基于plc的太阳能电池板追踪器Word格式.docx
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用PLC控制器控制
太阳能电池板与太阳光同步设计方案
姓名：
陈文龙
单位：
摘要：
利用PLC控制步进电机进行工作，带动太阳能电池板与太阳光同步，予设步进电机正反转工作时间及停止时间，根据自动控制工作原理从而达到自动跟踪太阳光的目的。
关键词：
太阳能电池板、PLC控制器、步进电机。
1引言
太阳能电池是一组对光有响应并能将光能转换成电力的器件。
当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；
光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
这个过程的实质是：
光子能量转换成电能的过程。
现在的太阳能电池板是固定在于建筑物或其他旷野物的表面上，对太阳光的吸收转换能量的效率特别低下。
根据光学的基本原理，当光线直接照射于物体时，光线被物体吸收的效率较好，只有较少的光线出现反射现象；
如果光线侧面照射于物体时，光线被物体的吸收效率较差，只有较少的光线被物体吸收，且大部分光线被折射。
为了解决大部分光线的折射，所以本人利用PLC控制器及步进电机原理对太阳能电池板的安装进行改造，确保太阳光的光线对太阳能电池板构成直射关系，从而提高光电能量转换的效率。
PLC（可编程序控制器）及步进电机体积小重量轻、工作能源消耗低，且一个控制器可同时控制多台太阳能电池板工作，安装方便快捷。
一经安装使用，整体部件全部进入自动跟踪工作，调试简单，维护方便，可以进行全面推广，达到高效无污染的理想能源。
2太阳能电池板自动跟踪太阳光工作原理
地球每天都有白天和黑夜，当阳光普照大地时太阳能电池板才有蓄贮电能，所以说太阳能电池板实际工作时间只有约12个小时。
每天晚上到天亮前，步进电机处于休眠的工作状态，这时太阳能电池板朝着东方迎接朝阳的初升，当天亮时假设太阳光是6时正，太阳光直射到太阳能电池板上，PLC控制器输出启动步进工作的指令，步进电机开始工作，按照PLC控制器设定的工作频率正转步进。
假设夕阳18时正落下时，PLC控制器输出工作指令，控制步进电机的反转步进，反转步进速度比正转步进速度高于几倍，使太阳能电池板快速步进到朝着东方方向，迎接第二天的初升朝阳，这时太阳能电池板接近磁靠近开关，磁靠近开关接通，PLC控制器发送一个工作指令给予步进电机，步进电机处于休眠状态。
当第二天到来之时，实时时间为6时正，PLC控制器发送出启动指令，整个工作系统重复上述工作方式。
3太阳能电池板的安装及其原理
由于地球是按照一定的轨道绕着太阳运转且地球本身有一定的自转，地球自转一次的时间为24小时，安装在建筑物上的太阳能电池一天只有一次受到太阳光的直射，为确保太阳能电池板与太阳光两者之间完全成为直接照射的方式，将太阳能电池板固定于活动的支架上，支架轴向与地球自转轴向平行，这时转动太阳能电池板就能时刻保持与太阳光成直射关系。
为完成太阳能电池板与太阳光两者之间的同步，采用了步进电机作驱动动力，利用PLC控制步进电机的步进工作。
3.1自动跟踪工作原理
利用PLC可编程序控制器促进太阳能电池板与太阳光的自动跟踪。
3.1.1步进电机与太阳能电池板之间传动原理
采用齿轮式变速传动，步进电机与太阳能电池板的齿数比为60比1，太阳能电池板主轴齿轮的齿数为50个，每齿角度相距9度，太阳能电池板转动180度角的时间约为12小时，也就是说12小时内太阳能电池板共转动了25个齿，则步进电机在12小时内转动的齿数共有1500个，每秒运转的齿数为0.35个，即约每3秒步进一次。
3.1.2PLC控制步进电机工作原理
步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移的控制元件。
PLC控制器输出一个脉冲给予步进电机，步进电机转子就转过一相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。
这个角位移的步距角在这里采用0.9度。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载的影响，当步进电机接收到一个脉冲信号，步进电机按一定的方向转动一个角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。
步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率高低来实现的。
当脉冲的频率减少时，步进电机的转速下降；
当脉冲的频率增加时，步进电机的转速就加快。
由于我们是采用步进方式控制太阳能电池板与太阳照射的方向基本一致，故选择步进跟踪的速度很慢，即每三秒钟步进一步；
在返回时即步进电机反转，设定0.5秒步进一步。
步进电机的位置控制是靠PLC控制器给定的脉冲个数控制的。
给定一个脉冲，步进电机转过一个步距角，当停止位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。
其工作原理如下：
设A相首先通电，转子齿与定子A、A，极对齐（图a）。
在A相保持通电的情况下接通B相，这时定子B、B，极对转子2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，由于A、A，极继续拉住齿1、3，因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止，其位置如（图b）所示，即转子从（图a）位置顺时针转过15度。
接着A相断电，B相继续保持通电，这时转子齿2、4和定子B、B，极对齐（图c），转子从（图b）位置顺时针转过15度。
其位置如（图d）所示。
这样，如果按A→AB→B→BC→C→CA→A的顺序轮流通电，则转子便按顺时针的方向一步步地转动，步距角为15度。
电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。
如果按照A→AC→C→CB→B→BA→A的顺序通电，则步进电机转子逆时针方向转动。
（c）（d）
3.1.3步进电机控制要求
步进电机采用感应子式三相步进电机。
3.1.3.1三相步进电机有三个绕组
正转通电顺序为:
A→AB→B→BC→C→CA→A
反转通电顺序为:
A→AC→C→CB→B→BA→A
3.1.3.2输入控制元件
1#位置开关控制步进电机反转停止工作，并予置正转步进待命。
2#位置开关控制步进电机正转停止工作，并予置反转步进待命。
3#位置开关自动调整步进电机正转时转速。
4#按钮开关手动/自动转换（ON为手动控制，OFF为自动控制）
5#按钮开关手动位置调整（ON为步进电机正转，OFF无控制）
6#按钮开关手动位置调整（ON为步进电机反转，OFF无控制）
3.1.4PLC的I/O分配表
输入点
功能
输出点
X0
自动正转运行
Y0
A
X1
自动反转运行
Y1
B
X2
自动转速调整
Y2
C
X3
自动/手动转换
X4
手动位置调整（正转）
X5
手动位置调整（反转）
PLC的I/O分配表
3.1.5PLC的I/O接线图
I/O分配图
3.1.5PLC梯形图
PLC梯形图
程序中采用积算定时器T246脉冲发生器，因系统配置的PLC控制器为继电器输出类型，其通断频率过高有可能损坏PLC，故设定范围为100ms~6000ms，则步进电机可获得10步/秒~0.1步/分的变化范围。
当中间继电器M400为ON时，步进电机正转（设定3.5秒1步）,当中间继电器M500为ON时，步进电机反转（设定10步/秒）。
当早上6点正时，定时继电器M11工作，传送M400工作指令，T246以D30值为予置值开始计时，时间到T246导通，执行译码指令DECO，根据D0数值（首次为0），指定M0输出，Y0为ON；
D0加1，然后T246自行复位，重新计时，时间到T246又导通，执行译码指令DECO，根据D0数值（此次为1），指定M1输出，Y0、Y1为ON；
D0加1，然后T246自行复位，重新计时，时间到T246又导通，执行译码指令DECO，如此继续下去，实现了Y0→Y0/Y1→Y1→Y1/Y2→Y2→Y2/Y0的循环过程。
当晚上18点正时，定时继电器M21工作，传送M500工作指令，M400复位，T246以D30值（100ms）为予置值开始计时，时间到T246导通，执行译码指令DECO，根据D0数值（首次为5），指定M5输出，Y0、Y2为ON；
D0减1，然后T246自行复位，重新计时；
如此继续下去实现Y0/Y2→Y2→Y2/Y1→Y1→Y1/Y0→Y0循环的步进电机反转。
在步进电机正转步进条件下，我们增加了一个自动调整控制系统对自动跟踪更加精确。
当步进位置处于机械位置水平面时，也即是机械位置12点正，这时与PLC实时时间进行比较，如果这时的PLC实时时间不到12点正，说明步进电机步进偏慢，故必须减少T246计时时间，也就是减少D30的数值，将D30的数值寄存于D40寄存器上，等待明天起动调整。
如果这时的PLC实时时间超过12点正，说明步进电机步进偏快，故必须增加T246计时时间，也就是增加D30的数值，将D30的数值寄存于D40寄存器上，等待明天起动调整。
3.2设置步进电机起动时间运行方向及步进速度
在太阳能电池板起始位置安装干簧管作为起始时间的位置指令。
当太阳能电池板运行至起始位置时干簧管接通，予置步进电机电机每3.5秒步进一次的工作时间并送出一个休眠信息，让步进电机停止工作。
当PLC控制器得到6时正的启动步进工作指令时，步进电机开始工作，按照PLC控制器设定的工作方式正转步进。
3.3设置步进电机反转时间及步进速度
在太阳能电池板终止位置安装干簧管作为终止时间的位置指令。
予置PLC控制器反转时间：
PLC控制器于下午18点正及设定步进电机0.5秒步进一次,在太阳能电池板终止运行位置上安装一只干簧管作为步进限位指令，停止步进电机正转步进，阻止太阳能电池板方向错位。
18时正时，PLC控制器发送出步进电机停止工作指令，步进电机停止正转的步进工作，同时发送出启动步进电机反转工作指令，步进电机按照设定的步进转速反转步进。
直至运行至太阳能电池板起始位置时，反转步进停止工作，等待明天早上启动指令的到来才重新工作。
3.4自动调速装置
在太阳能电池板自动调整位置安装干簧管作为自动调整的位置指令。
3.4.1正午位置自动调速装置
太阳能电池板在12时正的位置上安装一只磁靠近开关并对PLC控制器实时时间进行比较。
当太阳能电池板在12时正的位置时，如果实时时间小于位置时间，则步进速度减慢；
实时时间等于位置时间，则步进速度不变；
如果实时时间小于位置时间，则步进速度加快。
调整步进速度的快慢实际上是改变脉冲时间的间距时间。
3.4.2终点位置自动调速装置
限位装置的作用：
由于工作方式调整不当，时间还未达不到18时正，太阳能电池板已经运行至终止位置，而步进电机还是按照设定的工作方式继续步进。
当太阳能电池板运转至磁靠近开关时，磁靠近开关接通，PLC控制器发出一终止运行的工作指令，步进电机停止正转步进并发送一调速指令，降低PLC控制器的工作脉冲，步进电机正步进速度变慢。
3.5手动位置调整
安装一只带有自锁装置的按钮开关作为手动/自动转换控制指令。
3.5.1自动与手动联锁装置
按下手动/自动转换按钮，PLC控制器工作在手动调整位置，可以对实时时间控制太阳能电池板运行至相关位置；
松开手动/自动转换按钮，PLC控制器工作处于自动控制状态。
3.5.2手动位置调整过程
当PLC控制器处于手动控制的工作过程中，按下正/反步控进按钮，根据操作人员按照实际情况确定太阳能电池板的实时位置，是否应当采用正转或反转控制程序，设定好手动控制速度，然后按照实时太阳光的住置进行调整，调整完毕应该恢复自动控制参数，促使PLC控制器进入自动控制状态。
4结束语
PLC可编程序控制器是太阳能自动跟踪系统的主要部件，PLC的输入输出对电机可以实现智能化的控制，程序控制可以自行编写，根据各地的日照情况不同可以适当调整步进电机的起始工作时间，在不同的地区不同的经纬度国家都能很好得到自动跟踪的作用，整套系统便于全面推广应用，且能实现联网控制，功能强，价格比高，适应于企业综合自动化要求，提高企业的自动化需求，便于开发利用，具有良好的市场应用价值。
存在的主要问在于电机与电池板之间的传动设计不太合理。
鸣谢
通过这次的高技能的培训，本人系统学习和掌握了电工新技术，自动化的控制的理论、PLC控制器在自动化系列中的应用和编写PLC控制程序、步进电机的基本工作原理、名种检测亓件在某一特定条件下的应用，从而达到完全自动化控制的目的。
文中的设计理念基本上是独立创作，其中（3.1.2PLC控制步进电机工作原理）是引用“XX文库>
教育专区>
高等教育>
工学，三相六拍步进电机PLC控制设计和调试”。
具体表现在本文中对这一新技术的全面应用，并在实践过程中给予厂家修理真空电镀机中的步进电机不能手动操作的错误。
由于本人是初学者，对自动化控制原理进行设计，控制理念有不足的地方，敬请专家的斧正。
参考文献
[1]梁耀光，余文杰主编，电工新技术教程，世界图书出版广东有限公司，2012.4
[2]佚名，步进电机工作原理，大学课件，道客巴巴，[EB/OL]；
[3]行业资料，能源与动力工程，太阳能电池原理，豆丁网，[EB/OL]；
[4]《机电一体化系统设计》课程设计，XX文库>
工学，三相六拍步进电机PLC控制设计和调试，[EB/OL]
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