毕业论文
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二零一零年六月
基于PLC的太阳运动双轴跟踪系统
的设计
内容摘要
目前，全世界范围内都面临着能源紧缺问题，所以积极开发利用新能源就变得愈发重要了。太阳能是一种具有开发潜能的理想的可再生能源，但目前太阳能的利用率不高，目前太阳能利用转化率不到20%。理论分析表明，跟踪式与定点式的太阳能发电装置相比，其能量的接收率可提高37.7％，。太阳跟踪装置成为国内外学者研究的热点1。因此，本文提出基
于可编程控制器PLC的太阳能双轴跟踪系统，使光伏模块能实时跟踪太阳光照，从而最大限度的获得太阳能。
系统硬件方面，主要选用SIEMENS 公司的可编程控制器PLC S7-200系列，PLC输入/输出端口的配置，光电接收器，信号处理单元和控制电路电源的设计；系统选用两台42BYGH型步进电机及SH2024A步进电机驱动器。在硬件设计部分，还对PLC控制模块、步进电机，光电感应器的相关工作原理、硬件结构、实现功能，以及相关选型加以说明。
系统软件的设计，本文在STEP 7-Micro/WIN 32编程软件平台上完成了系统的主程序模块、步进电机脉冲控制模块、步进电机运动方向控制模块以及其他相关功能模块的软件设计工作。
最后，对软硬件进行调试，实现了最初的设计构想，证实本文设计的跟踪控制系统的研究思路、控制方法、软硬件设计均是确实可行的。系统具有结构简单、运行平稳、跟踪精度高、稳定性高等特点。
关键词：太阳能；跟踪系统；PLC；步进电机；光敏传感器；太阳运行轨迹
Abstract
At present, we are facing the problem that the energy is shortage, so it becomes increasingly important that a positive development and utilization of new energy sources . Solar energy is a kind of ideal development potential of renewable energy, but solar energy is not utilized, currently solar energy conversion rate is less than 20%. analysis shows that the tracking and fixed-point type of solar power devices compared to the receiving rate of increase of energy 37.7%, so the Sun-tracking device are becomeing a hot researching scholars. Therefore, this paper proposes a programmable controller based on PLC's solar-axis tracking system that allows real-time tracking solar photovoltaic module to light, so as to maximize access to solar energy.
The hardware part of the system, we have choosed the SIEMENS PLC S7-200 programmable controller series, PLC input / output port configuration, optical receiver, signal processing unit and control circuit power supply design; we have two 42BYGH type stepping motor and SH2024A stepper motor drive in the system. In the hardware design part, PLC control module, stepper motor, photoelectric sensors related works, the hardware structure、achieved function, and the selection are be relevanted.
The software part of the system , in this paper ,we will design the main program module,
stepper motor pulse control module, stepper motor control module the direction of movement and other related functional modules of the software .in the help of STEP 7-Micro/WIN 32 programming software platform.
Finally, I will do the job that debug software and hardware to achieve the original design concept, which proves that this design of the tracking control system of thought, control methods, both hardware and software design is indeed feasible. This system is simple, stable, high tracking precision, high stability.
Key words: solar energy; tracking system; PLC; stepping motor; photosensitive sensor; the sun path
目录
第一章绪论 (1)
1.1选题背景 (1)
1.1.1发展太阳能的背景 (1)
1.1.2国内外太阳能利用的现状 (3)
1.2研究目的和意义 (4)
1.3本文研究内容 (6)
1.3.1执行器件模块部分 (7)
1.3.2传感器模块部分 (7)
1.3.2软件控制部分 (7)
1.4 本文结构 (7)
第二章系统总体设计 (7)
2.1 系统设计的原则和目标 (8)
2.1.1系统设计原则 (8)
2.1.2系统设计目标 (8)
2.2 系统的总体设计方案 (8)
2.3系统硬件设计 (11)
2.4系统软件设计 (12)
2.4.1太阳跟踪主程序 (12)
2.4.2 PLC对步进电机控制信号的处理流程 (12)
2.5本章总结 (12)
第三章系统的硬件设计 (13)
3.1可编程逻辑控制器PLC (13)
3.1.1 PLC简介 (13)
3.1.2 PLC的工作原理 (15)
3.1.3 本设计中PLC的选择 (16)
3.2执行机构 (17)
3.2.1步进电机的种类和结构 (18)
3.2.2步进电机的工作原理 (18)
3.2.3步进电机的特性 (19)
3.2.4 42BYGH永磁感应式步进电机 (20)
3.2.5 SH2024A步进电机驱动器 (21)
3.2.6步进电机的控制方式 (22)
3.3传感器 (24)
3.3.1 传感器的作用及分类 (24)
3.3.2光敏电阻器 (25)
3.4本章总结 (29)
第四章系统的软件设计 (29)
4.1 STEP 7-Micro/WIN32软件编程平台 (29)
4.2系统程序的设计 (29)
4.2.1视日运动轨迹跟踪方式 (30)
4.2.2 光电跟踪方式 (32)
4.3本章总结 (34)
第五章系统的成型与调试及结果 (34)
5.1系统整体连接 (34)
5.2系统调试和调试结果 (36)
5.2.1系统调试准备工作 (36)
5.2.2系统调试过程 (36)
5.2.3系统调试结果 (37)
5.3本章小结 (37)
第六章总结与展望 (37)
参考文献 (39)
附图（一） (40)
附图：程序 (44)
致谢 (47)
基于PLC的太阳运动双轴跟踪系统的设计
第一章绪论
1.1选题背景
1.1.1发展太阳能的背景
能源是人类生存发展必须具有的基本资源。从古至今人类获得能源的途径，可分为地上能源、地下能源与天上能源等三个层面或者说成是三个阶段。地上能源主要是植物能源(柴、草)，还有水能、风能等，在人类农业经济社会阶段主要是植物能时代，或称地上能时代。到了现代工业经济社会阶段，主要是煤石能源(煤炭、石油、还有天然气、地热能等)，可称为煤石能时代，或地下能时代。随着世界经济的发展进入21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增。能源短缺已成为人类社会面临的一个非常重大的挑战，作为世界主要能源的石油，其价格居高不下，前期每桶原油最高单价已突破100美元。虽然人类的科学技术正在高速发展，但面对石油这些不可再生性的资源，必须在其耗尽之前寻找到替代能源，否则未来世界将会因此不断爆发能源危机。资料表明，按照现在已经探明的储量及开采速度，到21世纪80年代，石油、天然气资源将枯竭。到22世纪20年代，煤资源也将被耗尽。即使是以铀为燃料的核电抛开价格、政治、发生危险泄露的因素不谈，也存在资源短缺的间题，已探明储量的铀矿资源也将在2030年前开采完2。
从我国的能源利用状况来看，自上世纪70年代初开始，我国已经经历了三次大的能源危机：1970-1984年间持续的能源供应紧张局面使全国约25%的企业开工不足；1988年再次出现类似情况，农业用电缺口超过60%，推动煤炭价格在当年涨幅达到87%，成为1989年以后小煤窑遍地开花的驱动力；2000年以来伴随着国际能源危机的逐步加深，我国能源供应紧张，主要常规能源的价格涨幅已达103%，大量进口石油引起国际社会的严重关切，能源已成为国家安全的重要影响因素。3
资料表明，作为世界上最大的发展中国家，我国目前能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第3位；基本能源消费占世界总消费量的10.4%，仅次于美国，居世界第2位，可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。2005年一次能源消费量为15.4亿吨油当量，到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。然而2005
年，世界人均一次能源消费量为1.65吨油当量，日本、美国分别为4.13吨和7.97吨油当量，而中国仅为1.18吨油当量，约为世界平均水平的3/4、日本的1/4、美国的1/7。预计到2010年，我国石油供需缺口1亿吨，天然气缺口400亿立方米。而且，随着中国的工业化和城市化进程，在基础设施建设和民用建筑阶段，能源需求量特别大，目前能源消费总量已经接近欧盟15国的总量。值得注意的是，过去二十多年来，我国汽车保有量以年均2%的速度迅速增加，亚太能源研究中心的预测，2020年我国交通部门的用能比例将增长到16%。与此同时，能源资源相对短缺又制约了我国能源产业的发展，能源技术相对落后影响了能源供给能力的提高。目前，国内的能源生产已经远远不能满足高速经济增长，能源进口量持续增加，能源对外依存度在7%左右，其中石油对外依存度在43%左右。有专家预测，到2020年前后，中国有可能成为世界第一大油品进口国4。
就我国实际情况来看，我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。我国大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。近20年来，中国光伏产业长期维持在全球市场1%左右的份额。2003、2004年中国太阳电池组件的生产量有了大幅度增长，2003年达1.2万千瓦，约占世界份额的2.2%，2004年达3.5万千瓦，约占3%。
为解决我国的能源短缺问题，太阳能发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色。，太阳能光伏发电装机容量2010年发展到超过450MWp，而2005年，全国太阳能发电装机容量仅为6.5MWp，这就意味着在未来的几年内，中国太阳能装机容量的复合增长率将会高达38%以上。根据电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电占到5%。国内太阳能电池产业主要应用在通信和工业领域(约占36%)、农村和边远地区领域(约占51%)、光伏并网发电系统(约占4%)以及太阳能商品及其它(约占9%) 5。
由此可见，面对日益严重的能源危机，根本出路在于尽快从采用煤石能转而采用太阳能，即从地下能时代转向天上能时代，或称太阳能时代。太阳能比起煤石能具有众多优点，具有不断再生性，能源分布范围广泛，安全，无污染，可谓取之不尽，用之不竭，能够全面保护自然平衡与气候温度平衡，便于开发与使用等。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。因此，太阳能等可再生能源产业的技术进步及世界各国政府支持已使可再生能源行业爆发式发展。根据欧洲、日本等能源机构预测，2020年，
光伏发电将占到全球发电量的1％，2040年将占到全球发电量的21％，2050年左右，太阳能将成为全球主力替代能源。
1.1.2国内外太阳能利用的现状
从国际上看，世界各国从能源供应安全和清洁利用的角度出发，把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。自20世纪80年代以来，光伏产业可以说是世界上增长最快的高新技术产业之一。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。
美国颁布一系列优惠政策，如1997年宣布的“克林顿总统百万屋顶光伏计划”，预计将在2010年完成。而2005年能源政策法规定，光伏系统投入费用可免税30%。据SEIA的统计，2005年美国太阳能光伏市场增长达72%。美国新的太阳能启动计划对太阳能项目研究的资助2006年达到6500万美元，2007年将达到1.48亿美元，而对美国国家可再生能源实验室（NREL）的太阳能研发资助达4500万美元，其研究目标是到2015年使光伏能量可与其他电源相竞争。
日本政府于2007年年末宣布，要大力普及家庭太阳能发电，计划到2030年使家庭采用太阳能发电的由现在的约40万户扩大到1400万户，相当于日本全国家庭总数的约30％，该项目标已列入日本的“能源革新技术计划”。日本政府决定将在2008年成立由国内外专家组成的国际研究机构，专门从事低成本新型太阳能板的研制开发，并在年度预算中列入相关经费20亿日元。据国际能源机构的统计，2006年包括企业在内，日本的太阳能发电容量为171万千瓦。目前日本住宅用太阳能发电设备的价格在200万日元左右，包括发电成本在内，太阳能发电的低价格化是普及太阳能发电的一大课题。因此，日本政府提出将开发使能源效率比现在提高1-2倍的新型太阳能板，使发电成本大体上与火力发电相当，到2030年其成本由现在的每千瓦46日元降低到7日元。京瓷公司已提出将太阳能发电设备的产量到2010年比现在提高2倍，如果进展顺利，有望初期费用进一步降低。日本政府的目标是，在2030年之前要将住宅用太阳能电力容量(现在为130万千瓦)扩大到30倍。德国是一个能源紧缺的国家，能源供应在很大程度上依赖进口。为摆脱对进口和传统能源的依赖，德国近年把能源政策重点放在节约传统能源和发展新型能源两个方面，以期实现能源生产和消费的可持续发展。6
我国光伏产业发展从20世纪50年代开始研究，到70年代开展空间应用和地面应用，
光伏产业初步形成实际上是从20世纪50年代中后期开始，并在90年代以后才得到迅速发展。目前，随着《中华人民共和国可再生能源法》的颁布和实施、京都议定书的签定以及各项环保政策的出台和对国际的承诺，为太阳能利用产业的发展提供了政策的保障，给太阳能利用产业带来机遇。再加上西部的大开发，原油价格的上涨，中国能源战略的调整，以及政府加大对可再生能源发展的支持的力度，所有的这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。随着无锡尚德太阳能电力有限公司成功登陆纳斯达克，国内掀起一股进军光伏产业的热潮。目前，我国的太阳能光伏产业基地的省份主要集中于环渤海区域，长三角区域的江苏，华中华南地区的湖北以及广东，多晶硅的生产基地则多分布于中西部地区，其中江苏的光伏产业位居全国前列，以无锡尚德太阳能电力有限公司为代表的企业已具备较好的产业基础。
据中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍，我国是太阳能资源丰富的国家之一，我国有荒漠面积108万平方公里，大多分布在光照资源丰富的西部高原地区，一平方公里面积可安装100兆瓦光伏阵列，每年能发电1.5亿度。只要开发利用1%的荒漠，就可以发出相当于我国2003年全年的耗电量。看来，在我国加快采用太阳能是有很好的基础的。据发展改革委能源局介绍，截至2006年年底，我国太阳能热水器年生产能力达到1500万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达１亿平方米，生产量和使用量均居世界第一。全国有1000多家太阳能热水器生产企业，年总产值近120亿元，已形成较完整的产业体系，从业人数达20多万人。到2010年，我国太阳能发电总容量将达到30万千瓦，太阳能热水器总面积将达到1.5亿平方米，太阳能利用年替代3000万吨标准煤。到2020年，太阳能光伏发电将达到１80万千瓦，太阳能热水器总面积将达到３亿平方米，太阳能利用年替代能源6000万吨标准煤。
1.2研究目的和意义
随着现代人类社会生活的发展，人们对于居住的环境的舒适性产生了更多的依赖，全面生活水平的提高和现代化的生活质量，与不断消耗的能源是呈正比例发展的，而人类的理智与地球上能源的枯竭是十分的不相称的。正鉴于此，为了人类更加久远的高质量的生活，科学家们研究了出了很多的绿色能源，如风能、潮汐能、太阳能等。
在国内，太阳能技术已经有了一定的发展，如太阳能热水和太阳能光电的利用。全世界
在技术上参差不齐，对于固定式的太阳能设备技术已经基本了解，而对于可以跟踪太阳能角度来提高采光的技术普及还不能广泛展开，在应用的可行性上，以现代的科学技术是不成问题的，然而由于技术难度而带来的成本提高，在经济上不是所有人都能接受的了的，所以一直没有得到广泛的应用。下面对太阳能利用中，采光设备跟踪太阳角度的必要性做下面的说明。
对于不考虑由于不同时间阳光穿过大气层的厚度不同，而引起的大气透明度的变化，而产生的影响时，通过设备采用和不采用跟踪系统单位面积在不同时间段里，吸收的太阳辐射量近似值，从而计算出的当采用跟踪系统时不考虑其它条件时在吸收太阳能上提高的效率。
角度正弦值
sin
时间h
(1)水平单位
面积总辐射
(2)正对单位
面积总辐射
辐射时间
s
(1)水平单位面
积辐射量J
(2)正对单位
面积辐射量J
0 0.00000 6.000 0.00 1144.40 0.00 0.00 0.00
7 0.12187 6.467 139.47 1144.40 1680.00 117152.51 1922592.00 10 0.17365 6.667 198.72 1144.40 720.00 121748.49 823968.00 15 0.25882 7.000 296.19 1144.40 1200.00 296949.29 1373280.00 20 0.34202 7.333 391.41 1144.40 1200.00 412560.21 1373280.00 25 0.42262 7.667 483.64 1144.40 1200.00 525031.31 1373280.00 30 0.50000 8.000 572.20 1144.40 1200.00 633506.59 1373280.00 40 0.64279 8.667 735.61 1144.40 2400.00 1569367.35 2746560.00 50 0.76604 9.333 876.66 1144.40 2400.00 1934720.86 2746560.00 60 0.86603 10.000 991.08 1144.40 2400.00 2241288.85 2746560.00 75 0.96593 11.000 1105.41 1144.40 3600.00 3773672.95 4119840.00 90 1.00000 12.000 1144.40 1144.40 3600.00 4049649.92 4119840.00
提高效率57.69070278% 1.576907028 15675648.32 24719040.00
对于考虑由于不同时间阳光穿过大气层的厚度不同，而引起的大气透明度的变化，而产生的影响时，通过设备采用和不采用跟踪系统单位面积在不同时间段里，吸收的太阳辐射量近似值，从而计算出的当采用跟踪系统时不考虑其它条件时在吸收太阳能上提高的效率。
角度正弦值
sin
时间h
(1)水平单位
面积总辐射
(2)正对单位
面积总辐射
辐射时间
s
(1)水平单位面
积辐射量J
(2)正对单位面
积辐射量J
0 0.00000 6.000 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
7 0.12187 6.467 97.70 801.68 1680.00 82068.00 673409.73 10 0.17365 6.667 153.50 883.97 720.00 90432.00 606833.83 15 0.25882 7.000 244.20 943.52 1200.00 238620.00 1096492.59 20 0.34202 7.333 341.90 999.65 1200.00 351660.00 1165899.06 25 0.42262 7.667 439.60 1040.18 1200.00 468900.00 1223898.58 30 0.50000 8.000 537.30 1074.60 1200.00 586140.00 1268869.35 40 0.64279 8.667 697.80 1085.58 2400.00 1482120.00 2592220.94
50 0.76604 9.333 858.30 1120.43 2400.00 1867320.00 2647218.23 60 0.86603 10.000 983.90 1136.11 2400.00 2210640.00 2707849.15 75 0.96593 11.000 1102.50 1141.39 3600.00 3755520.00 4099503.36 90 1.00000 12.000 1144.40 1144.40 3600.00 4044420.00 4114425.59
提高效率46.24360531% 1.462436053 15177840.00 22196620.42 由于早晚时间与正午时间阳光穿过大气层厚度明显的变化，其影响十分的明显。但即使考虑大气透明度的太阳能其效率提高高达46.24%，其中其它的影响因素也很多，要全面考虑计算，以上的计算十分粗略，而对于全年考虑，其中一个重要影响因素是，由于固定模式的采光设备，其四季变化，正午都无法满足正对太阳，其辐射量会略低。因此理论上来说，其吸收的太阳辐照会略低（小于15177840J），其提高的效率会比46.24%大一些，甚至达到50%左右。要知道四季角度变化带来的影响到底有多少，要对了解四季太阳不同时间的辐照，考虑四季阴雨天出现的平均概率进行细致的计算。才能得出最有说服力的结果。
近50%的效率提高。也就是意味着节省很大一部分成本可以考虑用来做采光设备的太阳能跟踪系统，比如100万的一项太阳能工程，用原有的2/3的采光面积将意味着减少1/3的投资，用33万的资金来做跟踪系统，对于我们中国一个人口大国来说，其必要性是不同质疑的。对于化石资源全面匮乏的未来，太阳能的广泛，甚至全面的应用，其占用的空间将成为主要的问题。
对于现在应用较广的太阳能热水工程，由于采光极热联箱整体的重量较大，硬质（钢管、硬塑）管道的应用技术技术比较纯熟，软管的应用和普及还存在一定的难度，其跟踪系统的应用比较困难。但光电领域的除了提高光电板的能量转换效率以外，其廉价跟踪系统的开发和应用的空间是很大的，也是很必要的，尤其是在大型光伏电站中的应用。7综述，本文将从现有的研究基础上，以结构简单、价格低廉、功能适用和精准高效为原则，设计基于PLC为控制核心的太阳能自动跟踪控制系统，使太阳光线始终垂直于太阳板，从而获取当时最大的太阳光能。通过对太阳能跟踪系统的设计，达到对位置随动系统的进一步深入了解。
1.3本文研究内容
本文所研究的太阳能跟踪系统是以西门子公司的s7-200为控制核心的自动控制系统，整个系统主要包括软件控制模块、传感器模块和执行器件模块部分组成，主要有以下内容：
1.3.1执行器件模块部分
用两个步进电机组装成执行机械，充分利用西门子PLC S7-200，搭建好控制平台，通过运行相关程序后发出脉冲与方向指令，并经过步进电机驱动电路后驱动控制相应的步进电机，实现对应太阳角度变化的转动。
1.3.2传感器模块部分
太阳角度确定部分：利用光电传感器，感受太阳光强弱及有无的变化，产生相应的
变化的感应电流，经传感器电路向PLC发送相应的电平信号，从而确定太阳角度的变化。
1.3.2软件控制部分
步进电机脉冲控制部分：根据检测到的不同的电平信号，经PLC运算向执行器件发送信号以选择要执行任务的电机及向电机发送脉冲和运转方向控制信号，以控制步进电机按要求转动至阳光垂直照射。
1.4 本文结构
本文共分为六章：
第一章绪论部分，主要阐述了选题背景、目的和意义，和本设计的研究内容。
第二章主要对太阳自动跟踪系统总体设计，确定了系统设计的原则和目标，并分别介绍了系统软件部分的主程序、步进电机脉冲控制和方向控制等程序。
第三章主要对硬件部分的PLC控制模块，执行步进电机模块和光电传感器三个部分的设计。
第四章主要完成系统主程序模块、执行电机的选择、步进电机脉冲控制及其运转方向控制模块的软件设计工作。本章的软件编程部分作为本文的重点，是本系统的核心。
第五章本章主要介绍系统完成后的调试与测试，对设计制作结果进行展示总结。
第六章总结与展望。
第二章系统总体设计
总体方案设计是设计开发太阳自动跟踪系统的首要环节[12-13]，硬件部分主要涉及PLC、
步进电机、步进电机驱动器、光电传感器等。而软件部分和传感器部分则是本文的重点，主要涉及太阳角度变化，脉冲控制及相关控制系统编程等方面。本章首先提出了总体设计的设计要求和设计原理，根据实际需要以精简、高效、节能的原则划分系统硬件模块和软件模块，并对硬件部分设计方案和软件设计方案分别加以介绍，全面说明整个系统的总体方案。
2.1 系统设计的原则和目标
2.1.1系统设计原则
本系统的设计开发应以实际需求为导向，注重实用性。设计过程中遵循以下几个原则：模块化设计：模块化设计：数控系统的模块化建立在各功能要素的逻辑分析基础之上，实现了模块之间的标准连接，同时模块化的构成要素能够满足系统分析设计的要求。
动态配置系统参数：为实现更灵活的配置和更友好的操作，控制系统能够完成系统的动态配置。
可扩展性：系统可以被安全、有效地完成二次开发，按照所需的控制策略和控制算法搭建专用系统，并可通过预留插入用户专用软件接口8。
2.1.2系统设计目标
本系统的设计应能够满足以下几点要求：
通过光电传感器，感应太阳的位置变化，实现对太阳的稳定跟踪。
能够充分利用可编程控制器高效运算功能集成的优点，实现预期功能的要求，并具有高效计算功能、高速处理能力、高效通讯能力和可靠性。
2.2 系统的总体设计方案
对太阳能跟踪系统主要有机械式和电控式两大类别9。本设计主体部分主要采用机械和电控中广泛应用的随动原理进行太阳的跟踪的方式作为设计思路。
在本系统设计初，我主要提出了两种控制方法：
一是视日运动轨迹跟踪系统，在主控器中存入当地的太阳轨迹，即太阳俯仰角和方位角随时间变化的数据，PLC根据时间来读取相应的角度以输出控制信号，使步进电机转动调
整，以达到跟踪太阳的目的。此方法简单稳定，但由于使开环系统，且内部存入的太阳方位角数据不是连续的，所以跟踪精度不是很高。
二是随动系统控制（即光电跟踪），随动系统是一种带反馈控制的动态系统，在这种系统中输出量一般是机械量，例如位移、速度或者加速度等等。反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号然后进行比较，得出偏差，系统是按照偏差的性质进行控制的，控制的结果是减少或消除偏差，使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化10。PLC根据传感器检测到的信号处理出相应的控制信号，使步进电机准确地跟踪太阳光。但其受天气影响较大，在阴天或被云遮住阳光的情况下，稳定性稍差。
本文最终方案确定为采用以上两种方法相结合的控制方式，是为阴天模式（开环，视日运动轨迹跟踪系统）和晴天模式（闭环，随动系统控制），两种控制方式随天气的变化而自动切换。所以此系统具有跟踪精度高，稳定性高和简单易行等特点。
白天模式
太阳板调整到当地当时的日
出方位角与俯仰角
光伏电池板调整到阳光垂直照射的位置
夜间模式系统待机
阴天模式
感应器感应太阳方位角与俯仰角的偏移
对输入信号处理计算
并输出信号
步进电机转动
PLC 调用当地当时的太阳方位角与俯仰角数据
步进电机转动
感应器感应光的强弱及有无
白天？
晴天模式
晴天？
NO
YES
YES
NO
传
感器
PLC
执行器
传感器
PLC
执
行器
图2-1 太阳跟踪系统总体结构图 Fig 2.1 overall design of solar tracking system
本文的设计思想主要基于成熟的硬件支持下，采用具有高效计算功能、高速处理能力、高效通讯能力和可靠性的S7-200PLC 控制器 11，充分利用步进电机优点中的脉冲控制，通过光电传感器感应太阳位置的变化，反馈给PLC ，PLC 进行处理，输出脉冲控制步进电机的转动，达到跟踪太阳光的目的。本文太阳跟踪系统总体设计构图如图2-1所示。
本系统硬件部分设计分为PLC 控制模块、执行器（步进电机）模块和光电感应器模块三个部分。以光电感应模块感应太阳位置变化，产生相应的信号，信号经相应的放大器放大并处理成与PLC 相匹配的信号后，送到PLC 控制器，经PLC 计算处理后，发送相应控制步进电机的脉冲，经驱动器传送至步进电机，从而控制步进电机的转动。本系统使用的两台步进电机为42BYGH 四相步进电机，负责按照脉冲指令转动相应的角度，两台步进电机经机械组合安装组成三维空间内的转动机构，接受控制信号后，两台步进电机配合转动，从而使太阳板始终能够正对太阳。图2-2为硬件系统结构图。
04
步进电机步进电机步进电机驱动
SH2024A +5V
+24V
S7-200
PLC
俯仰方向
水平方位
传感器模块
PLC 主控器模块
步进电机执行器模块
图2-2硬件系统结构图
Fig.2-2 Hardware structure of control system
具体选用硬件如下：
PLC ：西门子公司的可编程控制器PLC S7-200系列试验箱
步进电机执行器：42BYGH 四相步进电机两台搭建的执行机构，及其相应SH2024A 步进电机驱动器，工作电压+24V ，静态电流2.5A ，步距角0.9度 光电感应器：光敏电阻
0.1uf
+24v
+5v
0.1uf
1k
100
5.1v
提供+5V 电压的稳压电源如上图所示。
本系统的编程利用了西门子公司针对S7-200系列的STEP 7-Micro/WIN SP3软件编程平台。
2.4.1太阳跟踪主程序
本系统主要采用了太阳轨迹跟踪和传感器感应太阳位置变化跟踪两种方式相结合的方式跟踪太阳，因此主程序主要完成读取太阳轨迹数据和实时感应太阳位置，并设计相应控制策略，按要求发出脉冲信号和方向信号，驱动步进电机完成相应角度的转动。本文对传感器感应太阳位置变化跟踪方式（即晴天模式）进行了重点设计和编程调试。图2-3为系统主程序流程图。
开始
系统初始化
日出后日落
前？太阳
轨迹
跟踪
（阴
天模
式）
传感
器跟
踪
（晴
天模
式）
电机要调节
吗？
步进电机驱动
N N
Y Y
图2-3系统主程序流程图
Fig2-3 Flow chart of system main program
2.4.2 PLC对步进电机控制信号的处理流程
机器运行后，控制器PLC自动检测天气的白昼阴晴情况，并自动选择和切换模式实施相应的控制。该部分的流程如图2-4所示。
2.5本章总结
本章主要对太阳跟踪系统作了总体设计，确定了系统设计的原则和目标，并分别介绍了
系统的硬件部分的光电感应模块、PLC 控制模块和步进电机执行器模块三个部分，以及软件部分的主程序和步进电机脉冲控制处理等程序的设计。
PLC 控制
白天？
晴天？
太阳板到位？
PLC 调用俯仰方位角
数据
PLC 发送调整信号
发送调整信号N
Y
Y
N
Y
N
图2-4 信号处理流程图 Fig.2-4 Flow chart of signal processing
第三章 系统的硬件设计
PLC 控制器因其先进的软、硬件结构，且具有事件模块管理功能及快速的中断处理功能，越来越成为一种极为方便的实现电机数字化控制的微处理器 12。而步进电机作为数字控制系统的一种常见的执行元件，将接收的数字控制信号（电脉冲信号）转换成与之相应的角位移或直线位移，且实现开环控制无累计误差。两者的结合实现了基于PLC 的步进电机的控制系统，并且具有模块化、数字化和高效准确等特点，较好的实现了太阳自动跟踪的驱动控制。
3.1可编程逻辑控制器PLC
3.1.1 PLC 简介
早期的可编程序控制器称为可编程序逻辑控制器PLC （Programmable Logic Controller ），主要用于代替继电器实现逻辑控制。随着科学技术的发展，PLC 的功能已经远远超过了逻
辑控制的范畴，适其不仅具有逻辑控制的功能，而且具有运算、模拟量处理和通信联网等功能。因此，人们将当今这种装置称为可编程序控制器，可编程序控制器（Programmable Contrroller）简称PC，但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。它是一个以微处理（Microprocessor）为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计。简称PC。但为了避免与个人计算机PC（Personal Computer）混淆，所以将可编程序控制器简称为PLC。13 PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、系统程序存储器、用户程序及数据存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、外部设备接口和电源等部分组成。其中，CPU 是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理。输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器，上位计算机等外设连接。如图3-1所示。
输
入模块
CPU
模块
编程装置
输
出
模
块可编程控制器
按钮选择开关限位开关
电源
接触器
电磁阀
指示灯
电源
图3-1 PLC组成图
Fig.3-1The Structure of the PLC
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，且具有功能强大、体积小、重量轻、易于实现机电一体化等的优点。对于编程，它不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单编程指令形式，使编程、调试和查错都很方便。
PLC应用范围相当广泛：14
一、开关量的逻辑控制；
PLC的最基本控制功能是实现开关量逻辑控制。所控制的逻辑可以是时序、组合、