本文提供两种控制方案，采用PLC对槽式太阳能集热器热性能测试平台跟踪系统进行设计，达到测试平台跟踪系统自动控制的目的，并实现了实时监控。本文采用PLC进行数据采集和过程控制，采用触摸屏实现实时监控，提高了测试平台跟踪系统的跟踪精度和稳定性。该跟踪系统应用于槽式太阳能集热器热性能测试平台，控制测试平台自动跟踪太阳以达到符合槽式太阳能集热器热性能测试要求的目的。

      前言

      槽式太阳能集热器是目前应用最广泛、技术最成熟的聚光跟踪类太阳能集热器，既能用于高温段的太阳能光热发电，又能用于中温段的工业用热。随着我国槽式太阳能集热器热利用技术的迅猛发展，如何测试槽式集热器的热性能，成了迫切需要解决的问题。为了测试槽式集热器的热性能，大多数科研机构或者公司采用的方法是建立槽式太阳能集热器热性能测试平台。测试平台主要包括旋转平台、油温控系统和槽式太阳能集热器系统三大部分，其中旋转平台是测试平台的基础，它的正常运行是平台测试的关键，而旋转平台是否正常运行主要取决于跟踪系统的优劣，因此跟踪系统的精度及稳定性直接决定了测试平台对于槽式太阳能集热器热性能测试的准确性。本文提出的基于PLC的测试平台跟踪系统的两种设计方案结合太阳位置（方位角）的天文学公式，方案一采用高精度磁阻传感器和普通电机驱动旋转平台自动跟踪太阳；方案二采用电机驱动器和伺服电机驱动旋转平台自动跟踪太阳。

      1. 电气控制系统方案设计

      1.1电气控制系统总体方案及硬件设计

      本系统采用的PLC，内置模拟输入输出模块，可以直接接收模拟量信号。触摸屏通过RS232C通信电缆与PLC 实现信息互通，通过触摸屏可以实时监控和及时处理系统异常。

      方案一采用高精度磁阻传感器和普通电机驱动旋转平台自动跟踪太阳。在本方案中系统有以下功能：现场数据采集、数据比对、定日跟踪、手/自动切换、系统正反转控制等。磁阻传感器采用模拟量给定方式，PLC直接对模拟量进行MD转化并运算；数据比对通过设定在PLC程序中的天文学公式（太阳方位角位置公式）进行运算，计算出此时太阳的方位角，再由太阳位置与测试平台的物理位置根据几何关系计算出此时测试平台中轴线与地球磁轴夹角的理论值，将结果与PLC采集的磁阻传感器的数据进行数值大小比较；跟踪系统根据数据比对后的结果输出数字信号，通过电磁继电器控制接触器的开闭来控制普通电机驱动旋转平台跟日转动；手/自动切换、系统正反转控制是通过设定在触摸屏的外部变量与PLC实现数据交互完成。

    本系统工作过程如下：上电-数据采集-数据对比-电磁继电器1闭合/电磁继电器2闭合/电磁继电器1、2断开-接触器1闭合/接触器2闭合/接触器1、2断开-电机正转/电机反转/电机停转。本系统通过控制电磁继电器的开闭来控制接触器的开闭，以此控制电机的正、反、停转，带动旋转平台跟日运转。触摸屏通过手/自动按钮对系统进行手/自动控制。当手/自动按钮切换到自动状态时，系统在水平方向上自动跟踪太阳，此时正转、反转按钮不起作用；当切换到手动状态时，正转、反转按钮可以控制系统的正反转，为了保护电机，当正转按钮和反转按钮同时按下时，按钮失效，正、反按钮仅在单独按下时才起作用。限位开关起到保护作用，防止旋转平台旋转出控制范围。触摸屏通过RS232C与PLC通信.

      触摸屏可以操控旋转平台的启动，正、反转，原点返回。还可以通过相对转角差及相对转角的数值输入对旋转平台的运行状况进行调试及修正，方便旋转平台初始安装时的程序调试及运行后的数据修正。

      方案二采用电机驱动器和伺服电机驱动旋转平台自动跟踪太阳。相比方案一，本系统在硬件部分去除了磁阻传感器，增加了伺服驱动器以及将普通电机更换为伺服电机。PLC根据设定在内部的太阳方位角公式计算出某一时刻输出的脉冲量，通过电机驱动器驱动伺服电机，跟日转动。触摸屏的作用与方案一相同。

      本系统工作过程如下：上电-旋转平台复位至初始点-计算输出脉冲量-输出脉冲-电机正/反转。本系统通过控制脉冲量的输出来控制伺服电机的转动以此达到定日跟踪的目的。触摸屏通过手/自动按钮对系统进行手/自动控制，其控制方式与方案一相同，在此不再赘述。

      1.2 控制系统软件设计

      方案一：为了保证跟踪系统定日跟踪的精度，跟踪系统采用天文学公式（太阳位置公式）与磁阻传感器相结合的控制方式。太阳位置的天文公式采用我国气象科学院王柄忠研究员所提出的计算方法。

      太阳高度( h ⊙) 的计算公式为

sin h ⊙ = sinδsinφ+ cosδcosφcosτ                      （1）

      式中：δ为太阳赤纬角 ,φ为当地的地理纬度,τ为当时的太阳时角

      太阳方位角（A）的计算公式为

  cos A = (sin h ⊙sinφ- sinδ) / cos h ⊙cosφ             （2）

      其中，当cos A ≤0 时，90°≤A ≤180°

      当cos A ≥0 时，0 ≤A ≤90°

      式中：h ⊙为太阳高度，δ为太阳赤纬角 ,φ为当地的地理纬度

      磁阻传感器采用高精度系列传感器。系统工作时，磁阻传感器完成对旋转平台当前位置的检测，由本地控制器采集并与控制系统的计算参数相比较，以进行位置确定。为了追日跟踪系统的操作方便及跟踪过程中的安全可靠，PLC追日跟踪系统的程序分为手动模式和自动模式。手动模式在系统初次调试及控制系统检修时使用，通过手动控制调整旋转平台至合理位置方便系统初始调试及系统检修。自动模式可以实现旋转平台追日跟踪过程的自动化。本文设计的PLC控制系统主程序包括自动程序和手动程序。

      在自动模式下，首先由PLC根据太阳位置的天文学公式计算出此时旋转平台应处的位置（角度值），同时通过磁阻传感器采集旋转平台此时实际所处的位置（角度值），根据两者的差值与设定值比对的结果决定旋转平台的正反转，使其跟日转动；当两者差值小于设定值时，旋转平台停止转动。由此完成控制系统对旋转平台的自动定日跟踪。

在手动模式下，可通过手动调节旋转平台的正、反转，达到所需位置。

      方案二：在本方案中 ，天文学公式同方案一。系统工作时，由PLC内部程序计算出某一时刻的输出脉冲量，由输出脉冲控制伺服电机转动，以进行跟踪系统控制。为了追日跟踪系统的操作方便及跟踪过程中的安全可靠，PLC追日跟踪系统的程序分为手动模式和自动模式。手动模式在系统初次调试及控制系统检修时使用，通过手动控制调整旋转平台至合理位置方便系统初始调试及系统检修。自动模式可以实现旋转平台追日跟踪过程的自动化。本文设计的PLC控制系统主程序包括自动程序和手动程序。

      在自动模式下，首先根据PLC内部设定程序使旋转平台快速复位至初始位置（此点由限位开关的信号控制，当旋转平台复位至初始位置时，限位开关输出信号1给PLC），到达初始位置后，根据设定的天文学公式计算出此时旋转平台应处的位置（脉冲值），根据脉冲值控制伺服电机转动，以此控制旋转平台跟日转动。太阳落山后，根据设置在PLC的程序，旋转平台自动复位至初始点，到下一日太阳升起时，根据PLC内计算的太阳升起的时间，继续跟踪太阳。若在跟踪过程中，PLC突然断电，则在上电后旋转平台快速复位至初始位置，然后根据计算的脉冲量快速转动至正常跟踪时旋转平台应处的位置，继续跟踪。

      在手动模式下，可通过手动调节旋转平台的正 、反转，达到所需位置。

      2 方案运行测试对比

      2.1测试方法

      将高精度电子罗盘固定在旋转平台中轴线的位置，使其与中轴线正南方向上的夹角为0°，然后将测试平台自动跟踪太阳，通过测量的数据与理论计算的此时测试平台中轴线应处位置的角度的数值比较，计算差值，其差值的平均值即为测试平台的跟踪精度。

      2.2 测试数据

      通过对两种方案分别一周的测试，根据当日的数据计算出当日的跟踪精度，并根据测试周期内每日的跟踪精度计算出跟踪系统的平均跟踪精度，跟踪精度数据如表1所示。

表1 测试平台跟踪精度

      由上表可知两种方案的跟踪系统每日及平均跟踪精度均≤0.1°，因此根据两种方案设计的跟踪系统均达到了测试平台跟踪系统所需的跟踪精度及稳定性。

      3 结论