基于單片機(jī)的定日鏡陣列聚焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊田忠，黃捷，孫承志，陳海霞

( 三江學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇南京210012)

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)也稱集中型太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。如圖1 所示，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡群，將陽(yáng)光聚集到固定在塔頂部的接收器上，用以產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。

圖1 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的優(yōu)點(diǎn):聚光倍數(shù)高，容易達(dá)到較高的工作溫度，陣列中的定日鏡數(shù)目越多，其聚光比越大，接收器的集熱溫度也就愈高;能量集中過程是靠反射光線一次完成的，方法簡(jiǎn)捷有效;接收器散熱面積相對(duì)較小，因而可得到較高的光熱轉(zhuǎn)換效率;多種工質(zhì)，儲(chǔ)熱方案多樣性;分布式系統(tǒng)，科技進(jìn)步。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的缺點(diǎn):定日鏡控制難度大;鏡場(chǎng)系統(tǒng)投資大。

某塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)要求:供電電壓18 ～30 V DC;電機(jī)動(dòng)態(tài)功耗低于60 W，電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，切斷電機(jī)電源;步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)及停止平穩(wěn)無振動(dòng);電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)最大速度300 r/min;水平方向(方位角)軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0° ～360°，垂直方向(高度角)軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0°～85°;機(jī)械定位精度0.4×10－3rad (0.022 92°)，鏡子輸出最小轉(zhuǎn)動(dòng)0.1×10－3rad (0.005 73°);系統(tǒng)一個(gè)模組3.6 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn);成本低廉。

RS485 總線和Modbus 協(xié)議廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域［1－2］。作者采用簡(jiǎn)單實(shí)用的RS485 接口、ModbusRTU 協(xié)議，組成2 層總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的群控;同時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)按當(dāng)前日期時(shí)間、相對(duì)塔距、相對(duì)塔方位、塔高、所處經(jīng)緯度等自動(dòng)調(diào)節(jié)鏡面方位角與俯仰角，實(shí)現(xiàn)塔式太陽(yáng)能發(fā)熱系統(tǒng)對(duì)陽(yáng)光的聚焦。

1 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，機(jī)械系統(tǒng)方案采用:0° ～85°轉(zhuǎn)動(dòng)部分用步進(jìn)電機(jī)直聯(lián)高精度渦輪蝸桿;0° ～360°轉(zhuǎn)動(dòng)部分也用步進(jìn)電機(jī)直聯(lián)高精度渦輪蝸桿;機(jī)械設(shè)計(jì)上保證了自鎖性，電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以切斷電源。機(jī)械方案簡(jiǎn)圖如圖2 所示。鏡片距離發(fā)射光接收部分最遠(yuǎn)距離以300 m 計(jì)，機(jī)械定位精度0.4 ×10－3rad 時(shí)，鏡片輸出誤差在反射耀斑中心誤差為240 mm (鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度α，反射光的偏轉(zhuǎn)角度為2α，當(dāng)α為0.4 × 10－3rad 時(shí)，耀斑偏轉(zhuǎn)2 × 0.4 × 0.001 ×300 ×1 000 =240 mm)，則機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮精度與剛性。

圖2 節(jié)點(diǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制器，RS485 接口的Modbus 通信方式進(jìn)行群控。36 000 節(jié)點(diǎn)采用單片機(jī)直接控制2 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，只作Modbus 從站，需要1個(gè)UART。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一“組號(hào)(1 ～150) +組內(nèi)號(hào)(1 ～240)”的標(biāo)號(hào)。節(jié)點(diǎn)在空間上按一定規(guī)律排列，組內(nèi)240 個(gè)節(jié)點(diǎn)聚集在一起。150 只按組號(hào)作Modbus 中轉(zhuǎn)，每個(gè)Modbus 中轉(zhuǎn)掛240 個(gè)節(jié)點(diǎn)，也采用單片機(jī)，需要2 個(gè)UART。總線結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 Modbus 總線分層結(jié)構(gòu)

選擇步進(jìn)電機(jī)步距角:0.9°，傳動(dòng)比:180，則每發(fā)1 個(gè)脈沖鏡片轉(zhuǎn)0.005°，符合鏡片輸出最小角度要求。根據(jù)高度角電機(jī)x 向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:0° ～85°，最大脈沖總數(shù)17 000 (采用2 字節(jié)，16 位無符號(hào)整數(shù))。根據(jù)方位角電機(jī)y 向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍:0° ～360°，最大脈沖總數(shù)72 000 (可采用4 字節(jié)存儲(chǔ)，長(zhǎng)整數(shù))。

由于每秒鐘太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)約0.004 2° (360/ (24 ×3 600))，根據(jù)機(jī)械允許定位精度，若取控制允許角度偏差為1' = 0.016 7°，則最長(zhǎng)約4 s (0.016 7°/0.004 2°)需要更新調(diào)整角度。步進(jìn)電機(jī)處于極低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，幾乎就是單步運(yùn)行，機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣控制上要注意避免低頻振蕩現(xiàn)象，發(fā)完脈沖后可以斷電進(jìn)行機(jī)械自鎖，防止丟步和滑步。

以下方案計(jì)算中，通信速率按9 600 b/s，按每個(gè)字節(jié)實(shí)際發(fā)送11 位，每個(gè)Modbus 報(bào)文長(zhǎng)度為有效數(shù)據(jù)字節(jié)加上9 個(gè)字節(jié)，組內(nèi)號(hào)用“#”表示，每個(gè)小方格表示1 字節(jié)數(shù)據(jù)。

方案一:全部總站高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)當(dāng)前日期時(shí)間、所處經(jīng)緯度、各節(jié)點(diǎn)相對(duì)塔方位角、塔高和各節(jié)點(diǎn)至塔垂直距離計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)間x、y 向電機(jī)理論轉(zhuǎn)角所應(yīng)發(fā)脈沖，逐一發(fā)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)已轉(zhuǎn)角度脈沖與之比較，從而調(diào)整鏡片姿態(tài)。

采用組輪寫方式。向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量見表1，共7 個(gè)字節(jié)。每組發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(9 +7 ×240) =1 689 B，1 689 ×11/9 600≈1.94 s，若采用3 s 輪流發(fā)送，150 組需時(shí)7.5 min，顯然該方案不可取。

表1 方案一組輪寫方式每節(jié)點(diǎn)有效數(shù)據(jù)格式

采用組廣播寫方式。每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)需增加組號(hào)，格式見表2 所示。每次寫全部數(shù)據(jù)長(zhǎng)度約8 ×150 ×240 =288 000 B，數(shù)據(jù)太多，需要大內(nèi)存單片機(jī)，成本高;而且每發(fā)送完一次數(shù)據(jù)需時(shí)約288 000 ×11/9 600≈330 s=5.5 min，顯然也不能采用。

表2 方案一組廣播每節(jié)點(diǎn)有效數(shù)據(jù)

方案二:只做時(shí)間同步和特殊控制，特殊控制采用1 個(gè)字節(jié)表示，比如可以根據(jù)某位來控制所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入風(fēng)沙保護(hù)模式、回零點(diǎn)模式等。#S 和#E 用來控制組內(nèi)節(jié)點(diǎn)不工作鏡片序號(hào)范圍，不工作鏡片數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際塔溫等來動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制。總站與中轉(zhuǎn)站均采用廣播方式，每次發(fā)送有效數(shù)據(jù)格式見表3。而每個(gè)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)需要設(shè)定所處經(jīng)緯度、節(jié)點(diǎn)相對(duì)塔方位角、塔高和節(jié)點(diǎn)至塔垂直距離，可以在調(diào)試時(shí)通過Modbus 發(fā)送或者通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定存儲(chǔ)于掉電能保持的存儲(chǔ)器中，比如EEPROM 中;也可以在程序中修改，然后下載至單片機(jī)程序存儲(chǔ)器。每個(gè)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前日期時(shí)間、所處經(jīng)緯度、節(jié)點(diǎn)相對(duì)塔方位角、塔高和節(jié)點(diǎn)至塔垂直距離等，通過一定運(yùn)算，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間x、y 向電機(jī)應(yīng)發(fā)脈沖數(shù)，與已發(fā)脈沖比較，然后調(diào)整步進(jìn)電機(jī)姿態(tài)，從而實(shí)時(shí)控制鏡片。該方案節(jié)點(diǎn)單片機(jī)需要有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置［3］。

表3 方案二數(shù)據(jù)格式

該方案采用廣播方式，每次發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度5 +8 =13 B，每次耗時(shí)約15 ×13/9 600≈0.02 s，可考慮0.5 s 廣播一次，總站、中轉(zhuǎn)Modbus 相同，時(shí)間誤差小于1 s。

2 實(shí)施要點(diǎn)

按照方案二，實(shí)施要點(diǎn)主要有兩個(gè):其一為節(jié)點(diǎn)單片機(jī)對(duì)該節(jié)點(diǎn)鏡面角度的控制，其二為兩層基于RS485 的Modbus 主從站軟件設(shè)計(jì)，后者主要是Modbus 協(xié)議的CRC 校驗(yàn)程序的編寫。

可以選擇PIC24F16KA101 單片機(jī)作中轉(zhuǎn)和節(jié)點(diǎn)控制器，該單片機(jī)為16 位架構(gòu)，16 kB 的Flash 程序存儲(chǔ)器，512 字節(jié)EEPROM，2 個(gè)UART 接口，1 個(gè)9通道10 位A/D 轉(zhuǎn)換，3 個(gè)16 位定時(shí)器，CPU 主頻最高達(dá)32 MHz，指令速度達(dá)16 MIPS，符合此例要求。為了計(jì)算的精度考慮，方位角、至塔距離、塔高、經(jīng)度、緯度等可采用雙精度浮點(diǎn)數(shù)。太陽(yáng)高度角和方位角計(jì)算公式［4－5］如下:

式中:h 為太陽(yáng)高度角，地球上某點(diǎn)的切平面與某時(shí)刻此點(diǎn)和太陽(yáng)連線的夾角;A 為太陽(yáng)方位角，太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與當(dāng)?shù)氐仄矫孀游缇€正南向所夾的角，通常以南點(diǎn)S 為0°，向西為正值，向東為負(fù)值;φ 為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?δ 為太陽(yáng)赤緯角，是太陽(yáng)光線與地球赤道的夾角，以北為正，一年內(nèi)，太陽(yáng)赤緯角在±23.271°之間變動(dòng)。要確定某一天的太陽(yáng)赤緯角，可以利用下面的公式 δ =23.45sin((284 + DAY)×360°/365)來進(jìn)行近似的計(jì)算，其中DAY 為一年中從1 月1 日起到該天的天數(shù);Ω 為太陽(yáng)時(shí)角，地球一天24 h 自轉(zhuǎn)360°，每小時(shí)的自轉(zhuǎn)角為15°，規(guī)定當(dāng)?shù)卣?2:00 時(shí)的時(shí)角0°，上午為負(fù)，下午為正。例如，上午10 時(shí)Ω = －30°，下午3 時(shí)Ω=45°，當(dāng)?shù)貢r(shí)間可以用當(dāng)?shù)厮幗?jīng)度對(duì)當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行修正。

鏡面法向高度角和方位角可按圖4 計(jì)算，從而可以確定每時(shí)刻x、y 向步進(jìn)電機(jī)的理論轉(zhuǎn)角。

圖4 鏡面法向高度角和方位角的計(jì)算

圖中:H 為塔高;L 為節(jié)點(diǎn)至塔垂直距離;A3為節(jié)點(diǎn)相對(duì)于塔方位角;h1為鏡面理論反射高度角;A1為鏡面理論反射方位角;h2為鏡面法向高度角;A2為鏡面法向方位角。

選取步進(jìn)電機(jī)及配套驅(qū)動(dòng)器，采取脈沖加方向控制，程序控制時(shí)表示步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前位置脈沖為找零點(diǎn)后所發(fā)脈沖的累加，反方向?yàn)樨?fù)號(hào)。節(jié)點(diǎn)控制器對(duì)x、y 向電機(jī)的控制程序略。

表4 Modbus 報(bào)文格式

通信程序可利用該單片機(jī)的串口發(fā)送程序進(jìn)行，ModbusRTU 協(xié)議實(shí)現(xiàn)［6］的關(guān)鍵是CRC 校驗(yàn)。產(chǎn)生CRC 的過程如下:

(1)把16 位CRC 寄存器置成FFFF H;

(2)第一個(gè)8 位數(shù)據(jù)與CRC 寄存器低8 位進(jìn)行異或運(yùn)算，把結(jié)果放入CRC 寄存器;

(3)CRC 寄存器向右移一位，MSB 填零，檢查

LSB;

(4)若LSB 為0，重復(fù)步驟(3)，再右移一位;若LSB 為1，CRC 寄存器與A00l H 進(jìn)行異或運(yùn)算;

(5)重復(fù)步驟(3)和(4)直至完成8 次移位，完成8 位字節(jié)的處理;

(6)重復(fù)步驟(2)— (5)，處理下一個(gè)8 位數(shù)據(jù)，直至全部字節(jié)處理完畢;

(7)CRC 寄存器的最終值為CRC 值。

(8)把CRC 值放入信息時(shí)，高8 位和低8 位應(yīng)分開放置，先送低8 位，后送高8 位。

需要注意的是，以上第(3)步中的LSB 指的是該步驟移出的這一位，而不是右移一位后CRC 寄存器的最低位，否則將得不到正確的結(jié)果。

Modbus 報(bào)文格式如表4 所示，從站地址0 表示廣播方式，功能10H 表示寫多個(gè)保持寄存器，起始地址從40001 開始，寄存器數(shù)目4 個(gè)字 (8 字節(jié))，字節(jié)數(shù)8。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的定日鏡陣列聚焦系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)眾多、成本低廉、結(jié)構(gòu)合理、方法可行，有較高的應(yīng)用價(jià)值。也帶來每個(gè)節(jié)點(diǎn)的安裝調(diào)試工作量大的問題，其節(jié)點(diǎn)的布局和鏡場(chǎng)總體調(diào)度［7］等問題還需要進(jìn)一步深入研究。

【1】劉篤喜，徐修明，許建社，等.Modbus 協(xié)議在分布式伺服測(cè)角系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2007，35 (1):157 －159.

【2】田志勇，戴一平.基于Modbus 總線的變頻驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38 (4):79 －81.

【3】劉俊，劉京誠(chéng)，謝磊，等. 太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38 (9):45 －48.

【4】郭鐵錚，劉德有，錢艷平，等.基于DSP 的定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31 (1):5 －11.

【5】關(guān)繼文，孔令成，張志華.高精度太陽(yáng)能跟蹤控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2010 (3):23 －25.

【6】全國(guó)工業(yè)過程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 19582.2-2008 基于Modbus 協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范:第2 部分:Modbus 協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)指南［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

【7】辛秋霞，卞新高，楊縫縫.塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場(chǎng)調(diào)度方法的研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31 (3):317 －322.