以本文設計采用在光敏電阻外部安裝遮光套，根據安裝不同地方作具體的調整。四個傳感器分別安裝于太陽能電池板的四周，如圖4-3所示，還有一個陰晴天檢測傳感器安裝于支架上，五個傳感器比較電路集成在一塊印制電路板上，安裝于太陽能電池板的后面，并作避雨處理。五個傳感器比較電路共公用一個5V電源，五個24V電源的負極直接焊在一起，電源的正極連接中間繼電器的線圈，線圈的另一端接到電路板上五個三極管的集電極，實物圖如圖5-4所示。 圖4-3 傳感器的安裝 圖4-4 傳感器電路 5.2伺服驅動器 伺服驅動器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端產品。 圖4-6伺服驅動器各個部分名稱 伺服放大器正面的顯示部分（5為7段LED）?？梢赃M行狀態(tài)的顯示，參數的設定等，可再運行前設定參數、診斷異常時的故障、確認外部程序、確認運行器件狀態(tài)。每按一次“MODE”、“UP”、“DOWN”按鍵進行參數的設定. 4.2.1伺服驅動器原理 目前主流的伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心， 可以實現比較復雜的控制算法，實現數字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路,IPM內部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。 隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應用，伺服驅動器使用、伺服驅動器調試、伺服驅動器維修都是伺服驅動器在當今比較重要的技術課題，越來越多工控技術服務商對伺服驅動器進行了技術深層次研究。 4.2.2伺服放大器連接與設置 伺服放大器頂部和控制柜內壁要留出較大空隙，并安裝風扇使控制柜內部溫度不要超過規(guī)定條件。伺服放大器密集安裝時，考慮安裝的公差，與相鄰的伺服放大器之間要留出1mm的間隙。此時，請在0-45攝氏度，實際負載在75%以下使用。 伺服放大器與外部設備連接 ： 圖4-7 伺服驅動器的接線 伺服放大器也叫伺服控制器，是控制伺服電機轉速的控制器。本系統(tǒng)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機的通訊,通訊速度快，實時采集數據的能力非常強。 伺服放大器連接參看表4-1。 表 4-1伺服放大器端子接線 伺服器端子編號 功能 PLC端子 10 PP YO+ 11 PG Y0- 35 NP Y4+ 36 NG Y4- 20 DICOM 24V 46 DOCOM 0+ 15 SAN 47DOCOM 42 EMQ 43 LSD 44 LSN 34 LG 46 DOCOM 49 RD 接X07 4.3 伺服電機連接 伺服電機有兩根外置電纜線，一根是電源線，將電源線連接到伺服放大器的另外一根是鏈接伺服放大器的編碼線CN3；編碼線連接到伺服放大器的CN2接口。 4.4 PLC和I/O擴展模塊的選型 選擇能滿足本電池包裝送料裝置控制要求的適當型號的PLC是應用設計中至關重要的一步，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標有著重要作用。PLC的選擇包括機型，容量，I/O模塊的選擇等幾個方面。 4.4.1 機型的選擇 本系統(tǒng)選取的是三菱公司生產的小型整體式可編程控制器FX3U-32MT-001系列，輸入端子選擇16點, 輸出端子選擇16點，滿足控制要求。三菱FX3U-32MT-001的CPU單元規(guī)格是:輸入16點,輸出16點,輸入、輸出為晶體管型形式,電源AC220V。 4.5 PLCI/0的分配 分配輸入/輸出點信號、輸出點與輸出控制是一一對應的。分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點號，分配給每一個輸入信號和輸出信號，即進行編號。FX2N型PLC的輸入/輸出通道號采用自由配置、固定通道方式。輸入輸出繼電器可自由選擇，與輸入點對應的即為輸入繼電器，與輸出點對應的即為輸出繼電器。包裝生產線控制系統(tǒng)輸入輸出接口如表4-2所示。 輸入 輸出 名稱 接口 名稱 接口 啟動 X0 上下伺服電機脈沖輸出 Y0 停止 X1 左右伺服電機脈沖輸出 Y1 急停 X2 上下電機脈沖方向 Y2 上光照傳感器 X3 左右電機脈沖方向 Y3 下光照傳感器 X4 上下伺服啟動 Y4 左光照傳感器 X5 左右伺服啟動 Y5 右光照傳感器 X6 上極限位置 X7 下極限位置 X10 左極限位置 X11 右極限位置 X12 上下裝置原點傳感器 X13 左右裝置原點傳感器 X14 表4-2 I/O接口分配 4.6 系統(tǒng)電氣控制接線圖設計 系統(tǒng)供電電源采用兩相線制上機供電。供電電源等級為AC220V±5％，50Hz。其中QF給整個系統(tǒng)提供電源，電機的主回路包括熱繼電器等安全回路。整機的接地保護與系統(tǒng)的接地保護網相聯(lián)接。電氣控制主電路圖見5-8。PLC的接線圖如圖5-9所示。 圖4-8 主接線圖 圖4-9 PLC接線圖 23 第五章 系統(tǒng)軟件設計 5.1 PLC的程序設計環(huán)境 PLC的編程主要是通過編程器或用PLC生產廠家提供的編程軟件來完成的。每個PLC公司都有自己的編程器，一般比較小，而且比較輕，適合在現場使用。但是這種編程器只能使用助記符語言對PLC進行編程，而且由于屏幕較小，每次只能顯示一、兩行程序，難于對程序從整體上分析。PLC公司提供的編程軟件則能使用梯形圖、助記符或功能圖語言等進行編程。通過編程軟件，不僅能從宏觀上對程序進行編輯和分析，而且還能對程序的運行情況進行監(jiān)視。 5.1.1 PLC公司的編程軟件 編程軟件的作用是編輯、調試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內部狀態(tài)和參數，與PLC進行人機對話，它是開發(fā)、應用、維護PLC不可缺少的工具。編程軟件一般由PLC生產廠家提供，各家用各家，不通用，而且多是商品化的。這些軟件一般功能都差不多，大體上有以下幾種功能。 (1) 脫機編程: 可用梯形圖語言或助記符語言編程。這兩者可相互轉換。另外，程序還可加注解。 (2) 文件管理: 對所編程序可存儲為磁盤文件，還可建立數據庫文件以及與PLC工作相關的系統(tǒng)設計軟件。 (3) 文件的上傳與下載: 程序文件、數據文件等可在計算機與PLC建立起通信聯(lián)系后下載給PLC，也可從PLC中上傳，將PLC的程序、數據上傳到計算機中，然后計算機在對其做相應管理。 (4) 監(jiān)控運行: PLC與計算機建立通信后，計算機可監(jiān)視PLC的工作，觀察任何工作位的狀態(tài)，可讀所有的數據，可強置某些工作位處于ON或OFF狀態(tài)，還可修改一些參數。 (5) 在線更改。監(jiān)視運行時發(fā)現程序存在問題，有兩種解決的辦法。⑴ 脫機更改。即先回到脫機狀態(tài)修改程序，然后再聯(lián)機，重新把程序下載到PLC。⑵ 在線更改。在問題不太多，又是允許的情況下可在線更改程序。這種邊運行、邊監(jiān)視、邊更改的方式，既不耽誤PLC的工作，可直接地發(fā)現與排除故障，是較為方便的調試與完善程序的方法。 (6) 其他功能。編程軟件還有一些其他功能。如可用來進行只讀存儲器的程序寫入。有的還可進行對PLC作組網參數的設定等。 5.1.2 三菱的GX Developer 編程軟件簡介 進入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜單中，單擊“新建”菜單項，選擇創(chuàng)建一個新文件。在【設備名稱】中填寫設備名稱，設備類型選擇PLC的類型，然后單擊設定按鈕選擇CPU的類型，單擊確定后，即可進入梯形圖編程界面，開始編程，如圖5-1所示界面。 圖5-1 編程界面 程序編寫完成后，下一步就可進行編譯、鏈接和調試了。如果編譯沒有錯誤，就可以進行在線運行。在編譯過程中，如果出現錯誤要進行修改時，我們既可以在梯形圖編程下修改，也可在助記符方式下修改。編譯完成，沒有語法錯誤，可加載程序到PLC，進行在線運行。 5.2 系統(tǒng)程序設計 5.2.1 程序設計方法及語言 工程設計中，可編程控制器應用程序的設計大體上有三種方法，也是使用最多的方法。這些方法的應用，也因不同設計人員有著不同的技術水平和習慣存在著差異。下面介紹一下常用的幾種應用程序的設計方法，以便對下面的設計更有一個清晰的認識，也使讀者更加明白可編程控制器的設計方法和技巧。 1、經驗設計法 經驗設計法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設計的基礎上，根據被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經驗進行選擇、組合。這種方法對于一些簡單的控制系統(tǒng)的設計是比較湊效的，可以收到快速、簡單的效果。但是它沒有一個普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意性，最后得到的結果也不是唯一的，設計所用的時間、設計的質量與設計者的經驗的多少有關。 經驗設計法的具體步驟如下： （1）確定輸入/輸出電器； （2）確定輸入和輸出點的個數、選擇PLC機型、進行I/O分配； （3）做出系統(tǒng)動作工程流程圖； （4）選擇PLC指令并編寫程序； （5）編寫其它控制控制要求的程序； （6）將各個環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來，即得到一個滿足控制要求的程序。 2. 邏輯設計法 工業(yè)電氣控制線路中，有很多是通過繼電器等電器組件來實現的。而繼電器、交流接觸器的觸點都只有兩種狀態(tài)即：斷開和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數設計電氣控制線路是完全可以的。該方法法是根據數字電子技術中的邏輯設計法進行PLC程序的設計，它使用邏輯表達式描述問題。在得出邏輯表達式后，根據邏輯表達式畫出梯形圖。因此用邏輯設計法也可以適用于PLC應用程序的設計。 順序控制法 對那些按動作的先后順序進行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設計法進行編程。順序控制法規(guī)律性很強，雖然編程相當長，但程序結構清晰、可讀性。在用順序控制設計法編程時，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉換順序及其轉換條件。 功能圖由流程步、有向線段、轉移和動作組成，在使用時它有一些使用規(guī)則，具體如下： （1）步與步之間必須用轉移隔開； （2）轉移與轉移之間必須用步隔開； （3）轉移和步之間用有向線段連接，正常畫順序功能圖的方向是從上向下或則從左向右。按照正常順序畫圖時，有向線段可以不加箭頭，否則必須加箭頭。 （4）一個順序功能圖中至少有一個初始步。 可編程控制器設計語言也有多種形式，因其在繼電器的基礎上研制而成，所以大部分都是以開關量為主的控制方式。很多表達形式也都是電氣符號的沿用，或直接使用。這樣，PLC的語言就有所不同。梯形圖語言是設計中使用最多的，還有流程圖，語句表，這些都為程序的閱讀提供了不同形式的方法，適合電氣方面的工程人員閱讀，也適合電子方面的工程人員進行參考使用。 結論 本文主要完成以下幾點內容 （1）詳細分析了國內外目前的太陽追蹤方式，比較之后，選擇了以PLC為控制核心的自動控制系統(tǒng)，由于光電檢測追蹤模式和太陽角度追蹤都有各自的優(yōu)缺點，因此，經過比較用光電檢測追蹤模式。 （2）選擇三菱PLC，通過比較選擇了光敏電阻作為光電傳感器，用4個光敏傳感器，實現判斷太陽所在位置的功能，這樣可以大大簡化電路。 由于本系統(tǒng)的實現技術要求比較高，而且課題研究的時間倉促，以及本人能力有限，因此還有很多地方存在著不足之處： （1）系統(tǒng)穩(wěn)定性需要加強：復位電路有時會出現不能自動復位的情況，盡管這種情況不常發(fā)生，但是一旦發(fā)生就影響系統(tǒng)的運行。 （2）在功能上需要更加完善：本系統(tǒng)沒有設置報警裝置，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)不能做出報警動作，這樣也會影響系統(tǒng)的追蹤質量。 （3）在機械裝置方面也存在問題：機械裝置能夠帶動太陽板轉動的角度是有限的，這樣也制約了追蹤的時間段。 （4）陰天情況下不能準確追蹤的問題。 致謝 經過幾個月的查資料、整理材料、設計和寫論文，今天終于可以順利的完成論文的最后的謝辭了，想了很久，要寫下這一段謝詞，表示可以進行畢業(yè)答辯了，自己想想求學期間的點點滴歷歷涌上心頭，時光匆匆飛逝，四年多的努力與付出，隨著論文的完成，終于讓學生在大學的生活，得以劃下了完美的句點。 設計得以完成，要感謝的人實在太多了，首先要感謝XXX老師，因為論文是在X老師的悉心指導下完成的。本設計從選題到完成，每一步都是在張老師的指導下完成的，傾注了X老師大量的心血。 X老師指引我的設計的方向和架構，指正出其中誤謬之處，使我有了思考的方向，他的循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，他的嚴謹細致、一絲不茍的作風，將一直是我工作、學習中的榜樣。X老師要指導很多同學的設計，加上本來就有的教學任務，工作量之大可想而知，但在一次次的教導中，使我在設計之外明白了做學問所應有的態(tài)度。 在此，謹向X老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！謝謝張老師在我設計的過程中給與我的極大地幫助。 同時，設計的順利完成，離不開其它各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在整個的設計中，各位老師、同學和朋友積極的幫助我查資料和提供有利于論文寫作的建議和意見，在他們的幫助下，設計得以不斷的完善，最終幫助我完整的寫完了整個論文。 另外，要感謝在大學期間所有傳授我知識的老師，是你們的悉心教導使我有了良好的專業(yè)課知識，這也是設計得以完成的基礎。 參考文獻 [1]李申生．太陽能[M]．北京：北京人民教育出版社，1988:12-14. 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