1 引 言

    　在當(dāng)前世界能源緊張，各種能源價(jià)格飛漲的形勢(shì)下,，各國(guó)都將眼光投向了可再生能源,，一則這種能源可再生，取之不盡,、用之不竭,；再則，可再生能源對(duì)環(huán)境友好,，對(duì)地球及人類的生存環(huán)境的危害幾乎可以忽略不計(jì),。在可再生能源中，太陽(yáng)能無(wú)疑是最引人矚目的,，太陽(yáng)能的開發(fā)利用日益廣泛,，其技術(shù)也日益成熟。中國(guó)蘊(yùn)藏著豐富的太陽(yáng)能資源,，太陽(yáng)能利用前景廣闊,。然而,，找到可靠的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，是聚熱型太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行效率的基本保證,，也是太陽(yáng)能聚熱系統(tǒng)投入運(yùn)行的重要前提之一,。資料表明Omron公司也非常重視太陽(yáng)能系統(tǒng)的開發(fā)。在西班牙馬德里郊外的日平均輸出功率630-640kwh的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中,，Omron公司的控制部件就在太陽(yáng)跟蹤和電能轉(zhuǎn)換上就發(fā)揮了重要的作用,。本文也是利用Omron的控制部件，設(shè)計(jì)出拋物面聚熱型太陽(yáng)能控制系統(tǒng),，投入使用,，并起到良好的集熱效果，提高了國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能集熱器的控制水平,。

2 拋物面聚熱型太陽(yáng)能集熱器

　　拋物面聚熱型太陽(yáng)能集熱器主要由拋物面型反射鏡面,、集熱管、跟蹤機(jī)構(gòu)以及熱水系統(tǒng)組成,，如圖1所示,。反射鏡面用于將陽(yáng)光反射并聚焦到集熱管上，以積聚熱能,。反射鏡面采用拋物面,，材料為鏡面鋁板，表面有不親灰的涂層,。集熱管位于拋物面的焦點(diǎn)位置,，用于吸收反射鏡面反射的陽(yáng)光，加熱管內(nèi)循環(huán)水,。集熱管內(nèi)管為不銹鋼金屬管,，外管為玻璃管，內(nèi)外管之間為真空,，以隔絕傳熱,。陽(yáng)光穿過(guò)外管照射到涂有鋁氮－鋁光譜選擇性涂層的金屬管上，以積聚太陽(yáng)能,。跟蹤機(jī)構(gòu)控制太陽(yáng)能集熱板跟蹤太陽(yáng)不停的轉(zhuǎn)動(dòng),確保集熱管始終處在太陽(yáng)反射光線的焦線位置,。熱水系統(tǒng)由熱水泵，溫度傳感器,，流量開關(guān),，壓力控制器等組成，將集熱管中的熱量輸送到外部系統(tǒng),，保證熱水系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行,。

3 控制系統(tǒng)工作原理

　　控制系統(tǒng)中的核心控制器根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間以及太陽(yáng)能集熱器的安裝方位,，計(jì)算出太陽(yáng)集熱板的聚焦角度,；然后控制器輸出脈沖信號(hào),，通過(guò)脈沖信號(hào)放大器控制步進(jìn)電機(jī)SM，步進(jìn)電機(jī)SM帶動(dòng)減速箱和傳動(dòng)齒輪,，不斷的調(diào)整集熱板的角度,，使集熱管始終處于焦點(diǎn)位置，達(dá)到最高的集熱效率,。磁性傳感器ZM用來(lái)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng),，防止傳動(dòng)系統(tǒng)故障；XCW,，XCC限位開關(guān),，用于限制集熱板的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。然而僅僅采用太陽(yáng)角度計(jì)算公式來(lái)跟蹤太陽(yáng)有一定的局限性,，與集熱板的安裝精度,，安裝角度的測(cè)量有很大的關(guān)系。所以采用光輻射傳感器,，判斷聚焦點(diǎn)偏離情況,，并做相應(yīng)的調(diào)整，保證聚焦效果,。通過(guò)太陽(yáng)角度計(jì)算公式粗調(diào)，通過(guò)光輻射傳感器反饋進(jìn)行精調(diào)的閉環(huán)控制方案,，使集熱板能快速,，準(zhǔn)確的找到聚焦位置，保證太陽(yáng)能的利用效率,。此外控制器控制熱水泵和熱水溫度,，保護(hù)熱水系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行和安全。

4 控制系統(tǒng)組成

　　控制系統(tǒng)采用OMRON公司的CJ1-CPU23作為控制器,，該CPU內(nèi)置兩路脈沖I/O通道,，可單獨(dú)控制兩列集熱器，如果太陽(yáng)能集熱板陣列超過(guò)兩列,，則增加位置控制模塊CJ1W-NC413,，每列集熱板單獨(dú)控制，使各列的操作性強(qiáng),，控制靈活,；采用CJ1－ID211和CJ1－OC211開關(guān)量輸入輸出模塊，采集限位開關(guān)狀態(tài),，控制熱水泵等,；CJ1－AD08用于采集光輻射、熱水壓力模擬量信號(hào),；CJ1－DRM21和DRT2－TS04P網(wǎng)絡(luò)模塊采集熱水和環(huán)境的溫度,，且方便以后擴(kuò)展控制系統(tǒng),，NT5Z觸摸屛用于設(shè)計(jì)操作界面，設(shè)定參數(shù)和顯示太陽(yáng)能集熱器的狀態(tài),。圖2示出控制電柜,。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)軟件可分四大功能模塊：按太陽(yáng)規(guī)律計(jì)算集熱板角度、角度轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)輸出,、光輻射自動(dòng)跟蹤,、熱水系統(tǒng)控制。

　　5.1 太陽(yáng)能集熱板角度計(jì)算

　　太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的計(jì)算方法在《solar position algorithms for solar radiation applications》中有詳細(xì)的說(shuō)明,，按照公式計(jì)算出太陽(yáng)高度角GD和太陽(yáng)方位角FW(見圖3),，就確定了某時(shí)刻太陽(yáng)相對(duì)地面某一點(diǎn)的位置。根據(jù)太陽(yáng)能集熱器的安裝方位AF,，可以計(jì)算出太陽(yáng)能集熱板需要的角度RS,。這樣拋物面跟蹤規(guī)律可作為二維問題來(lái)處理，只要保證RS計(jì)算正確,，就可以實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng),。

　　(1) 太陽(yáng)高度角GD是地球表面上某點(diǎn)和太陽(yáng)的連線與地平面之間的交角，它隨著當(dāng)?shù)鼐暥?、季?jié),、每日時(shí)刻的不同而改變，可根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥?、赤緯角,、時(shí)角計(jì)算。按照下式計(jì)算,。

　　GD = arcsin(sin(La)×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ))    
                                    
　　La－當(dāng)?shù)鼐暥?，單位為度?/p>

　　式中：

　　H - 真太陽(yáng)時(shí). 當(dāng)?shù)靥?yáng)位于正南向的瞬時(shí)為正午；

　　Hs－該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,。（單位：小時(shí)）,；

　　L、LS－分別為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位置的經(jīng)度,；

　　e－時(shí)差,，單位為分鐘；其值可按下式近似計(jì)算：

　　e = 229.2×(7.5×10-5+0.001868×cosB-0.032077×sinB-0.014615×cos2B-0.04089×sin2B),；
                       　　 B=360×(n-1)/365,；      (1≤n≤366)分母需要區(qū)分平年和閏年。

　　(2) 太陽(yáng)方位角（FW）是太陽(yáng)至地面上某給定點(diǎn)連線在地面上的投影與正南向的夾角,。方位角在太陽(yáng)偏東時(shí)為負(fù),，偏西時(shí)為正。太陽(yáng)方位角FW可由當(dāng)?shù)鼐暥?、赤緯角,、時(shí)角,、高度角計(jì)算，公式如下：

　　FW =C1×C2×arcsin(sin(SJ)×cos(CW)/cos(GD)) + 180×C3×(1- C1×C2)/2 ,；C1 C2 C3常量,。
                      

　　(3) 太陽(yáng)能集熱器角度(RS)是太陽(yáng)光線與反射鏡弦面的交角?？捎筛叨冉?、方位角、集熱器安裝角計(jì)算,，公式：

　　RS= arctan(tan(GD)/cos(FW-AF));

　　可見,太陽(yáng)角度的計(jì)算很復(fù)雜,并需要采用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算,，如果用梯型圖編寫將會(huì)很困難,且出現(xiàn)問題那很難檢查。但如果能使用高級(jí)語(yǔ)言編寫,，純屬的計(jì)算就很簡(jiǎn)單了,。此時(shí)，采用OMRON功能塊的結(jié)構(gòu)化文本（ST）語(yǔ)言編寫, 這個(gè)問題迎韌而解,。集熱板角度計(jì)算功能塊SolarRSCalculate_Real如圖4所示,。

　　輸入?yún)?shù)為：當(dāng)?shù)亟?jīng)度，當(dāng)?shù)鼐暥?，安裝方位角,，當(dāng)?shù)貢r(shí)間，當(dāng)年天數(shù),；

　　計(jì)算輸出為：集熱板角度,，真太陽(yáng)時(shí)，高度角,，方位角；

　　數(shù)據(jù)格式：浮點(diǎn)數(shù),；

　　此外,，采用Matlab編寫的仿真程序計(jì)算(見圖5)出來(lái)的結(jié)果與OMRON

　　PLC功能塊計(jì)算出來(lái)的結(jié)果相同，表明集熱板角度計(jì)算功能塊SolarRSCalculate_Real設(shè)計(jì)正確,。

　　5.2角度轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)輸出

　　PLC計(jì)算出集熱板角度后,，需要將角度轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出，控制步進(jìn)電機(jī),，使集熱器轉(zhuǎn)到指定位置,。根據(jù)齒輪的降減速比、步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器特性可以計(jì)算出脈沖數(shù),。假設(shè)集熱板需要轉(zhuǎn)動(dòng)0 .3°（相對(duì)角度）：

　　由以上比例可得,，轉(zhuǎn)動(dòng)0.1°需要發(fā)出56個(gè)脈沖，這樣就將角度轉(zhuǎn)換成了所需的脈沖數(shù),；然后采用CXP軟件中的FB庫(kù)中\(zhòng)OmronlibPositionControllerNCxNCx021_MoveRelative的功能塊控制NC模塊輸出脈沖(見圖6),。

　　由于集熱板的角度采用相對(duì)位置控制,，在集熱板首次運(yùn)行過(guò)程中，需要確定集熱板的原點(diǎn),。使PLC能計(jì)算出集熱板的絕對(duì)位置,。確定原點(diǎn)時(shí)，集熱板向順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn),，當(dāng)達(dá)到XCW限位開關(guān)時(shí),，將當(dāng)前位置作為原點(diǎn)位置，然后采用相對(duì)角度的方法控制集熱板運(yùn)行,。在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,，采用磁性傳感器ZM判斷步進(jìn)電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)。如果PLC發(fā)出脈沖信號(hào),，但磁性傳感器ZM沒有檢測(cè)到信號(hào)則認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn),，并報(bào)警提示。

　　5.3 自動(dòng)跟蹤反饋裝置的設(shè)計(jì)

　　只有太陽(yáng)光實(shí)時(shí)的聚焦在集熱管上,，才能保證集熱板的集熱效率,。集熱板偏離0.6°，太陽(yáng)反射光就沒有聚焦在集熱管,，所以控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性很重要,。采用如圖7所示的聚焦反饋裝置，可以解決這個(gè)問題,。反饋裝置與集熱管平行安裝,，太陽(yáng)光通過(guò)條形擋板后，陰影投在兩個(gè)輻射儀之間,。聚焦準(zhǔn)確時(shí),，兩個(gè)光傳感器檢測(cè)的光輻射相同；聚焦偏離,，則兩個(gè)輻射儀之間有差值,，通過(guò)判斷差值，可以判斷焦點(diǎn)偏離的方向和偏移量,。光輻射儀采用4～20mA信號(hào)輸出,，通過(guò)CJ1－AD08模塊量輸入采集到控制系統(tǒng)，PLC在按太陽(yáng)規(guī)律計(jì)算的太陽(yáng)角度的基礎(chǔ)上進(jìn)行微小的調(diào)整,，到達(dá)控制要求,。

　　5.4 熱水系統(tǒng)控制

　　太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由熱水泵，溫度傳感器,，壓力傳感器等組成,，將太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱水輸送到外部系統(tǒng)，通過(guò)DRT2－TS04P溫度終端模塊采集的熱水的出入口溫度，可以用來(lái)判斷集熱板的工作效率,，同時(shí)當(dāng)熱水超溫或超壓時(shí),，自動(dòng)偏移焦點(diǎn)，對(duì)集熱板進(jìn)行保護(hù),。NT5Z設(shè)計(jì)的觸摸屛操作界面(見圖8),，用于顯示集熱板的運(yùn)行狀態(tài)，工況記錄和設(shè)置控制參數(shù),。

6 結(jié)束語(yǔ) 
                                                 
　　整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，OMRON PLC的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，功能塊的結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言,，脈沖控制等功能都充分的發(fā)揮了作用,。特別是集熱板增加到多列，只需要增加位置控制模塊,，插入功能塊就可以控制,。而且CXP軟件自身提供的功能塊，使設(shè)計(jì)師只要認(rèn)真考慮工藝流程,，軟硬件之間的接口控制,，通過(guò)現(xiàn)有的FB庫(kù)或自己設(shè)計(jì)的功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，使程序模塊化更強(qiáng),，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,。

　　OMRON自動(dòng)化技術(shù)在紡織、包裝,、印刷,、機(jī)床、生產(chǎn)線等很多領(lǐng)域得到運(yùn)用,，可再生能源作為新型的研究應(yīng)用領(lǐng)域,，也是能源可持續(xù)的發(fā)展方向，在未來(lái)的運(yùn)用將越來(lái)越多,，市場(chǎng)也將越來(lái)越廣闊,。所以，我希望OMRON公司也能深入這個(gè)領(lǐng)域,，不斷推出性能越來(lái)越優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，來(lái)滿足新領(lǐng)域的自動(dòng)化控制需求,。