西门子PLC模块6ES7217-1AG40-0XB0
该铁矿采选厂以生产铁精矿为主，以硫精矿作为副产品其生产经营的主要目标是保证铁精矿的产量及品质的稳定，同时力争降低能源和生产消耗。由于该厂的铁矿矿物组成复杂，选矿流程长，生产难度大。选厂共分5大车间：细碎筛分、磨矿浮选、中碎、重选与浓缩过滤。生产调度由厂部和车间组成的2级调度系统完成，接受铁矿总调度室协调和指挥。随着生产的发展，对技术和管理上的需求日增，建立一个集控制和管理一体化的工业dcs系统已迫在眉睫。
2 系统设计
2.1系统目标
本系统目标是基于该厂的实际情况建成一个分布式控制，开放可靠集控制和管理一体化的工业dcs高速网络系统。它包括三个层次的自动化内容。
(1) 车间层实现生产流程和设备的自动控制，记录系统运行数据，为分析、统计和考核提供依据，实现设备的负荷监控、报警和事故处理。
(2) 生产调度层可对全厂生产状况进行实时监控，运用计算机网络进行生产调度与管理。
(3) 管理层可与mis系统联网，可远程拨号上网，利用mis网数据和生产运行数据制定企业经营战略和生产计划，进行成本核算等等。
2.2 系统组成
系统采用基于omron plc组成的分布式控制系统。各个子系统中都是plc作为下位机使用，用来完成各子系统的数据采集、输出控制及状态判别等工作，上位机都是采用研华公司的工业计算机，接收plc采集的现场数据，并将数据存入动态数据库，完成报警、实时曲线、历史曲线、分析系统运行状态、打印输出、并根据控制室控制人员要求控制各系统的运行状态等功能，*终实现*上层的管理层与厂级mis系统相连。
plc采用omron公司的sysmacα系列的中型机c200hg和小型机cpm-1a， 两者的价格适中、性价比较高，配有较强的指令系统，并增加了许多特殊功能指令，还配备了丰富的特殊功能模块和强大的通信模板，这些都足以实现现代工厂自动化的多级要求。
整个分布式控制系统分为三层，如图1所示。
图1 分布式控制系统组成图
(1) *底层为现场总线网controller bbbb，它把智能仪表延伸到现场，对数字量、模拟量直接控制，信息通过现场总线传到控制站。
(2) 中间层为高速实时sysnet网，它把各车间控制站联成一体。sysnet既可以与plc也可以与普通计算机联网，从而便于与其他类型的dcs系统互联，达到系统开放的目的。
(3) 上层为ethernet网，可与各科室和总调度相联，并与mis系统互联。ethernet的通信服务器可为远程用户提供方便，共享有关信息。
3 controller bbbb及通信协议宏
3.1 系统网络
对于控制系统来说，底层网络的设计尤为重要选厂的五大车间中，细碎筛分、磨矿浮选、中碎、重选与浓缩过滤的网络设计方案基本相同。现以细碎筛分为例介绍，如图2所示。
图2 铁矿采选厂细碎筛分子系统网络
在细碎车间中，有4台短头圆锥破碎机，担任着整个选厂的矿石细碎任务。为实现真正的分散控制，采用4个小型omron可编程控制器cpm-1a(80点)分别控制4台细碎机的运行。
由于cpmia处理模拟量的功能有限，为此采用1 # plc (c200hg)实现有关细碎模拟量(如电流，压力，流量，温度等)的采集以及4台变频器的变频调节功能。采用2# plc(c200hg)实现所有皮带的联锁控制及筛分模拟量(如料仓料位，布料车车位等)的检测及控制功能。4个cpmia通过通信协议宏与1# plc通讯，再由1# plc通过controller bbbb网与2# plc以及上位机(即细碎操作站)通讯。2台上位机互为备份，可对现场plc进行监控，实现冗余控制。
上位机采用组态软件(组态王kingview5.0) 编程。controller bbbb是一种fa(工厂自动化)网络，它可以在omron c200hx/hg/he可编程序控制器和ibm pc机或其兼容机之间方便、灵活地发送和接收大容量数据包，采用令牌总线方式，双绞线电缆连接，*大传输距离可达500m(2mb/s)-1km(500kb/s)。连接方式参见图3所示。
图3 sysmacα系列plc通过controller bbbb与fa计算机的连接
controller bbbb支持能共享数据的数据链接(data bbbb)，以及在需要时才发送或接收数据的信息服务(inbbbbation service)，数据链接区域可以自由设置，可使用的区域包括fait区(ir，ar，lr，cio)，数据存储区(dm 区)以及扩展数据存储区(em区)。
数据链接使公共数据能够在网络上的plc间或pc间共享，而不需要plc的cpu单元或pc机内的通讯程序，当数据被写人本地接点的发送区域时，数据会自动传送到远程节点的接收区域中。
通信协议宏(protocol macro)是一种通信协议，实现sysmac。系列plc同各种带有rs-232c或rs-422/485端口的通用器件的数据传送。用户可以用omron通信协议支持软件(pst)设定数据传送步骤(通信序列)， 并在梯形图程序中使用pmcr指令执行该通信序列本系统中，设置了2个通讯序列，分别用于发送和接收数据，每个序列内又分成4步。
3.2 总线系统调试
在实际调试和运行中，主要发现了以下问题，并针对性地采用了相应措施。
(1) 通信协议宏在遇到通信异常时会停止工作。为此，将通信协议宏的异常和错误处理执行标志位(分别为28304和28909)用于重启动控制中。并且在重启动控制前，**经过一段时延(如500 ms)再启动pmcr指令。
(2) 通信协议宏在多个序列的通讯中，2个序列间需有一定的通信延时，以提高可靠性。针对该系统，由于设置了2个通讯序列，为此，设计了一个振荡程序，在振荡的高低部分经延时后分别执行发送和接收程序，并且采用微分型指令，保证每次发送或接收只执行一次。
(3) 在只有一个序列的通讯中，序列正常通信结束的*后一步可设置成“goto()”，即在*后一步完成后，转到第一步继续刚才的通信。但在多个序列(2个以上)的通讯中，每个序列正常通信结束的*后一步应设置成“end”，不可设置成.“goto()”，否则会导致只有一个序列在通信，即处于死循环中。另外，错误处理的*后一步应设置成“abort”，而不可设成“end“，以防止错误信息的传递。
(4) 在初期的实际运行中，曾发生细碎机的润滑油泵突然自行启动的现象。经过对程序的反复推敲，我们认为是通讯过程中出现的瞬间干扰所致为防止此类干扰，在重要信息(如启动、中止和停止命令)的通信中，采用了编码校验通信方式，即在发送这些命令时，同时发送校验码，只有在编码校验正确(即多个状态同时满足条件)时方认可该命令有效。经过这样处理后，上述问题得到解决，至今再没有发生类似故障现象。
4 结束语
系统自投运以来，取得了显著的效益，体现在以下几个方面：
提高了设备的使用效率。本方案通过对选厂相关设备的综合自动化，排除以往靠人工观察和经验进行操作，实现重大主体设备(如破碎机)的*优化运行，降低了主体设备的损坏率，延长其使用寿命和维护周期，每年节省备件消耗可达百万元同时本方案采用了实时负荷控制，提高设备的利用率，减少了设备的空转率，实现节能3%～5%。
增强了可靠性和安全性。本设计方案实现了上下游车间的联锁控制，主体设备运行异常报警和及时关停。工程师站设立授权以对有关参数进行修改，操作站以授权方式操作，避免了人为误操作等可能造成的设备损坏，增强了系统运行的安全性、可靠性。
减轻了职工的劳动强度。本设计方案由于实现了各工作点的实时自动监控联锁，操作工人只要在集控室监视并进行相应操作即可，现场只需不定期巡视，减少了职工的劳动强度，也可减少职工人数，达到减员增效的目的。
为未来企业综合自动化和信息管理提供坚实基础本系统能保存有关的主要参数运行状况，实时工矿运行曲线，重要指标的考核，查询等，具有丰富的信息管理功能，为全厂管理信息系统(mis)提供底层数据，并为今后的维护和扩展带来极大方便。
引言
太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外*具发展前景的新能源之一。光伏(pv)发电技术在国外已得到深入研究和推广，我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段[1]。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下[2]。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其*大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。据实验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右[3]。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。
一种新型的可编程逻辑控制器plc(programmable logic controller)的太阳光自动跟踪系统，不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板的朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值和市场应用前景。本研究以我校的“国家科技部光伏并网发电示范项目”一期和二期工程作为研究基础与研究平台，控制系统发电功率为75kwp。
2 自动跟踪系统的组成及工作原理
太阳能电池板自动跟踪控制系统由plc主控单元、传感器和信号处理单元、光伏模块、电磁机械运动控制模块和电源模块组成。系统的组成框图如图1所示。
图1 系统组成框图
太阳能光伏发电设备自动跟踪系统的光敏探测头(传感器)是用来检测太阳光强的。当有偏差发生时，偏差信号经过跟踪plc主控单元(控制器)，采用模拟差压比较原理，进行运算、比较、发出指令，使电动执行器动作，驱动机械部分转动推动整个装置旋转，调整偏差，保证太阳能电池方阵正对太阳光，达到自动跟踪太阳的目的。太阳能电池方阵在阳光的照射下光伏发电，通过控制器向蓄电池充电。系统配有自动保护线路，当风力达到8级时自动启动，切断跟踪太阳系统，使电池方阵快速收平，在风力降下来时延时10分钟，解除防风系统，恢复跟踪过程。固定光强、跟踪光强、电瓶温度和自然风速等由微机进行数据采集，并对蓄电池充电和放电进行分级控制。
系统有自动和手动两种控制方式，sb1和sb2为控制按钮，用于手动操作，plc输出的q0或q1分别连接到两个继电器线圈，以控制太阳板的正反两个运动方向。在自动运行模式下， plc首先比较来自信号处理单元的两个模拟输入的值，然后决定输出q0或者q1。
2.1 可编程逻辑控制器plc单元
跟踪控制器采用可编程逻辑控制器plc，它是太阳能电池板跟踪系统的控制核心，是系统研究工作的重点。系统采用欧姆龙(omron)公司近年推出的α系列plc，该机型为介于大型机与小型机之间的中小型机，*大控制i/o点数为1184点。在应用中，中央处理器单元(cpu)采用c200hx-cpu43-e，它自带一个编程口和一个rs232c口，该cpu具有丰富的指令功能，编程十分方便；开关量输入模块选用c200h-id212；开关量输出模块选用c200h-oc225；与上位机的通讯，通过在cpu中插入通讯板c200hw-com06-e(该板具有一个rs232c和一个rs-422/485)实现远程通讯，由于采用了rs-422接口，采取平衡式发送，因此数据传输率高，而且串扰小，传输距离可达500m。特别对串并联的并网光伏太阳能电池阵列的跟踪系统控制，能发挥plc现场总线控制的优势，进行集中控制。经过研究和优化设计，应用集成标准线路，采用模拟差压比较原理，控制器具有跟踪精度高、范围宽、自动返回功能。限位装置具有东、西、上、下四个方位的极限限位功能。采用双重限位控制结构，即控制信号限位和驱动电机限位，保证了设备可靠地工作。图2所示为plc输入/输出硬件配置图。
图2 plc输入输出硬件配置图
2.2 传感器检测和信号处理单元
太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同，因此，欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。检测太阳光光强的方法有定时法、坐标法、太阳能电池板光强比较法和光敏电阻光强比较法[4]。对这4种控制方法进行了对比筛选后认为：定时法电路虽然简单，但由于季节的影响，系统的控制精度较差；坐标法控制精度较高，但控制电路复杂；光强比较法使系统的太阳能利用率不能达到**；光敏电阻比较法电路实现*简单，对太阳能的利用率*大。基于此，选择控制精度高和电路易于实现的光敏电阻光强比较法作为本研究系统的检测方案。光敏探测头(传感器)是太阳能电池板跟踪系统的光信号接收器，它是利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方(光与电池板垂直时，一半可接收光，一半在下边)。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。控制灵敏度的高低直接影响跟踪精度，光敏电阻光强比较法的优点在于控制**，电路设计比较容易实现。经过实验研究，选用质量轻、美观、耐腐蚀的铝合金材料，光电接收管经过严格的计算、定位，以保证其检测灵敏度。
图3所示是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视图，共由9个光电三极管组成。正中央1个，旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径略大于检测板的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以便光线通过。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上，光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方(确保会受到光线的照射)也安装一个光电二极管，其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同，用于检测环境亮度，并与圆柱体内的每个光电二级管及运放(可用lm324集成电路中的一个)构成一个比较电路。这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时，运放将输出低电平，此电平可接到的输人端进行检测，圆柱体内的每个光电二级管各用一个plc的输入端，共9个。这样就可以检测太阳光线的朝向，来决定哪个电机转动，向哪个方向转动。另外，为了增大光电二极管的检测范围，视实际情况需要，也可再增加一圈紧密排列的光电二极管，外圈的光电二极管与内圈的相应位置的光电二极管并联。
图3 光电检测排列
图4所示为信号处理单元电路，当太阳辐射强度增加时，光电电阻阻值减小，1k可变电阻的压降增加，从而产生与太阳光辐射强度有直接关系的电压信号。两个传感器的输出信号与plc模拟输入端口连接，并对这两个模拟信号进行比较运算，从而输出正确的信号，以驱动太阳能电池板跟踪系统的电磁机构。
图4 信号处理单元
2.3 光伏模块
光伏模块采用三菱光伏智能功率模块pv-ipm(pm50b4la060)，其技术参数主要有峰值功率pmax＝85w，**工作电压17.5v，这些参数是在标准的试验条件下测试的(太阳光强度1000 w/m3，太阳板温度25℃，空气质量1.5)。
2.4 电磁机械运动控制模块
抗大风自动放帆功能，是保证跟踪发电装置，在风力达到一定强度时防风系统启动，自动调整受风面，避免设备被风吹坏。经实验研究，防风传感器采用德国进口产品，防风系统采用优先工作方式，一旦启动将切断跟踪太阳能系统，自动放帆。
机械传动机构是跟踪控制的执行机构，它不但承受装置的重量、风力，还在室外工作，而且直接影响整机的精度。经研究，水平传动采用电机、谐波减速机和两级蜗轮蜗杆减速机。仰角传动采用电机、谐波减速机和滚珠丝杠，以保证机械精度和传动效率。
2.5 系统电源模块
电源电路采用开关电源设计，具有高效率、低损耗的特点。采用开关控制芯片l4960，能提供5.1～40v的输出电压和2.5a的输出电流。电源电路如图5所示，通过调整两个电阻r3和r4，以产生12~24v直流电压，24v(dc)用于plc电源，44v(dc)直接取自整流桥侧供给直流电机。如果用于光伏逆变系统的跟踪系统，220v(ac)可以直接取自光伏逆变电源。
图5 开关电源设计
3 光伏系统软件设计
并网光伏发电系统控制软件采用模块化设计，包括plc控制和监控程序、pc监控和数据处理程序两个主要部分。
3.1 plc控制和监控程序
plc控制语句是整个太阳能电池板跟踪系统的重要组成部分，软件编程采用欧姆龙公司的cx-programmer 7.1，cx-p梯形图编程支持软件为使用者提供了从操作界面到程序注释的全中文操作环境，支持bbbbbbs的拖拉及粘贴操作，以及完备的检索功能和常用标准位简易输入功能，为使用者创造了一个高效的编程操作环境。通过计算机的rs-232c口与plc的rs-232c口连接，对plc进行数据实时监控、修改和在线编辑等，方便地把程序传递到plc中或从plc中读出数据。plc主要完成如下工作：
(1) 控制跟踪系统的运动，控制逻辑如图6所示。
图6 控制过程的逻辑顺序
(2) 此子程序是将plc输入与输出状态复制到内存的特定位置，称为标记区域，pc监控程序能随时直接从内存区域读取输入和输出状态。
(3) 采样数据存储。这是一个在线采集存储过程，通过ram数据存储内部的特殊矩阵，每一小时读取光敏电阻的值。数据采集白天进行，晚上停止，直到第二天日出。采集的时间(小时和分钟)存储在不同的矩阵，然后在pc机的屏幕上显示出来。当ram内存满时，将不再存储数据，直到复位操作将存储数据清除。这部分程序采用顺序功能图表(se functioning chart，sfc)进行编程，算法如图7所示。
图7 存储过程顺序功能图
3.2 pc监控和数据处理程序
采用面向对象的**编程语言visual basic 6.0实现以下功能：
(1) 自动检测pc机rs232串口和plc端口的连接状态。
(2) 系统监控。决定光伏模块的实际位置和运动方向，显示光敏电阻的读数，以及内存溢出标记。
(3) 模块的强制性前向和反向运动。通过程序界面，发出指令控制plc操作。如果出现系统位置异常，可强迫太阳板按照操作要求恢复初始位置。
(4) 显示系统设置。显示存储在plc内存中的太阳跟踪系统的设置，如前向和反向运动极限，光线暗度极限，前向和反向停止极限，以及对这些参数设置可直接进行修改。
4 结束语
本研究基于欧姆龙plc，采用光敏电阻比较法，构建了自动跟踪系统模型，使太阳能电池板自动保持与太阳光垂直。太阳能电池板自动跟踪太阳光并网发电系统的研究，有效地提高了太阳能的利用率和光伏发电系统的效率，增加了全年的发电功率输出，从整体上降低了光伏并网发电的成本，符合构建环保型和节能型社会发展的要求，具有很高的经济效益，并能产生良好的社会影响，具有理论研究意义和应用推广前景。基于plc的太阳能电池板跟踪系统能用于独立的太阳能光伏发电，也能应用于串/并联的并网光伏发电系统的现场总线控制，具有良好的应用前景。