基于PLC的太阳自动跟踪系统的设计与实现

Design of solar tracking system based on PLC

张文涛ZHANG Wen-tao

（北京电子科技职业学院 自动化工程学院，北京 100176）

摘　　要：太阳跟踪系统在光伏发电系统中应用广泛，本文作者通过设计基于ＰＬＣ控制技术的驱动系统，

自动跟踪太阳光直射方向，提高光伏电池的运行效率。本设计以北京地区为例，充分利用地理

和气象原理，通过自动控制技术设计太阳跟踪系统。该系统以ＰＬＣ为控制器为核心控制器，通过利用ＰＬＣ技术、变频调速技术、人机界面、工业网络等高新技术实施太阳跟踪，并具体论述了太阳跟踪系统的组成、原理、数学模型、应用经验等。

关键词：太阳追踪系统；ＰＬＣ；太阳能发电；数学模型；应用经验中图分类号：ＴＰ２７３．５　

　　　　文献标识码：Ａ　

　　　文章编号：１００９－０１３４（２０１０）０３－０１２７－０３

0 引言

太阳追踪系统的主要功能是实现最大限度地获得输出功率，通过跟踪太阳光直射方向来提高光伏电池的效率，并采用一定算法来寻找光伏电池的最大功率点。系统在不同时间、地点能够自动控制光伏电池方向，获得最大输出功率。实践证明，通过实施自动跟踪太阳，可以提高光伏电池的发电效率达30%以上。

统还是闭环系统，均采用控制器进行控制，利用驱动系统驱动，外围配备人机接口，乃至构建成工业网络，实施网络协调、网络控制。1.2 本课题研究内容

本课题通过分析基于气象原理开环太阳追踪系统原理和系统构成，在双轴跟踪系统的硬件基础上，通过利用气象原理，结合地球经纬度数据，研究太阳运动轨迹规律，依据太阳运动规律，形成方位角和高度角变化趋势，最后通过PLC控制器根据数据实施编程，控制双轴跟踪系统，实现不同经度、纬

1 系统概述

1.1 太阳追踪系统现状

太阳追踪系统通常分为单轴太阳能追踪系统和双轴太阳能追踪系统两种。单轴太阳能自动跟踪系统通过自动控制系统自动跟踪太阳方位角，高度角可手动进行调整，使太阳能电池保持较大的发电功率。双轴太阳能追踪系统通过自动控制系统自动跟踪太阳方位角和高度角，方位角和高度角均依靠不同原理自动实施调整。目前太阳追踪系统依据控制原理划分，分为带传感器闭环控制系统和不带传感器开环控制系统。两种系统各有优缺点，闭环系统理论上精度更高，获得效率最大，但受到天气、温度、环境因素影响大，特殊环境会导致系统运行不正常。开环系统精度稍低，但受天气、温度、环境的影响小，运行可靠，成本低，获得发电效率较闭环系统总体持平。随着技术不断发展，无论开环系

图1 控制系统框图

收稿日期：２００９－１２－０３

作者简介：张文涛（１９７６－），男，北京人，主任，硕士，研究方向为机电一体化。

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度下的不同地区，太阳追踪系统根据各地太阳运动规律实施方位角和高度角的自动跟踪。本系统以西门子小型PLC-S7-214XP PLC为控制核心，通过变频器驱动异步电动机，进而驱动光伏电池组按规律运动。

1.3 控制系统组成

主要由西门子CPU224XP为控制核心、以CP243-1IT为通信单元、用TD400C作为人机界面。通过西门子SINAMICS G110变频器驱动异步电动机作为系统执行单元。1.4 系统应用范围

本控制系统研究内容涉及到控制方法、数学建模、控制程序除可用于光伏发电以外，还可以用于光伏发热、气象监测、植物养殖等。

2 太阳自动跟踪系统的动态控制

所谓太阳自动跟踪系统动态控制就是指在系统在太阳跟踪过程中，根据特定方法实施自动控制，保证系统在稳定、高精度状态下运行。

方位角控制和高度角控制功能是动态控制的最基本功能，通过实施自动控制，系统可以在每年的不同时间，根据不同地理位置情况，可以保持自动跟踪系统始终面对太阳直射方向。在跟踪过程中，系统的方位角和高度角受控制器单独控制，角度变化直接反馈给控制器，从而保证运动角度的可靠性和准确性。

3 太阳自动跟踪系统的特点

太阳自动跟踪系统对系统稳定性要求非常高，系统要求在无人值守状态下自动运行，系统应能够在天气、温度、环境等错综复杂因素影响下始终保持系统工作的可靠性。目前多数设备均工作在野外无人值守环境下，必须做到免维护。另外，太阳能电池板的成本目前普遍偏高，因而太阳自动跟踪系统的电控系统的性能价格比就显得非常重要，电控系统既要满足各种技术要求，还要满足客户的成本需求。

4 太阳自动跟踪系统数学建模

太阳跟踪原理分析 本系统自动跟踪的基本原理是利用太阳光照图进行解读，通过分析不同经纬度地区在每年的不同时间观测到的日出日落不同时间，得到太阳跟踪的基本数据。以北京为例，如表

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表1 北京日出日落时间表

图2 北半球方位角和高度角

1所示。

根据不同经纬度地区太阳运动的不同轨迹，还归纳出不同经纬度地区跟踪系统的方位角和高度角，以地球北半球为例，如图3所示。

在太阳移动过程中，根据太阳在每天的不同时间运行的不同轨迹数据，计算得到方位角AZ和高度角He在不同时间的不同数值。得到方位角AZ和高度角He在一定周期内的变化规律。

动态跟踪模型构建　动态跟踪系统模型构建需预先设置几个重要参数，本课题研究分析后定义参数如下：

经度（Longitude）E，经度信息用于计算方位角和高度角变化规律；

纬度（Latitude）N，纬度信息用于计算方位角和高度角变化规律；

时间（Time），用于计算方位角和高度角用坐标参数。

1）动态方位角Az确定：如果要确定动态方位角Az，必须确定太阳直射点的位置，要确定太阳直射点的位置，就要判断出太阳直射点的纬度和经度。纬度位置一般有三种情况，即太阳直射在北回归线、南回归线和赤道上，判断的依据是观察极圈内的昼

【夜状况。经度位置是太阳直射点位于地方时12点所在的经线上。

2）动态高度角He确定：正午太阳高度可用于计算高度角He，其分布规律一是纬度分布规律：同一时刻，正午太阳高度由太阳直射点向南北两侧递减，如夏至日太阳直射在北回归线上，正午太阳高度由北回归线向南北两侧递减；二是季节分布规律，夏至北回归线及其以北各纬度，正午太阳高度达到一年中的最大值，南半球各纬度，正午太阳高度达到一年中的最小值；冬至日南回归线及其以南各纬度，正午太阳高度达到一年中的最大值，北半球各纬度，正午太阳高度达到一年中的最小值。

正午太阳高度角的计算，要明确太阳直射点的纬度和所求地的纬度，根据以下公式计算（北半球）：

正午太阳高度He＝90°－(φ－δ) (1)　 φ -太阳直射点纬度　　δ -该地纬度

3）动态日出日落时间确定：日出、日落时间晨线上的各地同时日出，昏线上的各地同时日落。根据某地昼夜长短计算日出日落时刻，可遵循以下公式：

日出时间 (2)日落时间

(3)

td -昼长时间4）动态昼长时间的确定：计算某地的昼夜长短，首先应明确过该点的纬线圈在昼夜半球上各跨了多少经度，按每隔15°为1小时可计算出昼夜长短。

以北半球的北京为例，可以按照上述方法计算得到北半球的方位角和高度角规律，如图3所示。

图3 方位角和高度角变化规律

动态跟踪模型功能实现方法　动态跟踪模型功

能的实现，依靠控制器计算和硬件驱动进行实现。

通过时间驱动，在设定经度和纬度数据输入后，采用每周期计算，输出方位角数据和高度角数据，通过采用顺序控制的方法，可以对太阳能跟踪装置实施控制。每个周期设定时间为t，在PLC编程过程中采用中断程序设计，如图4所示。

图4 系统运算实现方法

太阳自动跟踪系统定位实现方法　本系统通过输入相应数据，由核心控制器PLC进行计算，得出方位角和高度角数据，PLC进行转换后驱动接触器，对异步电动机实施控制，在旋转角度后，异步电机上的编码器向系统反馈转过角度，当转过角度等于给定数据时，驱动太阳能电池组完成方位角和高度角转向，如图5所示。

图5 系统定位实现方法

5 实践与经验

本课题实践中遇到降低成本问题，通过综合考量，最终确定采用PLC+接触器+异步电动机（带编码器）的方法，此方法不同于PLC+变频器+异步电动机的形式，由于省略掉了变频器，可以大大减少成本，并能够减少系统的维护量。

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应考虑外接制动组件，以加快消耗再生电能的速度；因此应正确的选配制动组件。制动组件的计算、选配可采用工程估算的方法，按照估算制动转矩、计算制动电阻阻值、选择制动单元、计算制动电阻标称功率这几个步骤进行。2.6 接地处理

数控机床工作环境中的电磁和噪声干扰是很严重的，作为精密加工设备的数控机床，其主轴驱动器必须采取有效的抗干扰措施。对变频器而言，其自身就是一个较强的干扰源同时也受其他电气设备的电磁干扰。接地是抑制电磁干扰，提高电气设备电磁兼容性的重要手段；因此对变频器采取正确的接地措施，不仅可以有效抑制外来干扰，同时能降低变频器本身对外界的干扰。

变频器的接地处理主要做好两个方面，一是对变频器主回路PE端子正确接地，以提高变频器抑制噪声干扰的能力并减小变频器对外界电气设备的干扰；为保证接地的可靠性和效果，变频器主回路PE端子必须严格地接入PE线，若无公共PE线，可采用就近接地的方式，但是应保证接地体导电性能良好及与大地接触可靠。二是将变频器的控制信号线（采用双绞线或屏蔽线）屏蔽层接地，以减小外界对控制信号传输的干扰。

图2 主轴编码器与NC的连接

2.4 主轴驱动器故障监控处理

现在使用的变频器和交流伺服驱动器一般具有故障自诊断功能并提供有故障监控可编程I/O端口，其输出形式有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出等形式。以变频器控制主轴为例，其I/O端口之间实质上是一种开关关系，开、关的状态分别对应驱动器正常与否；由于数控机床的M、S、T三大辅助功能都是由PLC来控制的，故可以将这一开关量作为数控系统PLC的一个输入点，用于监控变频器是否正常或就绪，系统会以此决定是否向变频器发速度控制信号（S功能）和方向控制信号（M功能）。如图1中，3A、3C为变频器的故障监控可编程I/O端口，3A外接24VG（低电平），3C则作为PLC输入点X1.0的输入。

因此，在设计时要充分利用这一功能，将主轴驱动器的运行状况准确、及时地传送给数控系统，由数控系统决定是否运行或终止主轴的运动。2.5 主轴驱动器制动处理

主轴驱动器一般都内置有制动组件，在机床主轴要求快速制动时，若内置的制动单元或电阻不足以消耗、吸收再生电能而导致直流部分过压时，

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3 结束语

随着我国机械制造行业的发展和壮大，数控加工技术也日趋成熟，但是数控改造、维修方面的人才仍较欠缺；本着抛砖引玉的思想，本文重点研究和分析了数控机床模拟主轴的设计思路和分析方法，以期为广大的数控技术人员提供一定的参考和借鉴。参考文献：

[1] 白恩远.现代数控机床伺服及检测技术[M].北京:国防工业

出版社,2002.[2] 卓迪仕.数控技术及应用[M].北京:国防工业出版社,1994.

6 结束语

本系统通过实施基于PLC的太阳自动跟踪系统的的应用设计，使得产品具备较高的精度、可靠性和性能价格比。该系统满足了工艺要求，并且降低了设备成本，提高了设备的可维护性。对提高产品质量，减少误差，增加生产率起到了很好的作用。

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参考文献:

[1] 李安定.太阳能光伏发电系统工程[M].北京工业大学出版

社,2001.

[2] James A.Tompkins John A.White Yavuz A.Bozer J.M.A.Tanchoco.《Facilities Planning》.机械工业出版社,2008.[3] 西门子有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC.北京航空

航天大学出版社,2007.