基于工控機和PCI總線實現全自動跟蹤控制系統的設計

1、引言

能源是人類面臨經濟發展和環境維護平衡需要解決的最根本最重要的問題。太陽能是一種極為豐富的清潔能源，同時通常最普遍且最方便使用的是電能。因而太陽能光伏發電是最有應用前景的太陽能利用方式。目前，光伏發電的成本太高，世界各國正在積極改進電池制造工藝。采用新技術以提高轉換效率，降低光伏發電的成本。全自動跟蹤太陽發電設備從控制技術出發，采用新的光伏發電裝置技術，與固定式相比發電能力提高35％，成本下降25％。

全自動跟蹤控制是控制器的核心任務。本文設計的這套控制裝置是以工控計算機作為檢測與控制的核心，利用其PCI總線插槽、插入采集卡和I／O卡，實現巡回檢測多路模擬信號以及開關信號，可對檢測信號進行采集、顯示、查詢、圖形圖像處理、打印輸出，并且具有自校準、自診斷和自測試功能，同時可以根據測試的結果進行自動控制，形成智能化控制器。

2、全自動跟蹤控制器硬件設計

2.1 硬件結構的基本組成

全自動跟蹤太陽光伏發電控制器主要由各種傳感器、轉換電路、A／D采集卡、工控計算機、I／O卡、執行元件等組成。其硬件結構圖如圖1所示。

基于工控機和PCI總線實現全自動跟蹤控制系統的設計

各種傳感器檢測到的參數信號通過轉換電路，轉換成標準的1 V～5 V電信號，傳輸到模-數（A／D）采集卡，將采集的各參數信號轉換為計算機可以處理的數字量，然后計算機對這些經過離散并量化的數字信號進行監測與處理，并通過輸入／輸出卡（I／O）輸出控制信號，以控制執行元件的接通或斷開。利用人機界面的系統監控軟件。設置系統運行方式，選擇控制算法，顯示實時和歷史的數據與圖表、分析、保存、報警、打印、發送命令控制系統運行等功能。

2.2 傳感器的選擇和模擬輸入電路設計

該裝置可檢測14路系統參數，分別是光伏陣列的輸出電壓／電流、跟蹤光強、環境光強、蓄電池充電電流／電壓、逆變器的輸出交流電流、交流電壓、環境溫度、蓄電池溫度、光伏陣列溫度、太陽方位角、高度角和風速。

電流檢測是采用北京中新康達電子有限公司生產的電流傳感器CHT50A-S實現的。該電流互感器的主要傳感器件是霍爾元件，采用磁平衡原理。檢測精度高，線性度好，而且檢測電路與被檢測電路完全隔離。但電流互感器實際上是電流一電流變換器，即將被測電流轉換為0 mA～50 mA標準電流，并以電流源方式輸出，為了獲得可供A／D采集卡采集的電壓信號，還必須外加電壓取樣電路，將電流信號轉變成電壓信號。其檢測電路原理如圖2所示。

電壓檢測是采用北京中新康達電子有限公司生產電壓傳感器HT500VI實現的。該電壓傳感器利用霍爾元件，采用磁補償原理，大功率電阻把電壓輸入變換為電壓傳感器的0 mA～10 mA標準輸入電流，并以電流源方式輸出，為了獲得可供A／D采集卡采集的電壓信號，還必須外加電壓取樣電路，將電流信號轉變成電壓信號。檢測電路原理如圖2所示。

環境溫度檢測是采用AD590溫度傳感器實現的，它具有較高的精度和重復性，相對于熱敏電阻精度有所提高，且檢測溫度范圍為：-55℃～+155℃。檢測電瓶溫度和光伏陣列溫度采用PT100鉑電阻。為了獲得A/D采集卡采集的電壓信號，還必須外加電壓取樣電路。取樣電路采用高阻抗同相放大器。檢測電路原理如圖3所示。

太陽光強和太陽能電池組件表面光強的檢測非常重要，是系統太陽能電池組件性能和聚光發電效率的一個重要參數。在太陽光的照射下，由于太陽電池的輸出短路電流與太陽輻照度成正比，故選取一塊經標準光強標定好的光電池作為光強傳感器，只要測出其輸出短路電流和表面溫度即可推算出當時其表面所受的輻射光強。檢測電路原理如圖4所示。

風速檢測是采用長春氣象儀研究所生產的FC-1型風速風向傳感器。風杯風速儀是用風杯旋轉架作為感應元件，一個多齒轉盤和光電斷器用來將轉子速度轉換為與風速成正比的頻率電信號，為了獲得A／D采集卡采集的電壓信號，還必須外加電壓取樣電路。將電頻率信號轉變成電壓信號。把頻率信號送入頻率／電壓轉換器中，經過取樣電路，就可以得到與風速成正比的標準電壓信號。其檢測電路原理如圖5所示。

太陽能電池陣列角度檢測是采用北京天海科科技公司DWQ-360-BZ-V型角度傳感器實現的，該傳感器具有分辨率高、溫度穩定性好等突出優點。

2.3 自動跟蹤太陽與蓄電池充放電控制

太陽位置的變化會引起照射在平面鏡鏡面光強的變化，要使平面鏡接收到最大的光強，應使鏡面與太陽光線照射垂直，因此必須使平面鏡跟蹤太陽。太陽位置由高度角和方位角確定，可利用兩個步進電機驅動平面鏡作兩軸運動，達到跟蹤太陽的目的。在高度角和方位角跟蹤時分別利用兩只2CU型光電二極管作為太陽位置的敏感元件。4只光電二極管安裝在同一個半球形的傳感器殼內。每對二極管被中間隔板隔開，對稱地放在隔板兩側。傳感器俯視結構如圖6（a）所示。當鏡面對準太陽時，太陽光平行于隔板，兩只二極管的感光量相等，輸出電壓相同。當太陽光略有偏移時，隔板的陰影落在其中一只二極管上，使兩只二極管的感光量不等，輸出電壓也不相等。根據輸出電壓確定步進電機的轉向，控制相關的繼電器動作，接通步進電機使其轉動。當轉到太陽光重新平行于隔板時，兩只二極管輸出相同電壓，繼電器斷開，電機停轉。光電二極管信號放大電路如圖6（b）所示。

蓄電池作為光伏發電系統的重要元件，延長其使用壽命是關鍵問題。蓄電池在充電過程中過量充電或是在放電過程中過量放電都會對蓄電池的性能造成不良影響，所以采用計算機實時檢測蓄電池的端電壓，根據充放電要求，控制充放電電子開關的導通和截止，從而延長蓄電池的使用壽命。確保系統的正常運行。蓄電池放電即負載用電可以采用兩點控制方式，當蓄電池電壓下降到一定值時報警，提醒工作人員節約用電，減少負荷；當電壓下降到更低的下限值時，系統切斷負載，從而防止蓄電池過放電造成的損壞。

為了提高系統運行的可靠性，還設有自動防風保護功能，當風力達到8級以上時，通過風速傳感器檢測到風速報警信號后，由計算機系統的繼電器輸出放翻控制動作，使太陽能電池組件和多平面鏡陣快速收平，當風力降下來時，延遲10分鐘，解除防風狀態，恢復平面鏡陣的跟蹤過程。

此系統還設有夜晚自動恢復原始排放狀態功能，當系統采集的實時環境光強和實時時間都小于設定的最小經濟發電光強和傍晚時間時，平面鏡陣恢復到原始位置，等待第二天的運行。

2.4 采集卡與I／O卡的選擇

數據采集選用中泰研創科技有限公司生產的PC-6330模擬量輸入采集卡，單端16路12位A／D轉換輸入和PS-003通用接線端子板配合使用完成現場數據采集與處理；開關量輸出輸入輸出采用PC-6408光隔離開關量輸入輸出接口卡，DI為16路，DO也為16路，與PS-002繼電器板配合使用完成現場信號輸出控制。

3、全自動跟蹤控制器的軟件設計

系統運行流程圖如圖7所示。本軟件設計采用Windows操作系統作為工作平臺，以采集卡和I／O卡的驅動程序作為編程語言，主要包括主程序、采集數據子程序、監控子程序、跟蹤子程序、蓄電池充放電子程序等。此系統中數據采集量巨大，數據的處理要求高，隨著時間的推移，數據的統計、保存、查詢都會變的更加復雜。因此，必須采用先進的數據庫管理技術。系統采用Visual Basic6.0軟件平臺。