基于欧姆龙 PLC的太阳能集热系统设计

　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。

　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判断步进电机是否转动。如果PLC发出脉冲信号，但磁性传感器ZM没有检测到信号则认为步进电机堵转，并报警提示。

　　5.3 自动跟踪反馈装置的设计

　　只有太阳光实时的聚焦在集热管上，才能保证集热板的集热效率。集热板偏离0.6°，太阳反射光就没有聚焦在集热管，所以控制系统的准确性很重要。采用如图7所示的聚焦反馈装置，可以解决这个问题。反馈装置与集热管平行安装，太阳光通过条形挡板后，阴影投在两个辐射仪之间。聚焦准确时，两个光传感器检测的光辐射相同；聚焦偏离，则两个辐射仪之间有差值，通过判断差值，可以判断焦点偏离的方向和偏移量。光辐射仪采用4～20mA信号输出，通过CJ1－AD08模块量输入采集到控制系统，PLC在按太阳规律计算的太阳角度的基础上进行微小的调整，到达控制要求。

　5.4 热水系统控制

　　太阳能热水系统由热水泵，温度传感器，压力传感器等组成，将太阳能集热器产生的热水输送到外部系统，通过DRT2－TS04P温度终端模块采集的热水的出入口温度，可以用来判断集热板的工作效率，同时当热水超温或超压时，自动偏移焦点，对集热板进行保护。NT5Z设计的触摸屛操作界面(见图8)，用于显示集热板的运行状态，工况记录和设置控制参数。

6 结束语 
                                                  
　　整个控制系统设计中，OMRON PLC的浮点数计算，功能块的结构化文本语言，脉冲控制等功能都充分的发挥了作用。特别是集热板增加到多列，只需要增加位置控制模块，插入功能块就可以控制。而且CXP软件自身提供的功能块，使设计师只要认真考虑工艺流程，软硬件之间的接口控制，通过现有的FB库或自己设计的功能块来实现，使程序模块化更强，结构更简单。

　　OMRON自动化技术在纺织、包装、印刷、机床、生产线等很多领域得到运用，可再生能源作为新型的研究应用领域，也是能源可持续的发展方向，在未来的运用将越来越多，市场也将越来越广阔。所以，我希望OMRON公司也能深入这个领域，不断推出性能越来越优质的产品，来满足新领域的自动化控制需求。