基于OMRON PLC的太阳能集热系统设计

1 引 言
　　在当前世界能源紧张，各种能源价格飞涨的形势下，各国都将眼光投向了可再生能源，一则这种能源可再生，取之不尽、用之不竭；再则，可再生能源对环境友好，对地球及人类的生存环境的危害几乎可以忽略不计。在可再生能源中，太阳能无疑是最引人瞩目的，太阳能的开发利用日益广泛，其技术也日益成熟。中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。然而，找到可靠的太阳能跟踪系统，是聚热型太阳能系统运行效率的基本保证，也是太阳能聚热系统投入运行的重要前提之一。资料表明Omron公司也非常重视太阳能系统的开发。在西班牙马德里郊外的日平均输出功率630-640kwh的太阳能光伏发电系统中，Omron公司的控制部件就在太阳跟踪和电能转换上就发挥了重要的作用。本文也是利用Omron的控制部件，设计出抛物面聚热型太阳能控制系统，投入使用，并起到良好的集热效果，提高了国内太阳能集热器的控制水平。

2 抛物面聚热型太阳能集热器
　　抛物面聚热型太阳能集热器主要由抛物面型反射镜面、集热管、跟踪机构以及热水系统组成，如图1所示。反射镜面用于将阳光反射并聚焦到集热管上，以积聚热能。反射镜面采用抛物面，材料为镜面铝板，表面有不亲灰的涂层。集热管位于抛物面的焦点位置，用于吸收反射镜面反射的阳光，加热管内循环水。集热管内管为不锈钢金属管，外管为玻璃管，内外管之间为真空，以隔绝传热。阳光穿过外管照射到涂有铝氮－铝光谱选择性涂层的金属管上，以积聚太阳能。跟踪机构控制太阳能集热板跟踪太阳不停的转动,确保集热管始终处在太阳反射光线的焦线位置。热水系统由热水泵，温度传感器，流量开关，压力控制器等组成，将集热管中的热量输送到外部系统，保证热水系统的循环运行。

3 控制系统工作原理
　　控制系统中的核心控制器根据当地经纬度，当地标准时间以及太阳能集热器的安装方位，计算出太阳集热板的聚焦角度；然后控制器输出脉冲信号，通过脉冲信号放大器控制步进电机SM，步进电机SM带动减速箱和传动齿轮，不断的调整集热板的角度，使集热管始终处于焦点位置，达到最高的集热效率。磁性传感器ZM用来检测步进电机是否转动，防止传动系统故障；XCW，XCC限位开关，用于限制集热板的转动位置。然而仅仅采用太阳角度计算公式来跟踪太阳有一定的局限性，与集热板的安装精度，安装角度的测量有很大的关系。所以采用光辐射传感器，判断聚焦点偏离情况，并做相应的调整，保证聚焦效果。通过太阳角度计算公式粗调，通过光辐射传感器反馈进行精调的闭环控制方案，使集热板能快速，准确的找到聚焦位置，保证太阳能的利用效率。此外控制器控制热水泵和热水温度，保护热水系统的循环运行和安全。

4 控制系统组成
　　控制系统采用OMRON公司的CJ1- CPU23作为控制器，该CPU内置两路脉冲I/O通道，可单独控制两列集热器，如果太阳能集热板阵列超过两列，则增加位置控制模块CJ1W-NC413，每列集热板单独控制，使各列的操作性强，控制灵活；采用CJ1－ID211和CJ1－OC211开关量输入输出模块，采集限位开关状态，控制热水泵等； CJ1－AD08用于采集光辐射、热水压力模拟量信号； CJ1－DRM21和DRT2－TS04P网络模块采集热水和环境的温度，且方便以后扩展控制系统， NT5Z触摸屛用于设计操作界面，设定参数和显示太阳能集热器的状态。图2示出控制电柜。

5 控制系统软件设计
　　控制系统软件可分四大功能模块：按太阳规律计算集热板角度、角度转换脉冲信号输出、光辐射自动跟踪、热水系统控制。

5.1 太阳能集热板角度计算
　　太阳运动规律的计算方法在《solar position algorithms for solar radiation applications》中有详细的说明，按照公式计算出太阳高度角GD和太阳方位角FW(见图3)，就确定了某时刻太阳相对地面某一点的位置。根据太阳能集热器的安装方位AF，可以计算出太阳能集热板需要的角度RS。这样抛物面跟踪规律可作为二维问题来处理，只要保证RS计算正确，就可以实时跟踪太阳。

(1) 太阳高度角GD是地球表面上某点和太阳的连线与地平面之间的交角，它随着当地纬度、季节、每日时刻的不同而改变，可根据当地纬度、赤纬角、时角计算。按照下式计算。
GD = arcsin(sin(La)×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ))                 
La－当地纬度，单位为度。

式中：
H - 真太阳时. 当地太阳位于正南向的瞬时为正午；  Hs－该地区标准时间。（单位：小时）；
L、LS－分别为当地的经度和地区标准时间位置的经度；
e－时差，单位为分钟；其值可按下式近似计算：
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)分母需要区分平年和闰年。

(2) 太阳方位角（FW）是太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影与正南向的夹角。方位角在太阳偏东时为负，偏西时为正。太阳方位角FW可由当地纬度、赤纬角、时角、高度角计算，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) 太阳能集热器角度(RS)是太阳光线与反射镜弦面的交角。可由高度角、方位角、集热器安装角计算，公式：RS = arctan(tan(GD)/cos(FW-AF));

　　可见,太阳角度的计算很复杂,并需要采用浮点数计算，如果用梯型图编写将会很困难,且出现问题那很难检查。但如果能使用高级语言编写，纯属的计算就很简单了。此时，采用OMRON功能块的结构化文本（ST）语言编写, 这个问题迎韧而解。集热板角度计算功能块SolarRSCalculate_Real如图4所示。
输入参数为：当地经度，当地纬度，安装方位角，当地时间，当年天数；
计算输出为：集热板角度，真太阳时，高度角，方位角；
数据格式：浮点数；

　　此外，采用Matlab编写的仿真程序计算(见图5)出来的结果与OMRON PLC功能块计算出来的结果相同，表明集热板角度计算功能块SolarRSCalculate_Real设计正确。

5.2角度转换脉冲信号输出
　　PLC计算出集热板角度后，需要将角度转换为脉冲信号输出，控制步进电机，使集热器转到指定位置。根据齿轮的降减速比、步进电机和步进电机驱动器特性可以计算出脉冲数。
假设集热板需要转动0 .3°（相对角度）：

　　由以上比例可得，转动0.1°需要发出56个脉冲，这样就将角度转换成了所需的脉冲数；然后采用CXP软件中的FB库中\\Omronlib\PositionController\NCx\NCx021_MoveRelative的功能块控制NC模块输出脉冲(见图6)。

　　由于集热板的角度采用相对位置控制，在集热板首次运行过程中，需要确定集热板的原点。使PLC能计算出集热板的绝对位置。确定原点时，集热板向顺时针方向偏转，当达到XCW限位开关时，将当前位置作为原点位置，然后采用相对角度的方法控制集热板运行。在步进电机转动的过程中，采用磁性传感器ZM判断<