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本文提供兩種控制方案，采用PLC對槽式太陽能集熱器熱性能測試平臺跟蹤系統(tǒng)進行設(shè)計，達到測試平臺跟蹤系統(tǒng)自動控制的目的，并實現(xiàn)了實時監(jiān)控。本文采用PLC進行數(shù)據(jù)采集和過程控制，采用觸摸屏實現(xiàn)實時監(jiān)控，提高了測試平臺跟蹤系統(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試平臺，控制測試平臺自動跟蹤太陽以達到符合槽式太陽能集熱器熱性能測試要求的目的。
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，如何測試槽式集熱器的熱性能，成了迫切需要解決的問題。為了測試槽式集熱器的熱性能，大多數(shù)科研機構(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試平臺。測試平臺主要包括旋轉(zhuǎn)平臺、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)平臺是測試平臺的基礎(chǔ)，它的正常運行是平臺測試的關(guān)鍵，而旋轉(zhuǎn)平臺是否正常運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)定性直接決定了測試平臺對于槽式太陽能集熱器熱性能測試的準確性。本文提出的基于PLC的測試平臺跟蹤系統(tǒng)的兩種設(shè)計方案結(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驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺自動跟蹤太陽；方案二采用電機驅(qū)動器和伺服電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺自動跟蹤太陽。
1. 電氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計
1.1電氣控制系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計
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。觸摸屏通過RS232C通信電纜與PLC 實現(xiàn)信息互通，通過觸摸屏可以實時監(jiān)控和及時處理系統(tǒng)異常。
方案一采用高精度磁阻傳感器和普通電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺自動跟蹤太陽。在本方案中系統(tǒng)有以下功能：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)比對、定日跟蹤、手/自動切換、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直接對模擬量進行MD轉(zhuǎn)化并運算；數(shù)據(jù)比對通過設(shè)定在PLC程序中的天文學(xué)公式（太陽方位角位置公式）進行運算，計算出此時太陽的方位角，再由太陽位置與測試平臺的物理位置根據(jù)幾何關(guān)系計算出此時測試平臺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)進行數(shù)值大小比較；跟蹤系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)比對后的結(jié)果輸出數(shù)字信號，通過電磁繼電器控制接觸器的開閉來控制普通電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺跟日轉(zhuǎn)動；手/自動切換、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-電機正轉(zhuǎn)/電機反轉(zhuǎn)/電機停轉(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，以此控制電機的正、反、停轉(zhuǎn)，帶動旋轉(zhuǎn)平臺跟日運轉(zhuǎn)。觸摸屏通過手/自動按鈕對系統(tǒng)進行手/自動控制。當(dāng)手/自動按鈕切換到自動狀態(tài)時，系統(tǒng)在水平方向上自動跟蹤太陽，此時正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕不起作用；當(dāng)切換到手動狀態(tài)時，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕可以控制系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)，為了保護電機，當(dāng)正轉(zhuǎn)按鈕和反轉(zhuǎn)按鈕同時按下時，按鈕失效，正、反按鈕僅在單獨按下時才起作用。限位開關(guān)起到保護作用，防止旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(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)平臺的啟動，正、反轉(zhuǎn)，原點返回。還可以通過相對轉(zhuǎn)角差及相對轉(zhuǎn)角的數(shù)值輸入對旋轉(zhuǎn)平臺的運行狀況進行調(diào)試及修正，方便旋轉(zhuǎn)平臺初始安裝時的程序調(diào)試及運行后的數(shù)據(jù)修正。
方案二采用電機驅(qū)動器和伺服電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺自動跟蹤太陽。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)動器以及將普通電機更換為伺服電機。PLC根據(jù)設(shè)定在內(nèi)部的太陽方位角公式計算出某一時刻輸出的脈沖量，通過電機驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機，跟日轉(zhuǎn)動。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)平臺復(fù)位至初始點-計算輸出脈沖量-輸出脈沖-電機正/反轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)通過控制脈沖量的輸出來控制伺服電機的轉(zhuǎn)動以此達到定日跟蹤的目的。觸摸屏通過手/自動按鈕對系統(tǒng)進行手/自動控制，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
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算方法。
太陽高度( h ⊙) 的計算公式為
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)時的太陽時角
太陽方位角（A）的計算公式為
cos A = (sin h ⊙sinφ- sinδ) / cos h ⊙cosφ （2）
其中，當(dāng)cos A ≤0 時，90°≤A ≤180°
當(dāng)cos A ≥0 時，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，磁阻傳感器完成對旋轉(zhuǎn)平臺當(dāng)前位置的檢測，由本地控制器采集并與控制系統(tǒng)的計算參數(shù)相比較，以進行位置確定。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)的程序分為手動模式和自動模式。手動模式在系統(tǒng)初次調(diào)試及控制系統(tǒng)檢修時使用，通過手動控制調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺至合理位置方便系統(tǒng)初始調(diào)試及系統(tǒng)檢修。自動模式可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺追日跟蹤過程的自動化。本文設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)主程序包括自動程序和手動程序。
在自動模式下，首先由PLC根據(jù)太陽位置的天文學(xué)公式計算出此時旋轉(zhuǎn)平臺應(yīng)處的位置（角度值），同時通過磁阻傳感器采集旋轉(zhuǎn)平臺此時實際所處的位置（角度值），根據(jù)兩者的差值與設(shè)定值比對的結(jié)果決定旋轉(zhuǎn)平臺的正反轉(zhuǎn)，使其跟日轉(zhuǎn)動；當(dāng)兩者差值小于設(shè)定值時，旋轉(zhuǎn)平臺停止轉(zhuǎn)動。由此完成控制系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)平臺的自動定日跟蹤。
在手動模式下，可通過手動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平臺的正、反轉(zhuǎn)，達到所需位置。
方案二：在本方案中 ，天文學(xué)公式同方案一。系統(tǒng)工作時，由PLC內(nèi)部程序計算出某一時刻的輸出脈沖量，由輸出脈沖控制伺服電機轉(zhuǎn)動，以進行跟蹤系統(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)的程序分為手動模式和自動模式。手動模式在系統(tǒng)初次調(diào)試及控制系統(tǒng)檢修時使用，通過手動控制調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺至合理位置方便系統(tǒng)初始調(diào)試及系統(tǒng)檢修。自動模式可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺追日跟蹤過程的自動化。本文設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)主程序包括自動程序和手動程序。
在自動模式下，首先根據(jù)PLC內(nèi)部設(shè)定程序使旋轉(zhuǎn)平臺快速復(fù)位至初始位置（此點由限位開關(guān)的信號控制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)平臺復(fù)位至初始位置時，限位開關(guān)輸出信號1給PLC），到達初始位置后，根據(jù)設(shè)定的天文學(xué)公式計算出此時旋轉(zhuǎn)平臺應(yīng)處的位置（脈沖值），根據(jù)脈沖值控制伺服電機轉(zhuǎn)動，以此控制旋轉(zhuǎn)平臺跟日轉(zhuǎn)動。太陽落山后，根據(jù)設(shè)置在PLC的程序，旋轉(zhuǎn)平臺自動復(fù)位至初始點，到下一日太陽升起時，根據(jù)PLC內(nèi)計算的太陽升起的時間，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)平臺快速復(fù)位至初始位置，然后根據(jù)計算的脈沖量快速轉(zhuǎn)動至正常跟蹤時旋轉(zhuǎn)平臺應(yīng)處的位置，繼續(xù)跟蹤。
在手動模式下，可通過手動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平臺的正 、反轉(zhuǎn)，達到所需位置。
2 方案運行測試對比
2.1測試方法
將高精度電子羅盤固定在旋轉(zhuǎn)平臺中軸線的位置，使其與中軸線正南方向上的夾角為0°，然后將測試平臺自動跟蹤太陽，通過測量的數(shù)據(jù)與理論計算的此時測試平臺中軸線應(yīng)處位置的角度的數(shù)值比較，計算差值，其差值的平均值即為測試平臺的跟蹤精度。
2.2 測試數(shù)據(jù)
通過對兩種方案分別一周的測試，根據(jù)當(dāng)日的數(shù)據(jù)計算出當(dāng)日的跟蹤精度，并根據(jù)測試周期內(nèi)每日的跟蹤精度計算出跟蹤系統(tǒng)的平均跟蹤精度，跟蹤精度數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 測試平臺跟蹤精度
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)計的跟蹤系統(tǒng)均達到了測試平臺跟蹤系統(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槽式太陽能聚光集熱器測試平臺跟蹤系統(tǒng)進行設(shè)計，均達到了測試平臺追日跟蹤過程中高精度（誤差≤0.1°）、良好穩(wěn)定性的自動跟蹤控制，并實現(xiàn)實時監(jiān)控，方便操作。為槽式太陽能集熱器熱性能測試平臺的建設(shè)提供了有力的技術(shù)支持。
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