基于plc的太阳能电池板追踪器机电一体化毕业设计(论文)


     XX大学汽车与电气工程系 毕业设计说明书(论文) 作 者: 学 号: 教研室: 机电一体化 专 业: 机电一体化技术 题 目: 基于PLC的太阳能追光系统电气设计 指导者: 评阅者: 2012 年X 月 XX大学汽车与电气系 毕业设计(论文)评语 学生姓名: 班级、学号 题 目:基于PLC的太阳能追光系统电气设计 综合成绩: 指导者评语: 能基本完成设计任务,具有一定的分析问题和解决问题的能力,完成了电路原理图与软件程序的编制,论文结论基本正确,完成了一定的工作量 建议该生毕业设计成绩为65分。 指导者(签字): 2012年 X 月X日 毕业设计(论文)评语 评阅者评语: 评阅者(签字): 年 月 日 答辩委员会(小组)评语: 答辩委员会(小组)负责人(签字): 年 月 日 毕业设计说明书(论文)摘要 摘 要 随着能源和环境问题的日益严重,太阳能等新能源的开发、利用越来越受到社会的关注,太阳能是一种理想的清洁绿色能源,但转换和利用率不高,造成了太阳能利用的局限性很大。如何提高太阳能的转换和利用率、降低发电系统建造成本是研究太阳能发电系统的两大难题。本系统基于三菱PLC等自动化产品设计一种结构简单、成本低廉且精度高的太阳能自动追踪系统,以提高太阳能的利用率。 本系统利用安装在太阳能电池组件的不同方位光敏传感器检测太阳与电池组件相对位置,检测结果传输给PLC,PLC通过变频器、伺服放大器分别驱动三相低速同步电机和伺服电机动作,实现水平角和俯仰角两轴控制。用户通过GOT可以选择系统工作模式:自动、手动模式。自动模式下,系统首先通过雨水传感器检测天气情况,如是雨天则自动停止在原位不工作;非雨天情况下,系统则进一步自动辨别阴晴天气,非阴天系统自动追踪太阳,以使太阳能电池组件的辐照最大化。手动模式下,用户可以依据需求手动调节太阳能电池组件的水平角和俯仰角。同时系统具有恶劣天气自我保护功能,如强风天气,系统会自动将太阳能电池组件保持水平位置,以减少迎风面。 由于时间及作者目前的知识限制,跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪,有较大误差,今后如有机会再进行改进。 关键词:PLC 变频器 伺服 太阳能 追踪 目录 1绪论 1 1.1能源与环保 1 1.1.1 能源紧缺 1 1.1.2 环境污染 1 1.1.3温室效应 1 1.2 系统研究背景 2 1.2.1系统研究目的 2 1.2.2系统研究现状 3 1.2.3系统拟研究内容 4 1.3本章总结 4 2方案论证 5 2.1追踪方案论证 5 2.1.1视日运动轨迹追踪 5 2.1.2光电轨迹追踪 7 2.1.3追踪方案 8 2.2机械传动方案论证 8 2.3控制器论证 9 2.4操作界面论证 9 2.5 驱动控制方案论证 10 2.6 驱动电机论证 10 2.7 系统方案 10 2.8 本章小结 11 3机械传动机构设计 12 3.1机械传动机构组成 12 3.2 机械传动机构工作原理 13 3.3 机械传动机构安装注意事项 13 3.4本章小结 13 4电气控制设计 14 4.1传感器 14 4.1.1太阳位置传感器设计 14 4.1.2 雨水传感器 17 4.1.3 风速传感器 17 4.2 变频器 18 4.2.1变频器以及变频器连接与安装 18 4.2.2变频器参数设置 21 4.3伺服驱动器 22 4.3.1伺服驱动器原理 23 4.3.2伺服放大器连接与设置 23 4.4 伺服电机连接 25 4.5 三相交流电机连接 25 4.6 PLC电气连接 25 4.7 电气控制箱设计与安装 27 4.8 电气元器件清单 29 4.9 本章小结 29 5系统软件设计 30 5.1 GOT画面设计 30 5.2 系统控制策略 31 5.3 顺序控制流程图 32 5.4 梯形图程序设计 32 5.4.1 I/O端口分配表 32 5.4.2 软元件说明 33 5.4.3 梯形图程序 34 5.5 模拟量收集 34 5.6 本章小结 34 6系统调试 35 6.1调试的基本任务 35 6.1.1调试前的准备工作 35 6.1.2 调试前的检查 35 6.1.3调试的一般顺序 36 6.2 机械传动机构调试 36 6.3 传感器调试 37 6.4 GOT调试 37 6.5 系统联合调试 41 6.5.1 晴天 41 6.5.2 阴天 42 6.5.3 雨天 42 6.5.4 大风天气 42 6.5.5 紧急情况 42 6.6 本章小结 43 7结论 44 7.1总结 44 7.2 系统的提升 44 7.3 展望 44 参考文献 46 致谢 47 1绪论 1.1能源与环保 随着时代的前进,人类社会和经济的发展速度日益增加,但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础,社会经济发展得越快,人类对能源的需求就越大,利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源,如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因,世界能源问题日益严峻,表现在如下方面: 1.1.1 能源紧缺 世界上大部分国家能源供应不足,据统计近10 年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍,预计今后十年化石燃料的用量将翻一番,但全球己探明的石油储量只能用到2050年,天然气也只能延续到2040年左右,即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。 1.1.2 环境污染 由于燃烧煤、石油等化石燃料,每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空,使大气环境遭到严重污染,直接影响居民的身体健康和生活质量,局部地区形成酸雨,严重污染水土。 1.1.3温室效应 化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应,引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程,有关国际组织己召开多次会议,限制各国COZ等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭,已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭,石油,原子能等。占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的,不可再生的。据有关资料显示:石油储量的综合估算,可支配的化学能源的极限大约为1180一1510亿吨,以1995年世界石油的年开采量32亿吨计算,石油储量大约在2050年左右宣告枯竭;天然气储备估计在13180~152900兆立方米,年开采量维持在2300兆立方米,将在57一65年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨,1995年煤炭开采量为3亿吨,可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨,根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期,核聚变在2050年前没有实现的希望。能源短缺的形势很严峻,当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展,使人们在能源危机的焦虑中,感到不少欣慰。 1.2 系统研究背景    太阳能是已知的最原始的能源,它干净、可再生、丰富,而且分布范围广,具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低,这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及,如何提高太阳能利用装置的效率,始终是人们关心的话题,太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径,从而大大提高了太阳能的利用效率。 太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。光伏(PV)发电技术在国外已得到深入研究和推广,我国在技术上也已基本成熟,并已进入推广应用阶段。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的,不能充分利用太阳能资源,发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直,使其最大化地接收太阳能,则能充分利用丰富的太阳能资源。根据据实验,在太阳能发电中,相同条件下,采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 %左右。因此,设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统,是非常有价值的研究课题。 1.2.1系统研究目的 太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源,这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前,提高太阳能利用率的研究主要集中在两方面:一方面是提高太阳能装置的能量转换率,另一方面是提高太阳能的集热率;前者属于能量转换领域,还有待研究,而后者利用现有的技术则可解决【1】。无论哪种太阳能利用设备,如果它的采光装置能自动追踪太阳并始终保持与太阳光垂直,它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。太阳能电池发电原理:利用光伏发电,即通过一对有光响应的器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角有关,当太阳光线与太阳电池板平面垂直时转换率最高。采用自动追光系统转换率可提高40%。 因此在这样一个大前提下,我们需要制作一套全自动太阳能追光系统,实现了最大限度地使用太阳能,相信在不久的将来,它可以真正用到实处,用到人们的日常生活中去 1.2.2系统研究现状 太阳辐照追踪装置要对应于昼夜、阴晴更替。太阳落山时,追踪装置朝向西边,然后停止工作,并能够复位;当遇到乌云遮住太阳时,追踪装置传感单元无法反应出太阳光线的变化,当乌云过后太阳可能偏离较大的角度,这种情况下就要求追踪装置传感探测单元能够在较大的范围内反应出太阳光线的变化。 现有用于太阳观测科学研究的太阳追踪装置虽然追踪准确但是价格太昂贵,如国家气象计量站研制的FST型全自动太阳跟踪器采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的设计弥补了赤道架型太阳跟踪器的缺点,具有全自动、全天候、跟踪精度高等优点【2】 。这种大型精密仪器由于价格昂贵,通用性和性价比不高。 普通民用太阳追踪装置比如1997年美国Blackace研制的单轴太阳跟踪器,完成了东西方向的白动跟踪,而南北方向则通过手动调节,接收器的热接收率仅提高了15% 。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器,该装置在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜,这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量,使热接收率进一步提高。JoeI.H.Goodman研制了活动太阳能方位跟踪装置,该装置通过大直径回转台太阳能接收器可从东到西跟踪太阳,这个方位跟踪器具有人直径的轨迹,通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体,窗体上面是圆顶结构,成排的太阳能收集器可以从为、到西跟踪太阳,以提高夏天季节里能量的获取率。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置,该装置利用控制电机完成跟踪,采用铝型材框架结构,结构紧凑,重量轻,大大拓宽了跟踪器的应用领域。【3】这些普通民用太阳追踪装置,普遍存在的问题是精度差。 市场急需一种追踪范围广、精度高,原理结构简单、方便使用的太阳追踪装置,并尽快将一技术转化为生产力,从而推动太阳能的普及利用,拓宽太阳能的利用领域。【4】 1.2.3系统拟研究内容 本系统尝试利用三菱电机相关FA产品:PLC、变频器、伺服放大器、伺服电机等设计、制造一种简单、经济、高效并能实现两轴控制的太阳能电池组件辐照追踪系统。 1.3本章总结 本章简单介绍太阳能电池组件辐照追踪系统的研制背景、目的、现状及拟研究内容。 2方案论证 2.1追踪方案论证 众所周知 ,地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜,一昼夜又分为24h,所以地球每个小时自转15°。 地球除了自转外,还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行,称为“公转”,其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)法线倾斜成23°27´的夹角,而且地球公转时其自转轴的方向始终不变,总是指向天球的北极。因此,地球处于运行轨道不同位置时,阳光投射到地球上的方向也就不同,形成地球四季的变化。 假设观察者位于地球北半球中纬度地区,我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。 每年的春分日(3月12日),太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占=0°),地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中,太阳出于正东而没于正西,白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90°- (为观察者当地的地理纬度)。春分过后,太阳的生落点逐日移向北方,白昼时间增长,黑夜时间缩短,正午时太阳的高度逐日增加。 夏至日(6月2日),太阳正午高度达到最大值90°-+23°27´,白昼最长,这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后,太阳正午高度逐日降低,同时白昼缩短,太阳的升落又趋向正东和正西。 秋分日(9月23日),太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬=0°),地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中,太阳多出于正东而没于正西,白昼和黑夜等长。 秋分过后,太阳的生落点逐日移向南方,白昼时间缩短,黑夜时间增长,正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日(12月2日),太阳正午高度达最小值90°--23°27´,黑夜最长,这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后,太阳正午高度逐日升高,同时白昼增长,太阳的升落又趋向正东和正西,直到春分日(3月21日)太阳从赤道以南到达赤道。 2.1.1视日运动轨迹追踪 太阳能光伏发电系统的发电效率与太阳高度角、大气透明度、海拔高度、日照时数、太阳能电池光电转换效率等有关。但是相对于某一固定地点来说,每天太阳东升西落,方位每时每刻都不样;即使是同一地点不同日期的同一时刻也会因为太阳赤纬角的变化引起太阳高度的不同。太阳能发电系统要求电池组件始终尽可能最大限度垂直太阳入射光线,太阳追踪系统的工作状况对整个系统的发电效率有很重大的影,。现有太阳辐照追踪方式根据追踪原理的不同可分为两类:视日运动轨迹追踪方式和光电追踪方式【5】。 太阳位置每天都在变化,但其运行规律是确定、可以计算的,视日运动轨迹追踪方式就是通过计算太阳每一时刻的位置来控制机械完成追踪。一些简单的太阳能光伏发电系统采用此追踪方式,即只在方位角上对太阳进行追踪,使光伏发电效率增高,但是太阳高度角变化所带来的效率损失也是很大的。 一、太阳高度角计算 1、一般时间 太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬(与太阳直射点纬度相等)以δ表示,观测地地理纬度用φ表示(太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正,南纬为负),地方时(时角)以t表示,有太阳高度角的计算公式: (2-1) 2、正午时间 日升日落,同一地点一天内太阳高度角是不断变化的。日出日落时角度都为0, 正午时太阳高度角最大,时角为0,以上公式可以简化为:   (2-2) 由两角和与差的三角函数公式,可得   对于太阳位于天顶以北的地区而言,; (2-3) 对于太阳位于天顶以南的地区而言,; (2-4) 二者合并,因为无论是还是,都是为了求当地纬度与太阳直射纬度之差,不会是负的,因此都等于它的绝对值,所以正午太阳高度角计算公式:   【6】 (2-5) 根据太阳高度角的计算,确定太阳能集热装置的俯仰角,可以预设太阳能集热装置的运动轨迹,这种方式最大的缺点就是不能精确追踪太阳,不能随环境的变化而变化。 图2-1日照图 2.1.2光电轨迹追踪 光电追踪是使用光电传感器作为探测组件,实时探测太阳位置并将信号送达PLC、单片机等控制核心进行处理后来完成对太阳位置的探测和追踪。当太阳位置变化时,这些传感器组件会得到不同的输出结果,根据这样的变化情况就可以知道太阳的变化情况或者知道太阳具体的偏差位置。一些太阳能追踪系统直接使用太阳能接收器作为传感组件,比如太阳能电池板。这类追踪系统的工作原理是先给定一个方向让转动轴转动,如果太阳能电池板上的输出增高,说明太阳在这这个方向上,则相应电机继续转动下去;反之如果输出降低,说明太阳在相反方向,则控制相应电机反转。这类系统简单,但是稳定性差、追踪精度低、追踪回应慢。其它的追踪系统一般采用单独的光电传感器来检测太阳位置,这些传感器采用不同的光感组件,有光电二极管、光电三极管、光电池、光敏电阻等。【7】 光电追踪方式的优点很多,在国内外受到高度的关注。一方面,这种追踪方式属于死循环控制方式,可以时刻检测太阳位置,对系统的初始安装精度要求较低,不会受到累积误差的影响;【8】 另一方面,这种传感器信号少,运算简单。 光电追踪方式也存在着致命的缺点,就是追踪的稳定性问题。这种回馈式的工作方式较容易受到干扰光的影响,并且受天气的影响也较大,如何克服这样的问题就成为了国内外学者研究较多的领域。传感器的性能对追踪系统的影响较大,如何设计一个即能准确和精确反应太阳位置又能克服干扰的太阳位置光电传感器就成为一个关键问题【9】。 2.1.3追踪方案 视日运动轨迹追踪方式和光电追踪方式各有优缺点,因此实际运用中有很多系统都是综合采用了两种方式来工作,取各自的优点来实现光伏发电系统的高效率工作。但是这种方式成本较高,不适合小型光伏电站的发展;另外这种系统操作复杂,容易出现错误追踪问题。 考虑到视日运动轨迹追踪属于开环控制,累计误差无法消除,加入回馈系统后更为复杂成本更高,本系统选择光电追踪方式,采用9个信号控制,四个方位角检测信号,一个阴晴天检测信号,两个水平方位极限角,两个俯仰方位极限角。鉴于光电追踪控制方式存在的缺点,本系统将令设计一种传感器来满足需要,并完成相应系统设计工作。 2.2机械传动方案论证 目前国内外普遍使用的机械传动机构主要有两种,一种是单轴追踪机构,另外一种是双轴追踪机构。单轴追踪结构简单,相较于固定不动的太阳能接受器件而言,能够一定程度上的提高系统接收光能效率,但是效果并不理想。为了完成精确追踪,必须使用两个电机分别在东西水平方向和太阳高度俯仰角两个不同方向上同时动作,即双轴追踪方式。【10】本系统采用双轴追踪方式追踪太阳,分为东西水平方向和俯仰角控制,水平方向最大限位角度为180度,俯仰角度最大90度,在一天当中,机械系统要随时跟着太阳转动,这就要求系统的速度要慢。水平方向上如果采用1:1的齿轮传动,那么电机只能转半圈,装置就转180度,这样相对难控制且精度不高。本系统电机和机械装置之间的配合采用涡轮蜗杆传动,传动比30:1,这样电机转30圈,装置才转1圈,这样保证了整个系统的精度。俯仰角度的控制是通过伺服电机来调整,同样要求低速,采用同样的方法,用涡轮蜗杆减速器,减速比30:1。由于伺服电机本身非常精确,在传动机构上采用同步带轮,使用同步带轮可以减少在传动过程中的误差。 2.3控制器论证 控制器能够实现装置自动运算并控制系统工作的功能,常见的控制器有工控机、单片机、FPGA、PLC(可编程逻辑控制器),由于太阳能发电系统可能位于世界任意位置,系统对控制器本身的适应能力提出了很大的要求。 工控机(Industrial Personal Computer)即工业控制计算机,是一种增强型的可以适合工业环境的个人计算机。相对于普通计算机,它的优点有:防磁、防尘、防冲击,含有抗干扰能力强的专用电源,可以持续长时间的工作,有PCI和ISA插槽等。但是它也有一些缺点,比如数据处理能力差、存储选择性差和价格较高等【9】。 FPGA (Field-Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列,是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,能解决定制电路的不足又能克服以前可编程器件门电路的缺点。FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。【11】 单片机,又被称为微控制器(Microcontroller )。单片机的应用非常普遍,价格也较为便宜;单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差,故障率高,不易扩展,对环境依赖性强,开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。【12】 PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器,其抗干扰能力强,故障率低,易于设备的扩展,便于维护,开发周期短、通用性强,控制程序可变、使用方便功能强、适应面广、编程简单,容易掌握;但成本相对单片机要高。 综合上述分析,本系统选用三菱FX3U-48MR PLC作控制器。 2.4操作界面论证 在传统工业控制和生产社会实践当中用于控制的主要是按钮元件,按钮元件控制有很多优越性,但是占用一定的空间。GOT即图形操作终端,用GOT操作比较传统的低压电器输入而言,触摸屏操作简单方便,可以有很多画面组成,一个画面又可以有很多按钮,不仅节约了安装空间,而且又使整个系统美观。同时,GOT有很强的人机互动,可以监控控制系统的运行情况,减少控制电路的规模。本系统设计采用的三菱GOT1045 QSBD-C的图形操作终端。 2.5 驱动控制方案论证 由于太阳在东西水平方向上运行轨迹的速度与季节、地点有较大关系,因此系统在水平方向应能实现无极调速,且转速不能随电压和负载的变化而变化,只能通过改变频率来改变电机的转速,本系统采用三菱FR-A7NC变频器。垂直方向控制采用三菱MRJ3-10A伺服放大器。 2.6 驱动电机论证 东西水平方向上,机械系统的基本要求是能够随太阳东升西落的过程转动180度,此过程历经大约10小时,这一过程就必须要求电机能够低速运行,同步电机的转速n=60f/p(f:电源频率p:磁极对数),磁极对数一般不能变动,本文选用小型90TYD-L三相低速同步电机。垂直方向上不但要求电机能低速运行,还希望能进行相对精确的位置控制,因此系统选择三菱KP-13型伺服电机。 2.7 系统方案 综上所述,太阳能电池组件辐照追踪系统的整体框图如图2-2所示。 图2-2系统框图 2.8 本章小结 本章对太阳能电池组件辐照追踪控制系统的方案进行了论证,经过论证最终确定光电追踪、PLC控制、水平方向变频器驱动三相低速同步电、垂直方向伺服放大器驱动伺服电机的方案。 3机械传动机构设计 3.1机械传动机构组成 能实现两轴运动的太阳能电池组件辐照追踪控制系统机械结构主要由3部分组成,分别是底座,圆盘,太阳能电池支架。 图3-1 系统机械装配图 图3-2 系统实物图 3.2 机械传动机构工作原理 本系统双轴追踪主要有圆盘的转动实现追踪装置的水平转动,支架的俯仰实现太阳能板的仰角摆动。 圆盘的转动,用三相同步电机经过减速器,带动圆盘转动。圆盘转动的范围在水平位置内180度转动,在最西边和最东边有限位开关,当触碰到最西限位角,装置立即回到初始位置,就是最东边垂直位置,当触碰到最东限位角装置就停止运动。当第二天太阳再次升起的时候装置重新启动,追踪太阳。 太阳能板仰角的摆动,用伺服电机经过减速器,通过同步带带动轴和轴上的太阳能外框以及太阳能板一起绕轴转动。俯仰角有两个限位开关,只允许太阳能电池板旋转90度,当太阳能电池板触碰到限位开关后,立即停止旋转。只等有回原点信号,停留在最高角度位置的太阳能电池板才会动作。 3.3 机械传动机构安装注意事项 1、三相同步电机和伺服电机在启动的瞬间都有较大的瞬间扭矩,所以必须与底座和圆盘有效固定。 2、在圆盘上的带盲孔圆柱体和盲孔的尺寸一定要保证平面轴承能可靠接触。放轴的支撑架要满足的要求:支架相对放置在过圆盘圆心的圆盘上,靠近边缘,板上的圆孔的轴线过圆盘的圆心,以保证轴的自由转动。 3、安装同步带时,一定要先保证电机和减速器和轴的垂直,还有同步带轮和轴上的同步带平行。 4、在安装轴时套筒和L形板的在实际安装的误差使轴线有偏差,所以要在调试的时候通过螺钉的松紧控制轴线的偏差,保证轴的自由转动。 5、安装带同步带时要控制上带和下带的松紧,延长使用寿命。 3.4本章小结 本章介绍了机械部分的结构,运动方式,安装调试和注意事项。 4电气控制设计 4.1传感器 传感器: 英文名称:transducer / sensor   国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。【13】 4.1.1太阳位置传感器设计 一、光敏元件选择 光传感器是最常见的传感器之一,是以光电器件作为转换元件的传感器,光传感器可以直接检测光的变化,作为探测元件组成其他传感器又可以对许多非电量进行检测,如直径、速度、位移等,只需要将这些非电量变化转换为光信号的变化即可。光传感器有非接触、响应快、性能可靠等特点。目前光传感器是使用最多、应用最广的传感器之一,它在自动控制和检测技术中占有非常重要的地位。【14】 光传感器利用半导体的光导效应、光生伏特效应或者光电效应为原理制成的传感器。光敏电阻器利用的是半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。主要用于光的测量、光的控制、和光电转换。该类电阻器的特点是入射光越强,电阻值就越小,入射光越弱,电阻值就越大。考虑到结构简单、经济实用的原则,满足相对精确的设计要求,本系统采用光敏电阻作为检测光强弱的传感器元件。 二、电路设计 太阳位置光电传感器是光电追踪方式中很重要的一个部件,其探测可靠性决定了系统的追踪准确性,继而影响系统的发电效率。它对于整个系统的重要性不可忽视。 光电追踪的核心部件就是光电传感器,其可达到的精度直接影响追踪系统的追踪精度,而其追踪精度高低是直接影响太阳能光伏发电系统发电效率的因素之一。但是一般传感器在保证了高精度情况下往往忽略了追踪范围因素,导致传感器经常出现因追踪范围小而搜索不到太阳的情况。而一些改进技术虽然提高了传感器的追踪范围,但是仍然不能使人满意。所以,保证光电传感器在追踪范围、追踪精度等方面同时达到要求成为影响光电追踪技术发展的瓶颈。【15】 鉴于各种传感器的特点,为了得到精度较高的追踪系统,如图4-1所示原理图所示是一种简单实用的传感器,R1、R2为1KΩ电阻,R5为10KΩ电阻,R4为可调电阻,阻值为0-10KΩ,R5为1K电阻,三极管8050的集电极接中间继电器的线圈。当有光照射达到光敏电阻,阻值发生减小,一旦比可调电阻预设的阻值小,经过放大器让三级管导通,中间继电器的线圈通电,常开触头吸合,以此来给PLC信号。 图 4-1 LM358电路内部电路图 LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,内部电路如图4-2所示:2,4号脚接地,8号管脚接5V电源,输入输出用1、2、3号管脚或接5、6、7号管脚。 图 4-2 LM358电路内部电路图 三、 安装 光电传感器安放的位置和方法直接影响传感器的检测精度,因为光敏电阻是点元件,所以接受光能的范围比较广,如果直接暴露在阳光下会降低整个太阳追踪系统的精度,所以本文设计采用在光敏电阻外部安装遮光套,根据安装不同地方作具体的调整。四个传感器分别安装于太阳能电池板的四周,如图4-3所示,还有一个阴晴天检测传感器安装于支架上,五个传感器比较电路集成在一块印制电路板上,安装于太阳能电池板的后面,并作避雨处理。五个传感器比较电路共公用一个5V电源,五个24V电源的负极直接焊在一起,电源的正极连接中间继电器的线圈,线圈的另一端接到电路板上五个三极管的集电极,实物图如图4-4所示。 图4-3 传感器的安装 图4-4 传感器电路 4.1.2 雨水传感器 雨水传感器采用两根导线交叉式按布在电路板上靠的很近但不导通,连接到PLC端子是X0,当雨水滴落到传感器上时,两根导线导通,此时向PLC传送雨天信号,PLC传送出动作信号,执行回原点程序,保护装置。如图4-5。 图 4-5 雨水传感器 4.1.3 风速传感器 风速传感器是在直流电机上装一扇叶,当有风时扇叶会随风转动,直流电机会产生电流,当风速达到一定风力时,电池板会水平放置以减小风带来的阻力,降低系统损坏的可能。如图4-6。风速传感器的信号传输到PLC的模拟量模块,正负两端分别接模拟量模块的V2和COM端。 图4-6 风速传感器 4.2 变频器 变频器(Variable-frequency Drive,VFD)是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。 本系统采用三菱变频器FR-A740-0.75K-CHT 三菱变频器FR-A740-0.75K-CHT 性能介绍 功率范围:0.75~500kW 闭环时可进行高精度的转矩/速度/位置控制 无传感器矢量控制可实现转矩/速度控制 内置PLC功能(特殊型号) 使用长寿命元器件,内置EMC滤波器 强大的网络通讯功能,支持DeviceNet,Profibus-DP,Modbus等协议 4.2.1变频器以及变频器连接与安装 变频器的连接采用NET(网络)运行模式,变频器主体的PU链接器(RS-485内置端子)和可编程逻辑控制器的485ADP连接,将终端电阻开关设置成100Ω,连接电缆是双绞线,链接方便通讯简单,而且可以链接多台变频器,为后期硬件改善留有余量。可编程逻辑控制器与变频器的485通讯连接线只有5根线,采用双绞线。 ●变频器的连接步骤: 1、确认连接方法 2、准备接线 3、断开可编程逻辑控制器的电源 4、连接(仅FXon-485ADP)电源 5、通讯设备之间的接线 6、连接终端电阻 7、连接屏蔽线。【18】 图4-7 PLC与变频器连接图 图4-8 PLC与变频器的连接 ●变频器安装 1松开操作面板的两处固定螺丝。(螺丝不能卸下) 图4-9 2按住操作面板左右两侧的插销,把操作面板往前拉出 后卸下。 图4-10 进行安装时,请笔直插入并安装牢靠,旋紧螺丝。 ●取下 1)旋松安装前盖板用的螺丝。 2)请一边按着表面护盖上的安装卡爪,一边以左边的固定卡爪为支点向前拉取下。 图4-11 ●安装: 1)请将表面护盖左侧的2处固定卡爪插入机体的接口。 2)请以固定卡爪部分为支点确实地将表面护盖压进机体。 (也可以带操作面板安装,但要注意接 口完全连接好。) 3)请拧紧安装螺丝。 图4-12 ●变频器的安装 图4-13 4.2.2变频器参数设置 本系统设计不需要改变电机转矩控制,位置控制,对于速度控制如果用改变电压来控制电机的转速会因电流增大而使电机发热、烧坏,因此保持输出电压和频率的比率恒定的方式就是采用V/F控制模式,采用V/F控制对电机的要求比较少,通用性比较好,适用低速调整。其他方式在本系统中,没有被采用,采用V/F控制就满足本系统的要求。 1、确认运行的现实以及运行模式的显示:确定已是停止运行状态。 2、设定为参数设定模式:按下MODE键后,设置为参数设定模式。 3、输入参数:转动M拨盘,对准P331,按下SET键,转动M拨盘,将设定直改为0,按下SET,完成输入参数。 4 、完成输入:按照步骤3,将数据全部输入变频器,完成变频器的参数设定。 4.3伺服驱动器 伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”,是用来控制伺服电机的一种控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分,主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制,实现高精度的传动系统定位,目前是传动技术的高端产品。 图4-13伺服驱动器各个部分名称 伺服放大器正面的显示部分(5为7段LED)。可以进行状态的显示,参数的设定等,可再运行前设定参数、诊断异常时的故障、确认外部程序、确认运行器件状态。每按一次“MODE”、“UP”、“DOWN”按键进行参数的设定. 4.3.1伺服驱动器原理   目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心, 可以实现比较复杂的控制算法,实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。 随着伺服系统的大规模应用,伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题,越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。 4.3.2伺服放大器连接与设置 伺服放大器顶部和控制柜内壁要留出较大空隙,并安装风扇使控制柜内部温度不要超过规定条件。伺服放大器密集安装时,考虑安装的公差,与相邻的伺服放大器之间要留出1mm的间隙。此时,请在0-45摄氏度,实际负载在75%以下使用。 图4-14 伺服放大器与外部设备连接 : 图4-15 伺服放大器也叫伺服控制器,是控制伺服电机转速的控制器。本系统采用MR-J3-10A,MR-J3系列伺服放大器配有USB通用接口可方便和PC机的通讯,通讯速度快,实时采集数据的能力非常强。 伺服放大器连接参看表4-1。 表 4-1伺服放大器端子接线 伺服器端子编号 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 4.4 伺服电机连接 伺服电机有两根外置电缆线,一根是电源线,将电源线连接到伺服放大器的另外一根是链接伺服放大器的编码线CN3;编码线连接到伺服放大器的CN2接口。 4.5 三相交流电机连接 将三相同步低速电机接到变频器的输出端即可。 4.6 PLC电气连接 PLC可直接连接到电脑进行通讯,GOT也可以直接连接到电脑通讯,但是这样会比较麻烦,有一种直接通讯方式,可通过一根USB电缆线连接到GOT,可经由GOT进行工控设备的编程与安装、调试,无需打开控制柜、更换电缆等麻烦的工作,这种就是透明连接。本系统PLC——GOT——PC的连接参看图4-16。 图4-16 透明接线图 PLC外界输入输出信号及地址分配及电路连接PLC请参表4-2输入输出端口分配表和图4-17PLC连接图。 表4-2 PLC端口分配表 端子 输入设备 功能 X0 光照传感器 阴晴天 X1 光照传感器 上 X2 光照传感器 下 X3 光照传感器 左 X4 光照传感器 右 X7 伺服器 伺服准备好信号 X11 限位开关 伺服下限位信号 X12 GOT 急停按钮信号 X17 限位开关 伺服上限位信号 X20 GOT 急停按钮复位信号 X23 GOT 手动运行按钮信号 X24 限位开关 变频器原点,东限位信号 X25 限位开关 变频器西限位信号 X26 GOT 自动运行按钮信号 图4-17 PLC外部连接图 4.7 电气控制箱设计与安装 系统原理图参看图4-18,主电路由两个空气开关分别保护(我们电路采用三相五线结构分别是三相线‘黄、绿、红’、地线、零线),三相线下面由变频器控制三相同步电机进行调速控制,实现纵向旋转时所需的转速, 另一项由220V控制的伺服器、PLC、开关电源以及散热装置,伺服器对伺服电机进行速度调节,它和变频器都是由PLC进行控制的,开关电源是为了提供24V和5V电源所采用的(为了安全考虑我们的两个指示灯都是用的24V安全电压),散热装置是为了本系统安全运行所不可缺少的。系统电气控制柜安装布置图参看图4-19。 图4-18 系统原理图 图4-19 系统安装布置图 4.8 电气元器件清单 表4-3电气元器件清单 名 称 数量(台/套) 备注 PLC 1 三菱FX3U-48MR GOT 1 GT1045-QSBD-C 伺服放大器 1 MR-J3-10A 伺服电机 1 三菱KP-13 变频器 1 三菱FR-A740-0.75k-CHT 三项同步电机 1 90TYD-L 中间继电器 5 空气开关 4 接触器 2 指示灯 2 启动指示、停止指示 紧急停止按钮 1 旋停按钮 按钮 2 启动按钮、停止按钮 24v直流电源 1 行程开关 4 导线 若干 行程开关 4 电池板 1 长宽82x36 4.9 本章小结 本章对整个控制系统的硬件做了详细的介绍,包括光电传感器、PLC、伺服放大器、变频器、三相电机、伺服电机的安装及注意事项。 5系统软件设计 5.1 GOT画面设计 GOT的画面编辑是通过GT Desinger2进行编辑,操作简单,可自行编辑画面,亦可自行美化画面。程序通过USB电缆线进行下载设计画面。本系统设计了7个画面包括:欢迎界面、主界面、手动指示画面、自动指示画面、监控指示画面、变频监控画面、伺服监控画面。主界面是选择操作模式,选择手动、自动还是监控模式。选择好操作模式,进行下一步。手动操作模式是两轴的控制XY轴,即东西水平方向和俯仰角。自动模式分启动和停止按钮,分别有指示灯显示。监控指示画面包含有两个监控对象,伺服监控和变频器监控,分别用指示灯指示运行状况。 GOT画面详见第6.4节 表5-1 GOT软元件对照表 按钮 指示灯显示 软元件 功能 软元件 功能 X0020 紧急复位 D2 电池板实时电压显示 X0023 手动启动 M16 风速保护指示灯 X0012 紧急停止 Y0020 变频器运行指示 M21 X轴向左 Y0021 变频器正转指示 M27 X轴向右 Y0022 变频器反转指示 M13 Y轴向左 Y0023 变频器运行异常 M14 Y轴向右 Y0024 伺服器运行异常 X0025 自动模式启动 Y0010 手动运行指示 M16(置位) 启动风速保护 Y0011 自动运行指示 M16(复位) 风速保护复位 Y0012 阴天停止指示 D250 变频器频率输入 Y0013 紧急停止指示 D201 变频器最大频率显示 D203 变频器最小频率显示 D6 风速显示 5.2 系统控制策略 模糊控制是一模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑理论为基础的一种控制方法,它是从行为上模仿人的模糊理论和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验变成模糊规则,然后将模糊化后的信号作为模糊规则的输入,完成模糊推理,将推理后得到的输出量加到执行器上。 本系统根据春夏秋冬四季太阳入射光强度的不同,调节可调电阻,根据不同的电压变化在一定的范围内,将模糊的模拟量转化为数字量给PLC执行器,PLC根据一定的规则,控制系统运行。 表5-2 传感器控制规则 传感器信号 机构动作 晴天 1号 2号 3号 4号 0 x X x X 无动作 1 1 0 0 0 上左运动 0 1 0 0 上右运动 0 0 1 0 下右运动 0 0 0 1 下左运动 1 1 0 0 向上运动 1 0 0 1 向左运动 0 0 1 1 向下运动 0 1 1 0 向右运动 1 1 1 0 上右运动 1 1 0 1 上左运动 1 0 1 1 下左运动 0 1 1 1 下右运动 1 1 1 1 无动作 5.3 顺序控制流程图 顺序控制流程图详见附录。 5.4 梯形图程序设计 主程序要能是实现装置在水平方向上电机转动,当触碰到西限位开关,三相电机能够停止转动,然后转向原来最东边的初始位置,转动到最东边时触碰到东限位角时,整个装置进入等待状态,等待第二天太阳再次升起的时候再次转动;太阳能电池板俯仰角在随太阳高度角变化而变化的时候,装置需要限制太阳电池板的运动,俯仰角最大不能超过90度,最小不能小于0度,在肌纤维直分别装有限位开关,当初碰到俯仰角限位开关再次方向上装置停止运动。 5.4.1 I/O端口分配表 表 5-3 PLC输入端子分配表 端子 输入设备 功能 X0 光照传感器 阴晴天 X1 光照传感器 1 X2 光照传感器 2 X3 光照传感器 3 X4 光照传感器 4 X7 伺服器 伺服准备好信号 X11 限位开关 伺服下限位信号 X12 GOT 急停按钮信号 X17 限位开关 伺服上限位信号 X20 GOT 急停按钮复位信号 X23 GOT 手动运行按钮信号 X24 限位开关 变频器原点,东限位信号 X25 限位开关 变频器西限位信号 X26 GOT 自动运行按钮信号 5.4.2 软元件说明 表5-4 PLC内部继电器说明 端子 功能 端子 功能 MO 变频器回原点主控标志 M102 伺服器回原点结束标志 M1 伺服器回原点主控标志 M103 伺服器回原点上行标志 M2 阴天标志 M104 伺服器回原点下行标志 M3 传感器信号出错标志 M105 伺服器上行移动中 M4 系统运行主控指令1 M106 伺服器下行移动中 M5 系统运行主控指令2 M107 上行结束 M10 紧急停止标志 M108 下行结束 M11 自动/手动运行标志 M109 伺服器运行上行标志 M12 运行模式选择标志 M110 伺服器运行下行标志 M51 变频器初始化标志 M111 伺服器运行上行中 M52 变频器回原点结束标志 M112 伺服器运行下行中 M53 变频器回原点左行标志 M113 伺服器运行停止 M54 变频器回原点右行标志 M114 伺服器运行停止 M55 切换运行频率1(GOT) M220 伺服器手动上行标志 M56 切换运行频率2(GOT) M221 伺服器手动下行标志 M61 正转指令 M222 伺服器手动上行运行 M62 反转指令 M223 伺服器手动上行运行 D250 变频器运行频率寄存器 M224 伺服器手动上行结束 M70~M77 变频器运行状态 M225 伺服器手动下行结束 M63 低速运行指令 D0 电压模拟通道1 M16 启动风速保护 D1 电压模拟通道1 M15 风速起标志位标志 D2 电压模拟通道1转换值 M115 伺服风速上行 D3 电压模拟通道1转换值 M116 伺服风速下行 D4 电压模拟通道2 D5 电压模拟通道2 D5 电压模拟通道2转换值 D6 电压模拟通道2转换值 5.4.3 梯形图程序 详细梯形图程序请详见附录。 5.5 模拟量收集 整个装置在正常运行时,收集到的太阳能在GOT的画面上有显示,即太阳能实时电压的显示,如图所示,在手动和自动模式下也有是电压的显示。在GOT上用的软原件是D2。收集到的太阳能通过如图5-1所示的电路传送到PLC的模拟量模块进行识别,最后在GOT上进行实时电压显示。 图5-1信号采集电路 5.6 本章小结 本章主要介绍了系统软件,GOT画面的制作,采用的控制策略,和程序的设计。程序的设计包括程序流程图,I/O端口分配和具体的程序。 6系统调试 6.1调试的基本任务 为了实现生产机械的工作任务以及达到规定的静态、动态性能指标,必须在系统安装竣工并经质量检验合格后,进行认真细致的调试工作。这是确保系统安全可靠、合理进行的必要手段。为此,应做到以下几方面要求。 按技术文件及图纸对各单体设备、附属装备进行外观检查,关键尺寸检查,装配质量及部件互换性检查,接线检查,绝缘试验等常规的检验,以发现整个系统的设备及附件在经过长途搬运、仓库保管以及安装过程中有无损坏、差错或其他隐患。找出并核对系统中各电源装置的极性、相序以及各单元之间的正确连接关系。将所有保护装置均按设计要求进行整定。对每一单元进行特性测定、调整、试验,使其工作在最合理的工作状态——达到满意的技术指标。通过调试,使得整个系统获得较为理想的静态特性和动态指标。验证在各种状态下,系统工作的可靠性,以及各种事故状态下保护装置的可靠性。通过调试,校核设计文件的正确性及提供修改设计的必要依据。 6.1.1调试前的准备工作 1、应具备完整的设计图纸、说明书(包括有关计算)以及主要设备的技术文件。 2、应编制详尽的系统调试大纲,明确规定各单元、各环节以及整个系统的调试步骤、操作方法、技术指标。 3.、应挑选对本系统有一定了解的人员和电工参加调试工作,必要时可邀请有关设计人员、技术人员参加调试。 4、除一般常用的仪器、仪表、工具、器材、备品、配件等应齐备完好外,还应准备好被调试系统所需的专用仪器和仪表,如双踪示波器等。 5、为确保调试安全顺利进行,应具有可切断全部电源的紧急总开关,并认真考虑调试时的各种安全措施。 6.1.2 调试前的检查 1、设备安装检查。 2、线路检查。 3、绝缘检查。 6.1.3调试的一般顺序 1、先查线,后操作;通电前先检查线路。 2、先保护,后操作;先做保护部分整定,后调试操作部分。 3、先单元,后整体;先调单元部分,后调整体部分。 4、先静态,后动态;先调静态工作点,后调动态响应。 5、先模拟,后真实;先带电阻性模拟负载试验,后带真实负载。 6、先开环,后闭环;系统调试时先做开环调试,后做闭环调试。 7、先内环,后外环:双闭环系统调试时先做内环调试,后做外环调试。 8、先低压,后高压;整个系统投入时,先送低压电调试,然后再投入高压。 9、先轻载,后重载;试运行时可以先带轻负载,后带重负载、过负载。 10、先手动,后自动;试运行时先做手动操作试验,满意后再投入自动系统试验。 11、先正常,后事故;试运行时先按正常情况下操作,然后按各种事故状态试验,以考核整个系统工作可靠性。 6.2 机械传动机构调试 本项目采用的机械传动机构有涡轮蜗杆减速机构,在前期机械零部件加工完成后,要对整个机械系统进行安装和调试。具体的安装调试过程如下: 1、 准备工具和螺栓等零件。 2、 安装三相同步电机,固定在指定位置,通过联轴器和减速器连接,固定在指定位置。 3、 安装圆盘(固定)用螺栓固定到3个方形快上。 4、 安装平面轴承。 5、 安装圆盘(可动),对心保证有效接触,用销将圆盘和减速器的输出轴固定。 6、 轴的安装:套筒套轴承装在轴上,然后装同步带轮和同步带,在安装同步带的时候,注意不要将同步带的齿安装发生错误,上下带齿一定要一致。再套上轴承,套上套筒,用螺钉固定在支架上。 7、 将减速器用联轴器和伺服电机固定在L形板上,装上带轮,套上带固定(松点)在n形板上,用n形板上的螺纹结构将带拉紧,载将L形板完全固定在n形板上。 8、 安装太阳能板外框,用螺母和u形螺栓将外框拉在轴上。 9、 将太阳能板安装在外框中,用螺栓固定,然后完成. 6.3 传感器调试 系统的整体调试主要是传感器比较电路可调电阻的调节,可调电阻的调试方法:如果光线不强的情况下,中间继电器就已经吸合了,说明可调电阻预设值过小,当光源稍微靠近三极管就导通继电器的常开触头就吸合了,在这种情况下,要将可调电阻调大;如果不管怎么移动光源,三极管无法导通,中间继电器没有反应,这说明可调电阻的预设值调大了,这时要将可调电阻的阻值调小。 6.4 GOT调试 先进入GOT画面点击“扬州市职业大学”,进入系统。如图6-1、6-2所示。 图6-1 欢迎界面 图6-2 主界面 一、手动模式界面调试 在GOT画面上选择手动模式,点击运行按钮,接着修改参数修改在XY轴的装置的位置,如图6-3和6-4 图6-3 手动指示画面 图6-4 手动参数修改 二、自动模式界面调试 进入自动模式窗口,点击启动,系统如果不在原点,先自动回原点,然后执行自动程序。如图6-5所示。 图 6-5 自动指示画面 三、变频器参数设定界面调试 在系统运行前可以设定变频器参数,如图6-6所示,但是必须在变频器硬件设定的频率5-30Hz之间, 图6-6 变频器参数输入 四、风速保护界面调试 风速保护是可选项,根据用户需求,可执行亦可不执行,屏幕上可有风速传感器实时传输的风速显示。可以如图6-7所示。 图6-7 风速保护选择 五、监控界面调试 系统在运行时,GOT可以进行实时监控,可选择云运行监控和变频器伺服器的运行状况。如图6-8、6-9、6-10所示。 图6-8 监控指示画面 图 6-9 变频、伺服监控画面 图6-10运行监控画面 6.5 系统联合调试 6.5.1 晴天 装置通380V交流电后,先由阴晴天检测传感器,检测是否为晴天,在晴朗的时候,控制方式分两种:自动模式和手动模式。 一、自动工作模式 太阳能电池组件辐照追踪系统开始自动工作,如果系统装置不在原点,则太阳能电池组件辐照追踪系统自动回原点,当触碰到最东限位角和俯仰角最低角是停止转动,即已经回到原点位置。然后按放在太阳能电池板四周的传感器开始检测太阳的位置,当其中一个传感器检测到阳光时,则系统的运动方向朝向这个传感器的方向;当两个不在同一方向上的传感器同时接受到信号是,则此时系统的运行为复合运动,即垂直方向和水平方向同时转动;当同一方向上的两个传感器同时接受到信号,则这个方向处于正对位置,就不需要转动,直至四个传感器同时接受到信号时,整个装置处于正对位置,此刻太阳能电池组件辐照追踪系统停止工作,只有在同一方向上的传感器检测信号有偏差时,这个方向上在作进行调整。当处于正午时,太阳高度角处于最大,太阳能电池组件辐照追踪系统在俯仰角垂直方向上处于极限位置,触碰到俯仰角最大极限角限位开关,此时太阳能电池组件辐照追踪系统在俯仰角垂直方向上不会再转动,太阳高度角减小时,太阳能电池板继续跟踪太阳;当太阳落山时,太阳能电池组件辐照追踪系统水平方向上处于极限位置,整个装置进行回原点运动,触碰到原点水平方向的极限角和俯仰角最小极限角时停止工作,等待第二天太阳再次升起,太阳能电池组件辐照追踪系统继续工作,如此循环工作。在GOT主画面中可以看见,太阳能采光的模拟量显示。 二、手动工作模式 点击GOT手动操作画面,太阳能电池组件辐照追踪系统开始手动控制,有四个方向的运动,分别是垂直方向上的俯仰角变化和水平方向上的左右变化,此时GOT画面上会有电池板太阳能采光的模拟量数值的变化。 6.5.2 阴天 装置通380V交流电后,先由阴晴天检测传感器,检测是否为晴天,检测为阴天,则太阳能电池组件辐照追踪系统在原点不工作。但是阴晴天检测传感器实时检测中,在已按下自动工作模式的时候,当天气突然放晴时,阴晴天检测传感器此时给PLC信号让系统工作,太阳能电池组件辐照追踪系统自动跟踪。在阴天的情况下,如果切换到手动操作模式时,系统不工作。 6.5.3 雨天 太阳能电池组件辐照追踪系统正常工作时,当雨水传感器检测到下雨时,系统停止工作,执行回原点程序,当触碰到原点的限位开关时,停止工作。来实现保护功能。 6.5.4 大风天气 太阳能电池组件辐照追踪系统正常工作时,当风力传感器检测到大风天气时,预设值为八级风,强风吹动风扇旋转,驱动直流发电机发电,达到八级风力时,发电机发电电流达到一定值时,太阳能电池组件辐照追踪系统停止工作,并执行回原点程序,当触碰到原点的限位开关时,停止工作。来实现保护功能。 6.5.5 紧急情况 如遇到紧急情况按下紧急按钮,则太阳能电池组件辐照追踪系统停止工作,此时无论执行什么操作装置都不会运动。只有在按下复位之后方可进行其他操作。 6.6 本章小结 本章介绍了整个系统的加工过程及对机械部分、电气部分和系统整体的一个调试过程。 7结论 7.1总结 本系统提出一种太阳能电池组件辐照追踪控制系统。本文的主要工作总结下: 1、分析了太阳追踪的两种方式,采用的光电跟踪方式,可根据天气情况自行选择是否工作,在提高太阳利用率的同时,系统工作更稳定。 2、深入分析了机械结构、电气控制以及各方案的论证。也对电气控制箱做了具体的分析设计。设计出了一种结构简单、原理简单使用方便的太阳能电池组件辐照追踪控制系统。 7.2 系统的提升 因为时间的缘故以下装置不做实物演示。 1、驱鸟装置:鸟类如果停留在太阳能电池板上,第一会增加本身的重量,对电池板会有损坏,第二会污染太阳能电池板,所以要装一个驱鸟的装置 2、风力保护:风力保护时太阳能电池板只是成水平位置,应根据风力在电池板上的压力旋转具体的角度让电池板和风向呈平行位置。 3、冰雪:当太阳能电池板表面有冰雪覆盖时,太阳能电池板表面的压力传感器会检测到,达到一定厚度,电池板上下沿边缘的电阻丝发热自动除雪 4、雷电保护:本装置在室外运行,必须装有防雷电措施,应装有避雷针。 5、太阳能的收集:本项目并未使用蓄电池进行能源收集,在后期发展时会作进一步的研发。 7.3 展望 本文设计了基于PLC的太阳照射角度的自动跟踪系统,该系统能够实现对太阳的双向跟踪。 在本文中,首先讨论了太阳能利用的一些现状,诸如目前世界上的能源利用状况、太阳能的特点以及其与目前主流的常规能源相比的一些优势、太阳能在国内外的利用情况,并且叙述了目前的几种太阳能采集装置以及目前几种比较常用的太阳光照跟踪方法,从而对太阳能利用及其跟踪方面有了一个比较清楚的了解。接下来提出了本次设计的跟踪系统的构想,对各部份进行了简单的介绍并列出了对整个系统以及系统中各个部件的一些设计要求。之后分别对跟踪系统的机械部分、控制部分以及程序部分进行了设计,并对设计中用到的主要器件进行了选型。 本设计只是基本实现了对太阳光照射角度的双向跟踪,在跟踪的精确度等方面仍旧有许多不足,比目前已有的跟踪系统还有很大的差距,系统的各个部分还有很大的改进空间,今后若有机会在进行进一步的改进。 目前的资源体系仍旧以不可再生资源为主,但在社会不断快速发展的今天,资源的使用越来越多,目前资源体系的各种缺点也越发的凸显出来,例如污染的问题以及目前资源的不可再生的问题。而太阳能资源因为本身的无污染,以及可再生等优点而慢慢的被人们重视起来。今后太阳能的利用范围必然会越来越广,而利用太阳能发电也必然是太阳能利用的主要方面,而这种适合家用的小型太阳能自动跟踪发电系统由于其结构简单、价格低廉、较高的稳定性并且对太阳能的利用效率高等的特点,也必然会有极大的发展潜力。 在研究开发新能源的历程中的我们只是其中一支探索的队伍,如今全球各地都在推进光伏发电发展的脚步,但是由于光伏技术仍然不成熟,建设成本仍然较高,本论文设计对以后光伏事业发展有一定的帮助。尤其现在硅光电池成本仍然较高的情况下,发展高精度跟踪技术对太阳能事业有着重要的意义。 参考文献 [1] 任松林 主动式太阳跟踪及驱动系统研究与设计 重庆大学硕士学位论文 2008年5月 [2] 于贺军等.全自动太阳跟踪器软件的设计和研究.气象水文海洋仪器,2001,第2期:7-11 [3] 宋开峰 新型太阳能跟踪装置机构的研究 [4] 于贺军等.全自动太阳跟踪器软件的设计和研究.气象水文海洋仪器,2001,第2期:7-11 [5] 《地球概论》第三版 高等教育出版社 [6] 李加升等,基于光敏器件的光控电路分析[[J].中国科技信息2005年第14期 [7] Project: INTAS96-1887. Photovoltaic installation with sunlight concentrators.Final Report,2000 [8] 杨培环 高精度太阳跟踪传感器与控制器研究 2010年4月 [9] 宋开峰 新型太阳能跟踪装置机构的研究 [10] 工控机性能分析,中国工控网,工控论坛 [11] 王志良.电力电子器件及其应用技术[M],北京:国防出版社,1995 [12] 楼然苗.51系列单片机设计实例.北京:北京航空航天大学出版社,2003 [13] 杨培环 高精度太阳跟踪传感器与控制器研究 2010年4月 [14] 杨培环 高精度太阳跟踪传感器与控制器研究 2010年4月 [15] 杨培环 高精度太阳跟踪传感器与控制器研究 2010年4月 [16] 王淑英等编第四版电气控制与PLC应用 [17] 豆丁网 [18] 三菱FR-A700 使用手册 致谢 在本论文的写作过程中,我的导师XX老师倾注了大量的心血,从选题到开题报告,从写作提纲,到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题,严格把关,循循善诱,在此我表示衷心感谢。 通过本次课程设计,使太阳能追光系统达到了系统的各种控制要求,成功完成太阳能追光系统的PLC自动控制系统的设计。经过对系统程序的运行调试,实现了太阳能追光系统的自动控制,也可实现太阳能追光系统手动控制。提高了系统的可靠性,达到了设计目标。设计中还是存在着一些不足,本系统还有待进一步的完善、改进。 时间如梭,经过五个多月的紧张的忙碌,毕业设计终于接近尾声,给大学的最后一课画上了一个圆满的句号。 三年的理论学习,使我掌握了基本的专业知识、学习方法。然而,理论离不开实践,毕业设计正是专业教学的最后一个环节它使我们使所学的知识得到复习、巩固,加强了理论联系实际的能力,真正把所学的知识应用到实践中去,为将来步入社会,走向工作单位打下了坚实的基础。 在指导教师和同学的热心帮助下,我完成了本次设计。在毕业论文完成之际向培养我的学校及所有关怀和鼓励我的老师表示深深的谢意。这次设计为我今后的工作奠定了良好的基础,同时,使我能够把学到的知识应用到实践当中,也是对我三年来所学专业知识的一次检验。 在设计过程中得到了来自方方面面的关怀与指导。尤其是指导教师戴亦宗老师在学习中给予了很大的帮助,为本次设计的顺利完成耗费了大量的心血。在此我要向尊敬的导师表示深深的谢意! 最后,感谢全体机电一体化专业的老师及同学给予我的关心和帮助。 由于本人能力有限,在设计过程中不妥之处在所难免,望广大指导教师给予批评指正。 谢谢! 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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