双轴跟踪循日式太阳能控制系统设计

南通纺织职业技术学院毕业设计（论文）双轴跟踪循日式太阳能控制系统设计（软件部分设计）陈旭东班 级 10 新能源专 业 新能源应用技术教 学 系 机电工程学院指导老师 贲礼进完成时间 2013 年 3 月 1 日至 2013 年 5 月 20 日南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统I 摘要近年来随着人类社会的发展 , 能源消耗急剧上升，光伏发电技术不断受到人们的关注。 但由于光伏发电需要通过光照才能产生电能， 而且当太阳光入射角与电池板垂直时才能产生最大的电能。 因此本设计采用西门子 PLC通过控制直流电机改变其受光照的角度， 从而尽量实现太阳光入射角与电池板垂直。 其电路主要由电源电路、西门子 PLC控制电路、按键电路、传感器检测电路等组成，并且采用 MCGS工控组态设计人机界面控制。通过最后的综合测试，硬件和软件上，都能很好的实现最大的发电效率，具有广泛的应用前景。关键词 ：光伏发电、双轴循日、 PLC、检测技术南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统II 目 录摘要 . Ⅰ第一章 概述 11.1 太能发电技术原理 11.2 太阳能光伏电池板板安装结构 21.3 光伏发电的跟踪系统结构 31.4 光伏发电的跟踪系统发展现状 3第二章 方案设计 42.1 设计要求 42.2 方案的确定 42.2.1 总体方案 . 42.2.2 总体方案框图 . 42.3 器件选择 52.3.1 PLC 控制器选择 . 52.3.2 光线传感器内部器件选择 . 52.3.4 限位传感器选择 . 72.3.5 风速传感器选择 . 72.3.6 电动机的选择 . 72.3.7 继电器的选择 . 82.3.8 其他器件的选择 . 8第三章 硬件电路部分 93.1 传感器检测电路 93.1.1 光线传感器检测电路 . 93.1.2 限位开关传感器检测电路 . 93.3 按键电路 . 103.2 中间继电器控制电路 . 103.5 直流电机电路 . 113.6 电源电路 . 11第四章 软件设计 124.1 系统运行分析 . 124.2 主程序设计 . 124.3 手动子程序设计 . 134.4 自动程序设计 . 154.5 电机控制程序设计 . 16南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统III 4.6 MCGS中使用到的软元件程序设计 184.7 完整程序 . 18第五章 人机界面监控设计 195.1MCGS组态软件简介 . 195.2 双轴跟踪循日式太阳能控制系统人机界面设计 . 195.2.1 人机界面绘制 195.2.2 系统画面中构件的属性设置 205.2.3 设备窗口属性设置 22第六章 设备调试 236.1 设备调试要求 . 236.2 调试结果 . 236.2.1 手动程序调试结果 236.2.2 自动程序调试结果 236.2.3 人机界面调试结果 246.2.4 调试数据结果 246.3 调试总结 . 24结束语 . 25致谢 . 26参考文献 27附录 1：电气电路图 . 28附录 2：完整程序 . 30附录 3：系统监控运行界面 . 38南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统1 第一章 概述1.1 太能发电技术原理在煤炭、 石油、 天然气等化石能源消耗急剧增加， 并且面临枯竭的 21 世纪，以太阳能光伏发电、 风力发电等新能源为代表的可再生能源变得极其重要。 我国拥有着非常丰富的太阳能资源， 合理的使用太阳能技术进行发电， 对于我国能源的可持续发展具有重要意义。太阳能通过太阳能光伏电池，将太阳辐射能量转换成电能，它的原理就是光生伏打效应。当光照射到太阳能电池上时，光能被电池吸收，产生光生电子 - 空穴对。 在电池内建电场的作用下， 光生电子和空穴被分离， 电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压” ，这就是“光生伏打效应” 。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。如图1.1 所示。图 1.1 光生伏打效应原理图将几十个或上百个太阳能电池片进行单体串联、 并联起来封装制作成太阳能电池组件， 在太阳光或其他光的照射下， 再将若干的组件进行串并联， 固定角度，便可获得具有一定功率输出的电能， 就形成了太阳能发电场。 进行太阳能组件串并联的太阳能光伏发电厂如图 1.2 所示。负载 +—负电极防反射膜N型半导体P型半导体正电极南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统2 图 1.2 太阳能光伏发电厂示意图1.2 太阳能光伏电池板板安装结构虽然太阳能具有取之不竭用之不尽等优点， 但是太阳能存在在密度低、 间歇性、严重受环境影响等缺点，而导致了太阳能发电设备对太阳能的利用率不高。在我国部分地区， 冬季和夏季太阳辐射量差异比较大， 尤其在高纬度地区尤为突出， 例如我国黑龙江省地区的冬季与夏季相差 5 倍之多。 这就要求我们设计太阳能光伏电池板安装角度能够尽量减少冬季和夏季接受辐射量的差距， 从而使全年总辐射量尽可能的大。 由于倾角的最佳判断选择， 通过计算相当复杂， 但可以通过下表（表 1）可以粗略确定太阳能电池板的角度，当纬度越高，则倾斜角也越大。表 1 倾斜角与当地纬度的关系纬度 太阳能光伏电池板倾斜角度0° ~ 25 ° 等于纬度26° ~ 40 ° 纬度 +5° ~ 10 °41° ~ 55 ° 纬度 +10° ~ 15 °>55° 纬度 +10° ~ 20 °目前， 普遍太阳能电场大多采用固定角度安装的电池板， 而且不能东西方向运动， 因此如何提高太阳能光伏电池板发电效率对于电场至关重要了。 现在有些电场也采用了太阳能光伏电池板跟踪系统， 在该系统中， 太阳能光伏电池板能够跟踪太阳光线运动， 从而可以接受更多的太阳辐射， 这将更有利于利于提高光伏发电效率。组件 组件 组件 组件组件 组件 组件 组件组件 组件 组件 组件组件排放场地监控系统 控制系统电网、蓄电池收集电场状态电场发出的电改变电场状态输出命令储存电能电场控制所储能物件串联并联南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统3 1.3 光伏发电的跟踪系统结构太阳能光伏发电的跟踪系统结构主要由光伏电池板，支架，电机，传动装置等组成， 通过电机转动让传动装置带动支架运动， 使支架上的光伏电池板方向改变，达到尽可能的与太阳光线垂直，接受太阳辐射，发出更多的电量。光伏发电的跟踪系统结构如图 1.3 所示， 该系统中的转轴进行左右旋转， 使太阳能光伏电池板尽量与太阳光线垂直。图 1.3 光伏发电的跟踪系统结构简图1.4 光伏发电的跟踪系统发展现状太阳能电池方阵的发电量与太阳能光入射角有关， 当太阳光与方阵垂直时发电量最大。 针对这个原因， 近年来市场上出现了多种光伏发电跟踪系统， 比如单轴跟踪系统、 双轴跟踪系统等。 系统组成部分中驱动电机分为直流电机和步进电机，控制器也有多种，比如有单片机控制， PLC控制等。从跟踪方式上看。在单轴式跟踪系统中，将太阳能电池板固定在旋转轴上。太阳具有东升西落的实际情况， 通过控制太阳能板的从东向西运动， 使太阳能电池板尽可能的受到更多太阳能光照。 在双轴式跟踪系统中， 与单轴式跟踪系统相比， 增加了南北方向的控制， 这样更加有助于使太阳能光线更好的垂直照射光伏板，更加提高了发电量。就控制器而言，单片机控制器虽然具有小巧灵活，设计制造成本低， 维护方便等特点， 但是对于控制电机要求较高； 而 PLC控制器成本虽然高，但是在电气控制方面，适应性较强。最后从驱动电机上看，直流电机可以进行 360°旋转，而步进电机转动受到步进角的影响，使其精确度不高。由以上几种方式分析， 我们可以发现 PLC控制的双轴直流电机跟踪系统具有无可争议的优势， 能够充分满足现实中光阳光照的轨迹， 并且成本低， 维护方便。太阳光线光伏电池板左右传动机构直流电机南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统4 第二章 方案设计2.1 设计要求（ 1）手动运行状态下，要求能够通过检测按钮输入，实现太阳能电池板追踪太阳阳光线， 使电池板尽可能的与太阳光线垂直， 从而吸收更多的太阳能辐射，并转换出电能。 在太阳能光伏电池板跟踪太阳光照的运动过程中， 要注意设计保护措施，安装限位保护、电机互锁，防止运动机构以及光伏电池板阵列的损坏，减少损失。（ 2）自动运行状态下，要求将光线传感器接受到的光线信号，通过 PLC输入口，把信号给 PLC控制器，来确定是白天还是夜晚。当处于白天时利用 PLC控制光线传感器检测太阳的位置， 从而控制直流电机的转动方向。 当太阳处在东边时，光线传感器接受到东边的光照较强，因此光伏电池板要求也要向东运动。在向东运行的过程中， 要求具备限位保护， 电动机互锁保护。 其他三个方向与向东运动要求相同。（ 3） 光伏电池板东西南北四个方向的转动速度要求较低 , 这样一方面能使太阳能光伏电池板更加精确跟踪太阳运动， 输出更多的电能， 另一方面能够及时处理问题，减少经济损失。（ 4） 在系统运行中， 需要考虑特殊情况。 由于光伏电池板阵列面积比较大，因此要求防止大风损坏发电系统。 在自动运行状态下， 可以通过风速传感器检测风速，风速过高时，要求能够自动退出太阳光照，当风速降低时，又重新恢复跟踪光照。（ 5）设计人机远程监控界面。通过该界面，监控人员要求能够准确地知道太阳能光伏电池板的运动情况。 在手动控制状态下， 能够通过该界面控制太阳能光伏电池板运动方向。2.2 方案的确定2.2.1 总体方案根据现在光伏跟踪系统发展的趋势， 双轴直流电机 PLC控制跟踪系统具有无可争议的优势。由于双轴直流电机 PLC控制跟踪系统对于电机的驱动要求较高，而 PLC通过继电器能够更方便控制电机， 适应大电流等特点。 最重要的是， 双轴跟踪系统能够最大效率的发出电能。 所以该方案确定为双轴直流电机 PLC控制跟踪系统。根据方案要求，太阳能自动跟踪器主要由 PLC控制器、光线传感器、风速测速器、电机电路、显示模块等几个模块组成。2.2.2 总体方案框图通过检测光线传感器来检测是白天还是夜晚， 当处于白天时利用 PLC控制光南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统5 线传感器芯片检测太阳的位置，从而控制直流电机的转动方向。当处于夜晚时，将光伏电池板转动到初始位置，等待第二天开始循日。总体框图如图 2.1 所示。图 2.1 总体结构框图2.3 器件选择2.3.1 PLC 控制器选择PLC结合了继电器接触器等诸多控制器的优点，同时又有计算机的灵活、方便等优点， 因此 PLC具有许多其他控制器所无法比拟的特点。 相对单片机等电机控制器来说， PLC的可靠性更高， 抗干扰能力更强。 编程语言简单、 易学、 易懂，便于掌握， 例如其中梯形图的语言就与继电器接触器控制原理相似。 与传统的电气电路相比，安装接线工作量小得多，并且可以进行连机调试，节省了时间，又方便。 PLC本省具有独特的自我诊断能力，如果发生故障，能够及时报警，迅速查找原因。目前市场上， PLC种类较多，比如有三菱 PLC,西门子 PLC，欧姆龙 PLC，国产的和利时 PLC。该设计中，选用西门子 PLC。西门子公司推出了一款小型可编程序控制器， 其中包含了多种 CPU模块和扩展模块， 集中了稳定的性能、 可靠的高质量、较低的价格等优点。根据系统要求，我们选用 S7-200CPU224这款型号的 PLC。拥有 24 个输入 /10 输出共 40 个数字量 I/O 点； 13KB的程序和数据存储区空间； 2 个 RS-485通信 / 编程口； MPI/PPI 通信协议。2.3.2 光线传感器内部器件选择光线传感器属于光电式传感器， 是将光照辐射量的变化转变成电量的一种变换器，简单的说就是把光信号变成电信号。光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等都属于光电传感器器件， 其广泛应用于工业控制、 家用电子电器产品等多个领域。西门子 PCL光线传感器风速传感器南北电机驱动中间继电器东西电机驱动中间继电器按钮输入端 口程序控制器输出端口南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统6 在该系统中，光线传感器主要是用于检测光线的强度，根据光线强度大小，把信息转换成数字量传送给 PLC，由 PLC判断电路的通断。光敏电阻是利用物质在光的照射下， 导电性能会改变的特点制作而成的， 其特点是在光线作用下， 电阻值变小。其具有灵敏度高、体积小、质量轻、寿命长等特点。结构图如图 2.2所示。图 2.2 光敏电阻结构图光线传感器就是由光敏电阻设计而成的。主要由放大器、电阻、三极管和继电器等组成。原理图如图 2.3 所示。图 2.3 继电器工作原理图放大器将光敏电阻的电压信号通过放大器放大，当电压值升高到一定大时，相应的三极管导通， 从而使相应的线圈得电， 输出相应的信号， 两个信号采用互锁形式。当光敏电阻 R2接受到光线照射，光敏电阻 R7未接受到光照， KM1继电器接通， KM2继电器断开，此时信号 1 端口输出信号；当光敏电阻 R7接受到光线照射，光敏电阻 R2未接受到光照， KM1继电器接通， KM2继电器断开，此时信引脚半导体金属电极玻璃底板_+_+VCCR1R2R3R4R5R6R7R8R9R10放大器 1放大器 2NPN三极管NPN三极管KM1KM2KM1KM2信号 1信号 2二极管 1二极管2二极管3南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统7 号 2 端口输出信号；当光敏电阻 R2和光敏电阻 R7都接受到光照， KM1继电器接通， KM2继电器也接通，但是此时信号 1 端口和信号 2 端口都没有信号输出；当光敏电阻 R2和光敏电阻 R7都未接受到光照， KM1继电器不会接通， KM2继电器也不会接通，此时信号 1 端口和信号 2 端口都没有信号输出。2.3.4 限位传感器选择系统在运行过程中，由于转动的角度有限，如果转动角度过大可能会损坏系统设备， 因此需要通过限位开关传感器检测太阳能光伏电池板的转动位置， 把位置信号发送给 PLC， PLC根据信号发出命令，控制其运动方向或行程。限位传感器主要是由外壳、 操作机构和触电结构等部件组成。 它的工作原理是， 当设备机构运动部件的当铁碰压推杆， 使推杆向后和向下运动， 使其另一端方向运动， 最终实现触点动作；当机构离开推杆，推杆受到弹簧的作用，重新断开触点，即回复成原来的常开和常闭状态。如图 2.4 所示。2.4 微动式限位开关1- 推杆； 2- 机构推力； 3- 动触点； 4- 常开触点；5- 常闭触点； 6- 弹簧片； 7- 微动开关塑料壳由于微动限位开关受到机械力的作用， 使其动作， 内部开关形成常开触点闭合，常闭触点断开的现象。接近开传感器原理与限位开关传感器相近，但其通过电磁通电线圈控制的。2.3.5 风速传感器选择由于太阳能光伏电池板阵列面积大， 高度较高， 当遇到大风天气时， 系统会受到损失，因此需要风速传感器，风速传感器采用风杯式。通过检测风速，防止风速过高， 损坏太阳能光伏电池板。 在检测到风速过高时， 太阳能光伏电池板将退出循日， 并且自动放平， 减少风对太阳能光伏电池板的损坏； 在检测到风速降低后，再次重新开始循日。2.3.6 电动机的选择电机在工业控制系统中应用广泛， 使用 PLC通过控制中间继电器的中断来控制电机的通断是最常用的手段之一。 电机类别步进电机、 直流电机和伺服电机等多种， 其中直流电动机有利于调速， 且具有起动转矩较大等特点。 直流电动机的工作原理是通电导体在磁场中受力的作用。 在该设计中， 选用直流电机， 再加上减速机，将有助于提高精度。1 2 34567南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统8 2.3.7 继电器的选择继电器是通过电压、 电流的电气量控制其线圈的通断， 进而控制电路的接通或断开。 继电器的种类多、 使用广泛， 电磁式继电器是其中一种。 根据 PLC要求，选用电磁式继电器中的中间继电器。 中间继电器具有体积小、 灵敏度高、 多触点、大容量等特点，在 10A以下的电路中可以替代接触器起到控制作用。2.3.8 其他器件的选择一个完整的电气控制设备， 除了信号输入部分、 输出控制部分、 控制器部分等，还有电源设计。在该系统中， PLC需要 220V交流电源，按钮需要 24V电源，中间继电器需要插座等。 因此还需要一个低压断路器、 一个 24V 的开关电源、 四个中间继电器插座。低压断路器又称自动开关， 具有刀开关、 熔断器、 热继电器及欠电压继电器所具有的功能，并且安装简单、方便使用、安全高、工作可靠等优点，符号该设计的需要。选择的型号为 DZ47-60。24V开关电源作用的将 220V交流电进行整流滤波成 24V的直流电， 工作时发热低，同时需要防止电网的干扰。使用时，一般还需要增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，防止烧毁 24V开关电源。接线端子如图 2.5 所示。图 2.5 24V 电源开关接线端子原理图1 2 3 4 5 6 7 8 9+V -V 220V~南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统9 第三章 硬件电路部分3.1 传感器检测电路3.1.1 光线传感器检测电路采用光敏电阻，检测光照强度，当天气不良光照不强或夜晚无光的情况下，光敏电阻的阻值变大。当天气良好时，电阻受到太阳光照，其电阻值变小。将四个光敏电阻放入透光深色玻璃罩的东南西北四个方向， 并且使用不透光的隔板分开。光敏电阻的阻值受到光照的影响， 阻值就会改变，则电压就会改变。当相反方向的两个光敏电阻其中一个阻值变小时，相应的继电器将进行动作， 说明这个方向收到光照， 则太阳能光伏电池板将会向这个方向移动， 如果相反方向的两个光敏电阻的阻值大小相等或相近， 则会使在这个两个方向上继电器都不会动作， 说明太阳能光伏电池板刚好受到太阳光线的垂直照射。 将读取到的光照信号数值通过信号线，把数据传送给 PLC。原理图如图 3.1 所示。图 3.1 光线传感器系统原理图3.1.2 限位开关传感器检测电路本设计中，东西南北四个方向均设有一个限位开关。当该设计处于手动或自动状态时， 光伏板根据手动状态要求或太阳光线进行东西或南北方向转动。 以向南方向转动为例， 当向南方向的传感器接收到太阳光照， 而向北方向的传感器没有接收到太阳光照， 则太阳能光伏电池板会向有光的方向转动， 如果向北方向一直没有接收到太阳能光照， 则太阳能光伏电池板会一直向南运动， 这样既不利于光伏发电效率，而且会损坏机构，带来重大损失。在一天的运行过程中，向南向北运动不得超过限位开关，这样可以有效的保护电机，和防止光伏电池板损坏。接线原理如图 3.2 所示。 当其中输入口收到信号， 就说明该方向运动到极限位置。图 3.2 限位开关系统原理图向东光线信号向南光线信号向西光线信号向北光线信号端子排PLC输入口向东限位信号向南限位信号向西限位信号向北限位信号端子排PLC输入口南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统10 3.3 按键电路在光伏供电控制要求中， 采用选择开关。 当选择开关播向左边时， 系统处在手动控制状态， 可以进行光伏电池组件手动跟踪。 当选择开关播向右边时， 单片机处在自动控制状态，可以进行光伏电池组件的自动跟踪。系统处在手动控制状态时， 如果按下向东按钮， 向东按钮的指示灯亮， 光伏组件并向东偏转， 再次按下向东按钮， 向东按钮的指示灯熄灭， 光伏组件并停止偏转。 在组件向东偏移的过程中， 遇到极限位置， 则指示灯熄灭且组件停止偏转。如果按下向西按钮， 向西按钮的指示灯亮， 光伏组件并向西偏转， 再次按下向西按钮， 向西按钮的指示灯熄灭， 光伏组件并停止偏转。 在组件向西偏移的过程中，遇到极限位置，则指示灯熄灭且组件停止偏转。在程序上， 向东按钮和向西按钮采取互锁关系。 向北按钮和向南按钮的作用与向东按钮和向西按钮的作用相同。因此按键主要包括选择开关按钮、向东运动按钮、向西运动按钮、向南运动按钮、向北运动按钮、急停按钮等，如图 3.3 所示。图 3.3 按键电路系统原理图3.2 中间继电器控制电路PLC通过控制继电器的通断，从而控制直流电机的转动 。中间继电器共有 4个，分别控制东西南北四个方向，系统如图 3.4 所示。图 3.4 中间继电器控制电路+24VPLC输入口手 / 自动按钮急停按钮向东按钮向南按钮向西按钮向北按钮PLC输出口向东运动向西运动向南运动向北运动南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统11 3.5 直流电机电路通过改变 PLC的输出口的信号，来改变电机的转向。东西方向和南北方向各使用一个电机，每个电机分别用两个中间继电器控制方向，有时为了完全考虑，需要在主电路上加上互锁。为了防过载，可以加上热继电器。为了放短路，可以加上熔断器。如图 3.5 所示，可以了解基本控制原理。图 3.5 电机控制原理图3.6 电源电路电源电路主要由 220V和 24V电路构成，在系统中 PLC等使用 220V，而继电器等使用的是 24V。如图 3.6 所示。图 3.6 PLC 基本电路KM1 KM2 KM3 KM4M M南北运动电机东西运动电机+24V0V220V交流电源开关端子排L N西门子 PLC 24V开关电源中间继电器L NL N+24V 0V南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统12 第四章 软件设计4.1 系统运行分析光伏发电控制分为自动控制和手动控制两个部分。当选择开关指向左边时，系统处在手动控制状态， 可以进行手动的太阳能光伏电池板跟踪， 东南西北四个方向跟踪光照； 当选择开关指向右边时， 系统处在自动控制状态， 可以进行自动的太阳能光伏电池板跟踪。系统处在手动控制状态时， 按下相应的按钮， 太阳能光伏电池板做相应的运动， 并点亮相应的指示灯。 系统处在自动控制状态时， 太阳能光伏电池板根据光线传感器检测的结果进行相应的运动。在程序设计中， 必须要注意电机的单一方向运动的自锁， 以及在相反方向运动过程的互锁， 防止电气设备短路损坏电气设备。 并且由于按钮无自锁功能， 因此在该项目的中， 需要对按钮的程序进行优化设计， 比如是采用按一次启动， 再按一次停止的设计思路。4.2 主程序设计根据系统运行分析，主程序主要是用来判断自动或手动子程序，并且调用相应的子程序。 在其中的一个子程序运行的时候， 要防止其他子程序运行。 使用的一些软元件不能重复，防止干扰的设备的正确运行。主程序的流程图，如图 4.1所示。图 4.1 主程序流程图开始手动 /自动自动子程序手动子程序按钮处理指示灯处理电机处理手动 自动南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统13 根据流程图编写的程序框架如下图 4.2 所示。图 4.2 主程序梯形图框架4.3 手动子程序设计该设计中，要求使用一只按钮控制电动机的起动和停止的方案。由于 PLC具有逐行扫描的特点， 因此实现这个要求的编程方法有很多种， 比如有以下三种：通过简单的常开和常闭开关控制方法；使用正跳变指令方法；使用 RS触发器和正跳变指令方法。如图 4.3 所示。I0.2 Q0.0I0.0PEN手动子程序自动子程序I0.0I0.0PI0.0ENM0.0RR100100I0.7M0.7Q0.5 M4.0Q0.5M3.2Q0.1Q1.0PI0.7M0.7PM4.0 Q0.5Q0.5M2.3 I0.0I0.0Q1.1南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统14 （ a）方法一I0.0M0.0Q0.1M0.0M0.1Q0.1M0.0PM0.1Q0.1（ b）方法二PI0.0PI0.0 Q0.1SR1RSOUT（ c）方法三图 4.3 一只按钮控制电动机起动停止的方法将方法一和方法二进行优化后，可以变得更加简单。通过使用两个正跳变指令，同时利用 PLC的逐行扫描的特点，减少程序的复杂。如图 4.4 所示。图 4.4 一只按钮的编程优化方法I0.0 M0.1 M0.0M0.1M0.0Q0.1Q0.1M0.0M0.2M0.2Q0.1I0.0 Q0.0 M0.0PPQ0.5M0.0 Q0.0I0.0南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统15 手动子程序是使用按钮， 人为自主的控制太阳能光伏电池板的转动。 按钮采用的是点动式按钮，没有保持接通（断开）的功能。当按下向东按钮，光伏组件会向东运动； 当再次按下向东按钮时， 光伏组件会停止向东运动。 东西方向软件设计上要求互锁。南北方向与东西方向设计相同。手动子程序流程图如图 4.5 所示。图 4.5 手动程序流程图根据流程图编写的程序框架如下图 4.6 所示。图 4.6 手动程序梯形图框架4.4 自动程序设计自动程序设计中包括自动跟踪光照以及风速检测程序等。 并且需要判断是白天还是夜晚。 当光线传感器四个方向都未接收到光照时， 说明处于夜晚， 此时需要将太阳能光伏电池板向东运行到东向限位， 等待第二天的自动的循日。 在自动运行过程中， 风速传感器需要不断地检测风速， 并根据风速进行相应的处理。 自开始是否向东？是否向西？是否向南？是否向北？相应的软软件取反YNNNYYY结束NI0.3M0.3M2.3 M4.1PPM2.3M4.1I0.3M0.3M2.3南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统16 动子程序流程图，如图 4.7 所示。图 4.7 自动程序流程图根据流程图编写的程序框架如下图 4.8 所示。图 4.8 自动程序梯形图框架4.5 电机控制程序设计电机控制程序放在主程序当中， 通过手动和自动程序输出的软元件控制电机的正转和反正。 程序中要求有互锁， 否则电机正方向运动会同时接通， 导致短路，并损坏电机。太阳能光伏电池板向东运行程序流程图，如图 4.9 所示。开始风速是否过大？光线检测结果根据检测结果进行相应的动作将光伏板平放结束I0.1M4.5Q0.5Q0.0M4.5Q0.5 M4.5 I1.5I1.7I2.0I1.6I1.6 I1.5I1.7 I2.0M3.3M3.2M3.4M3.5I1.4 M3.4I2.1 I2.2M3.5I2.2 I2.1南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统17 图 4.9 向东运行程序流程系统中指示灯的作用的用来表示电机运动的方向。 因此当电机运动信号来的时候，可以同时输出电机转动和方向灯信号。流程图如图 4.10 所示。图 4.10 指示灯程序流程根据流程图编写的程序框架如下图 4.11 所示。图 4.11 电机及指示灯程序梯形图框架开始电机向西运动？自动向东运动信号手动向东运动信号是否运动到东限位启动向东运动结束运动信号该运动方向指示灯M2.3 I0.0M3.2 I0.0Q1.1 Q0.1Q0.5 Q1.0M2.4 I0.0M3.3 I0.0Q1.0 Q0.2Q0.5 Q1.1南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统18 4.6 MCGS中使用到的软元件程序设计在编写程序的时候，使用的软元件需要防止和 MCGS中使用的特殊软元件重复，以防在使用 MCGS远程控制时，影响系统的正常运行。 MCGS组态使用的 PLC软元件在程序中， 需要考虑好， 是与按钮输入信号并联还是与按钮信号串联。 在该设计中， MCGS组态控制的作用主要用来控制手动状态下的太阳能光伏电池板的运动，并且要求能够观察太阳能光伏电池板的运动情况。4.7 完整程序完整的程序包括主程序、手动子程序、自动子程序。完整程序见附录 2。南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统19 第五章 人机界面监控设计5.1MCGS组态软件简介MCGS即通用监控系统， 是一套组态软件系统， 具有操作方便、 可靠性高等特点，广泛应用于工业、机械制造、电力系统等领域。该软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。 组态环境相当于一套完整的工具软件， 用来帮助用户设计和构造自己的应用系统。 运行环境则按照组态环境中构造的组态工程， 以用户指定的方式运行， 并进行各种处理， 完成用户组态设计的目标和功能。 组态环境和运行环境的关系如图 5.1 所示。图 5.1 组态环境和运行环境的关系图MCGS的主要特点和基本功能有：简单灵活的可视化操作界面；实时性强、良好的并行处理性能；丰富、生动的多媒体画面；开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能； 完善的安全机制； 强大的网络功能； 多样化的报警功能；实时数据库为用户分步组态提供极大方便； 支持多种硬件设备， 实现 “设备无关” ；控制方便复杂的运行流程； 良好的可维护性和可扩充性； 用数据库来管理数据存储，系统可靠性高；设立对象元件库，组态工作简单方便；实现对工控系统的分布式控制和管理等。5.2 双轴跟踪循日式太阳能控制系统人机界面设计5.2.1 人机界面绘制将 MCGS组态软件安装的计算机中，打开组态环境如图 5.2 所示。图 5.2 MCGS组态环境组态环境：组态生成应用系统组态结果数据库组态环境：解释执行组态结果南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统20 选中“用户窗口” ，打开“新建窗口” ，然后新建一个“窗口 0” ，并设定该窗口的属性， 将窗口名称和窗口标题中的内容改成 “双轴跟踪循日式太阳能控制系统” ，按“确认”按钮确认。如图 5.3 所示。图 5.3 窗口属性的设置按“动画组态”按钮，进入画面编辑窗口，如图 5.4 所示，在此窗口中利用工具箱中的绘图工具， 完成机械手画面设计， 完成双轴跟踪循日式太阳能控制系统画面设计，如图 5.5 所示。图 5.4 画面编辑窗口图 5.5 双轴跟踪循日式太阳能控制系统效果图5.2.2 系统画面中构件的属性设置太阳能光伏电池板的动作分为向东、向西、向南、向北等 4 个动作。使用开南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统21 关量和颜色填充表示监控界面中太阳能光伏电池板的四个运动方向。 同时还需要对监控界面中使用的一些按钮进行设定。 根据西门子 PLC控制系统的设定， 对画面中的各个相关构件进行属性设置。 数据量的定义实在实时数据库中完成的， 如图 5.6 所示。图 5.6 变量定义窗口该系统画面中东西南北四个运动方向的属性设置如图 5.7 所示， 以向东运动指示灯属性设置为例，当光伏组件向东运行时，向东方向的灯亮，反之则灭。图 5.7 向东运动指示灯属性设置该系统画面中东西南北四个运动按钮的属性设置如图 5.8 所示， 以向东运动按钮属性设置为例，向东运行按钮采用点动。图 5.8 向东运动按钮属性设置南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统22 5.2.3 设备窗口属性设置在组态工作台界面中， 选择单击 “设备窗口” 选项， 将会出现设备窗口图标，双击该图标进入设备组态窗口， 在此窗口中通过 “设备工具箱” ， 完成设备组态。设备组态完成后，双击“通用串口父设备 0” ，进入“通用串口设备属性编辑”对话框，根据设备通讯要求和连接情况，完成对话框中相关的参数设置。南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统23 第六章 设备调试6.1 设备调试要求在模拟调试过程中，要求实验状态能够尽可能的满足现实要求。 PLC输出控制电机， 可以通过观察 PLC输出口灯亮的情况， 或者观察继电器动作情况。 而一些传感器通过使用其他器件替代。 太阳采用普通投射灯替代， 水平信号传感器和风速传感器采用波动开关替代。6.2 调试结果6.2.1 手动程序调试结果按下向东按钮， KM3继电器接通， 向东运动指示灯点亮； 再次按下向东按钮，KM3继电器断开，向东运动指示灯熄灭。按下向东按钮后，再次按下向西按钮，无任何错误动作情况。 按下向东按钮后， 再次按下停止按钮， 向东运动指示灯保持点亮，而 KM3继电器断开 ; 再次按下停止按钮后， KM3继电器重新接通向西运动。按下向东按钮后，向东运动指示灯点亮， KM3继电器接通，直到触动向东限位开关，此时向东运动指示灯熄灭， KM3继电器断开。向南、向西、向北四个方向运动情况和向东方向运行情况一致。通过以上验证，得知手动程序符合设计要求。6.2.2 自动程序调试结果将光线传感器固定住， 改变投射灯的照射方向， 即模拟改变太阳光线照射位置。向东方向受到照射时， KM3继电器接通，向东运动指示灯点亮。改变投射灯光照方向，此时向西方向和向东方向都受到光照， KM3继电器和 KM4继电器都不接通， 向西运动指示灯向东运动指示灯都熄灭， 说明东西方向正对着投射灯。 将投射灯向南偏移时， 向南方向受到照射， KM1继电器接通， 向南运动指示灯点亮。将投射灯向北偏移， 当向北方向受到照射时， KM1继电器和 KM2继电器都不接通，向南运动指示灯向北运动指示灯都熄灭， 说明南北方向正对着投射灯。 此时东西南北方向都不运动， 说明组件正对着太阳光照。 在模拟光伏电池板追光的过程中，观察光线传感器输出信号， 信号改变情况与太阳能电池板组件运动方向一致。 最后将投射灯偏向西， 最终只有 KM4继电器接通， 向西运动指示灯点亮， 其他全部断开和熄灭， 当运行到向西限位时， KM4继电器也断开， 向西运动指示灯也熄灭。最后将投射灯关闭。将投射灯对准传感器向东方向，打开投射灯，模拟第二天太阳升起， KM3继电器接通，向东运动指示灯点亮 , 到限位传感器时，自动断开。控制拨动开关模拟风速大小，闭合拨动开关模拟风速过大，此时停止追光，南北方向根据水平按钮模拟信号运动， 重新打开拨动开关模拟风速降低， 当风速南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统24 降低要一定要求值时，组件重新按照要求自动追光。通过以上验证，得知自动程序符合设计要求。6.2.3 人机界面调试结果在手动和自动运动过程中，人机界面中的运行指示与系统实际运行状态相符。 在手动情况下， 通过人机界面能够按照设定要求进行相应动作： 按下向东运行信号， 光伏组件则按照要求向东运动； 按下向西运行信号， 光伏组件则按照要求向西运动； 按下向南运行信号， 光伏组件则按照要求向南运动； 按下向北运行信号， 光伏组件则按照要求向北运动。 当按下停止运行信号时， 光伏组件则停止运行，当再次按下停止运行信号时，光伏组件能够自动恢复运行。6.2.4 调试数据结果测量太阳能光伏电池板固定角度系统和太阳能光伏电池板自动跟踪系统的不同时间发电量。数据列表如表 2 所示。表 2 发电量与发电模式的关系跟踪模式 固定模式电流（ A） 电压（ V） 电流（ A） 电压（ V）上午第一次 0.018 19.49 0.017 19.10 第二次 0.019 19.56 0.019 19.42 中午 一次 0.021 19.60 0.020 19.55 下午第一次 0.020 19.58 0.019 19.44 第二次 0.019 19.53 0.018 19.25 根据表格统计数据， 跟踪模式发电量比固定模式明显比较高。 因此采用跟踪模式比固定模式要好。6.3 调试总结该项目只经过短期的调试， 但是也可能存在一些问题。 因此在实际运行中还需要不断地进行修改和完善，防止发生突发事故。南通纺织职业技术学院论文（毕业设计） 双轴跟踪循日式太阳能控制系统25 结束语该项目是综合利用单片机的优点和直流电机的特性设计而成的， 使用到的主要器件有西门子 PLC、直流电动机、传感器等。该系统采用 PLC所具有的梯形图编程，使用模块化编程风格，简单明了，易于掌握。通过写这篇论文，让我能够更好的将理论与实际相结合， 不仅仅锻炼了我所学的专业知识， 而且提高了我的实