專利名稱：一種基于多層架構(gòu)的塔式太陽能集熱定日鏡場控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塔式太陽能集熱系統(tǒng)、工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，特別是一種基于多層架構(gòu)的塔式太陽能集熱定日鏡場控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著市場對清潔能源的需求量不斷增加，太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域出現(xiàn)了大量以跟蹤太陽運行軌跡為主的跟蹤太陽裝置。其中，塔式太陽能集熱系統(tǒng)在跟蹤復(fù)雜程度和精度要求方面都高于槽式系統(tǒng)和蝶式等其他系統(tǒng)。且塔式太陽能集熱系統(tǒng)已經(jīng)充分體現(xiàn)了其優(yōu)越的 經(jīng)濟與技術(shù)發(fā)展前景，對于促進可再生能源的發(fā)展意義重大。塔式太陽能集熱系統(tǒng)技術(shù)與裝備正處于市場化、產(chǎn)業(yè)化的前期。其現(xiàn)階段技術(shù)的主攻方向?qū)⑹翘岣呦到y(tǒng)的性能、降低系統(tǒng)的成本，使其能夠大批量的生產(chǎn)并參與激烈的市場競爭?，F(xiàn)有技術(shù)中存在的問題I、現(xiàn)有技術(shù)中還沒有對大、小光斑組合定日鏡場實施調(diào)控的系統(tǒng)；2、現(xiàn)階段定日鏡控制器通常使用價格昂貴且具有通用功能的底層控制單元及裝置，多數(shù)是定日鏡控制過程不需要的功能，造成了資源的浪費，不適用于工業(yè)生產(chǎn)及市場競爭;3、定日鏡場中的定日鏡子群控制器性能較高，尚有開發(fā)利用的空間。現(xiàn)有技術(shù)中只令其作為專門的子群控制器，造成了資源的浪費；4、現(xiàn)有基于光敏傳感器的開閉環(huán)混合控制定日鏡裝置由于其光敏傳感器所指向的方向不能實時調(diào)節(jié)，無法將鏡場的一些光斑投射到集熱器的不同位置來實現(xiàn)對集熱器表面溫度場的調(diào)度與控制。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)塔式太陽能集熱系統(tǒng)技術(shù)與裝備在低成本/高性能產(chǎn)業(yè)化市場化發(fā)展階段的要求，解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種基于多層架構(gòu)的塔式太陽能集熱定日鏡場控制系統(tǒng)。本發(fā)明按照下述方案實現(xiàn)一種基于多層架構(gòu)的塔式太陽能集熱定日鏡場控制系統(tǒng)，從上至下由三個控制層級構(gòu)成鏡場級調(diào)度與控制層、定日鏡子群控制層和跟蹤太陽裝置層；鏡場級調(diào)度與控制層由鏡場控制機、氣象監(jiān)測裝置、現(xiàn)場觀測裝置、通信接口、光斑校驗裝置五部分組成；定日鏡子群控制層由采用了雙機備份的冗余技術(shù)的控制器構(gòu)成，該控制器兼有底層定日鏡功能；跟蹤太陽裝置層由開環(huán)控制和開閉環(huán)混合控制的底層定日鏡組成；所述鏡場級調(diào)度與控制層與其它兩層所屬控制裝置有以下關(guān)聯(lián)(I)計算鏡場所處地理位置、觀測太陽運行軌跡相關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)至各定日鏡子群；(2)向各定日鏡子群控制裝置發(fā)出指令并接收其反饋的相關(guān)信息；
(3)接收塔式集熱系統(tǒng)控制平臺的指令并反饋相關(guān)信息；(4)根據(jù)時段、光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)溫度場變化等需求，確定執(zhí)行光斑投射、散焦等任務(wù)的相關(guān)定日鏡子群、定日鏡以及極端氣候的鏡場處理措施，并將指令發(fā)至相關(guān)定日鏡子群控制裝置；(5)通過定日鏡子群控制裝置逐一完成定日鏡的機械損傷誤差校準(zhǔn)工作；(6)監(jiān)測鏡場的運行狀態(tài)并向塔式集熱系統(tǒng)控制平臺上報相關(guān)數(shù)據(jù)；所述定日鏡子群級控制層包含至少兩臺兼有定日鏡底子群控制功能和自動跟蹤太陽運行功能的控制器，一臺發(fā)生故障時，自動切換到另一臺控制器。所述跟蹤太陽裝置層的開環(huán)控制裝置是包含通信接口電路、擴展存儲單元、手動控制按鍵電路、看門狗電路、掉電檢測電路、實時時鐘電路和報警信號接收電路的控制芯片，控制芯片內(nèi)置計算、控制定日鏡方位角和高度角電機轉(zhuǎn)動的程序，外部監(jiān)控計算機通過通信接口向該控制芯片發(fā)送控制指令及數(shù)據(jù)，控制芯片接收到監(jiān)控計算機發(fā)送的控制指令后，進行分析處理，然后控制高度角和方位角電機轉(zhuǎn)動，進而控制定日鏡按照指定的方式運動；高度角電機和方位角電機通過各自的編碼器把自身轉(zhuǎn)過的角度值反饋至控制芯片，控制芯片存儲電機反饋的角度值并據(jù)此計算出定日鏡的當(dāng)前角度值，然后將定日鏡的當(dāng)前角度值反饋至監(jiān)控計算機；所述跟蹤太陽裝置層的開閉環(huán)定日鏡包括反光鏡(7)、立柱(I)、反光鏡方位角和高度角驅(qū)動機構(gòu)(3)、(4)、定日鏡控制器(2)、光敏傳感器及其支桿(8)、光敏傳感器角度調(diào)整機構(gòu)(5)，小反光鏡(6)，定日鏡立柱(I)樹立于地面，定日鏡方位角角調(diào)整機構(gòu)(3)和高度角調(diào)整機構(gòu)⑷安裝在定日鏡立柱⑴頂端，反光鏡(7)中心留有小孔，小反光鏡(6)鏡面面向光敏傳感器(10)，帶有弧形的光敏傳感器支桿(8)穿過反光鏡(7)中心的小孔，與光敏傳感器角度調(diào)整機構(gòu)(5)連接，定日鏡控制器(2)固定在定日鏡立柱(I)側(cè)面，內(nèi)置控制程序。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述定日鏡場調(diào)度方法及裝置更合理，并且很好的平衡了定日鏡場的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)成本之間的關(guān)系。本發(fā)明能夠降低生產(chǎn)成本，防止通訊過程中的通訊阻塞問題，實現(xiàn)高精度自動跟蹤太陽運行軌跡，提高鏡場工作效率。當(dāng)定日鏡的投射光斑較小且不能全部覆蓋集熱器的所有區(qū)域時，本發(fā)明可以調(diào)節(jié)光敏傳感器調(diào)動定日鏡將反射光斑打在接收器需要加熱的指定位置，靈活調(diào)度與控制集熱器表面溫度場，從而使定日鏡裝置更加靈活。本發(fā)明控制精度高，控制器反應(yīng)速度快；本發(fā)明成本低，適應(yīng)太陽能大功率集熱系統(tǒng)市場化、產(chǎn)業(yè)化的需求。


圖I為定日鏡場級調(diào)度與控制層裝置圖；圖中8_定日鏡場頂層控制調(diào)度裝置；
I-主機；2_氣象監(jiān)測器；3_主機通信接口 ；4_紅外攝像機、5-高精度攝像機；6_反射光斑的接收靶；7_反射光斑目標(biāo)靶；9_定日鏡場頂層控制調(diào)度裝置與塔式集熱系統(tǒng)控制平臺之間的信息交換；10-定日鏡場頂層(總體)控制調(diào)度裝置與定日鏡子群之間的信息交換。圖2為兼有定日鏡控制功能的冗余型定日鏡子群控制裝置工作示意圖；圖中2-1.數(shù)據(jù)清單及控制指令；2-2.兼有定日鏡控制功能的子群控制裝置；2-3.入射太陽光；
2-4.備用的兼有定日鏡控制功能的子群控制裝置；2-5.定日鏡子群；2-6.集熱器；2-7.反射太陽光。圖3是本發(fā)明開閉環(huán)混合控制定日鏡結(jié)構(gòu)及工作示意圖；圖中3-1.定日鏡立柱；
3-2.定日鏡控制器；3-3.定日鏡方位角調(diào)整機構(gòu)；3-4.定日鏡高度角調(diào)整機構(gòu)；3-5.光敏傳感器角度調(diào)整機構(gòu)；3-6.小反光鏡；3-7.定日鏡反光鏡；3-8.光敏傳感器支桿；3-9.定日鏡入射光線；3-10.光敏傳感器；3-11.定日鏡反射光線；3-12.定日鏡反射光線接收靶(本實施例的靶面被劃分為A BCDEFGH I九部分，實際應(yīng)用中可根據(jù)需要將靶面任意劃分)；3-13.塔式太陽能集熱系統(tǒng)監(jiān)控機；圖4為所述開閉環(huán)混合控制定日鏡工作流程示意圖；圖5為本發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器的結(jié)構(gòu)示意框圖； 圖6為本發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器控制原理示意圖；圖7為發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器單片機復(fù)位及時鐘電路模塊電路原理圖8為發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器單片機電源模塊電路原理圖；圖9為發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器串口通訊模塊電路原理圖；圖10發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器為掉電保護模塊電路原理圖；圖11發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器為限位開關(guān)模塊電路原理圖；圖12發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器為實時時鐘模塊電路原理圖；圖13發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器為伺服控制輸出模塊電路原理圖；圖14發(fā)明開環(huán)定日鏡控制器為手動控制模塊電路原理圖。
具體實施例方式場級調(diào)度與控制裝置如圖I所示，定日鏡場控制調(diào)度裝置(8)包括主機(I)、氣象監(jiān)測器(2)、主機通信接口(3)、紅外攝像機(4)、高精度攝像機(5)。主機(I)功能為接收塔式集熱系統(tǒng)控制平臺的指令并反饋相關(guān)信息；向各定日鏡子群控制裝置發(fā)出指令并接收其反饋的相關(guān)信息；計算鏡場所處地理位置觀測太陽運行軌跡相關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)至各定日鏡子群；根據(jù)時段、光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)溫度場變化等需求，確定執(zhí)行光斑投射、散焦等任務(wù)的相關(guān)定日鏡子群及定日鏡以及極端氣候的鏡場處理措施，并將指令發(fā)至相關(guān)定日鏡子群控制裝置；通過定日鏡子群控制裝置逐一完成定日鏡的機械損傷誤差校準(zhǔn)工作；監(jiān)測鏡場的運行狀態(tài)并向塔式集熱系統(tǒng)控制平臺上報相關(guān)數(shù)據(jù)。氣象監(jiān)測器⑵實時監(jiān)測鏡場所處區(qū)域的氣象信息，包括風(fēng)速、風(fēng)向、天氣及日照等天氣情況，并將所收集的氣象信息通過通信接口(3)實時上傳至主機(I)。紅外攝像機(4)實時監(jiān)測接收靶(6)表面的溫度場，并將監(jiān)測到的溫度情況通過通信接口(3)實時上傳至主機(I)。高精度攝像機(5)對準(zhǔn)目標(biāo)靶(7)，開環(huán)控制定日鏡進行機械損傷誤差校準(zhǔn)時，使用此高精度攝像機(5)獲取定日鏡反射光斑的圖像信息，并通過通信接口(3)將圖像信息上傳至主機(I)。主機(I)通過通信接口(3)與塔式集熱系統(tǒng)控制平臺以及定日鏡子群控制器進行數(shù)據(jù)交換。定日鏡子群級控制層使用一種兼有定日鏡底層控制功能的冗余型定日鏡子群控制裝置，本裝置按圖2所示方式工作在日照充足的條件下，工控機(2-1)下行太陽位置數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、集熱器溫度數(shù)據(jù)至兼有定日鏡底層控制功能的定日鏡群控制裝置(2-2)，并解析接收到的數(shù)據(jù)清單，首先，兼有定日鏡底層控制功能的定日鏡群控制裝置(2-2)對定日鏡群(5)的每臺定日鏡裝置進行輪詢通信，根據(jù)反饋信號判斷定日鏡群(2-5)中定日鏡運行狀態(tài)。其次，將解析后的數(shù)據(jù)清單下行至定日鏡群(2-5)的每臺裝置。當(dāng)入射太陽光(2-3)照射在定日鏡群(2-5)中，能夠反射太陽光(2-7)至集熱器(2-6)，完成太陽能的接收和存儲。當(dāng)兼有子群控制功能的裝置(2-2)發(fā)生故障，子群級調(diào)度與控制層的工控機(2-1)能夠及時檢測其故障信號，并啟用一臺備用的兼有子群控制功能的裝置(2-4)代替，繼續(xù)定日鏡群(2-5)調(diào)度與控制任務(wù)。本專利所述開閉環(huán)混合控制定日鏡裝置圖如下I)如圖3所示，一種具有反射光斑位置實時可調(diào)功能的開閉環(huán)控制定日鏡結(jié)構(gòu)定日鏡立柱(3-1)樹立于地面，支撐定日鏡。定日鏡方位角角調(diào)整機構(gòu)(3-3)和高度角調(diào)整機構(gòu)(3-4)安裝在定日鏡立柱(3-1)頂端，用于驅(qū)動反光鏡(3-7)改變角度，光敏傳感器角度調(diào)整機構(gòu)(3-5)安裝在定日鏡立柱頂端。光敏傳感器支桿(3-8)形狀如圖所示。光敏傳感器支桿(3-8)與光敏傳感器(3-10)剛性連接。定日鏡控制器(3-2)固定在定日鏡立柱(3-1)側(cè)面。定日鏡入射光線(3-9)照射在反光鏡(3-7)表面，產(chǎn)生反射光線(3-11)。定日鏡控制器(3-2)調(diào)整光敏傳感器(3-10)所指方位，使其指向接收靶(3-12)表面的特定區(qū)域(如，指向A區(qū)域)。光敏傳感器(3-10)面向反光鏡(3-7)，并根據(jù)接收到的反射光線(3-11)方向產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號。光敏傳感器(3-10)產(chǎn)生的反饋信號被傳遞至定日鏡控制器(3-2)，定日鏡控制器(3-2)經(jīng)分析計算后控制反光鏡(3-7)的驅(qū)動機構(gòu)來調(diào)整定日鏡的高度角和方位角使反射光斑投射到接收靶(3-12)表面的指定區(qū)域。光敏傳感器與定日鏡立柱及反光鏡之間的連接方式反光鏡(3-7)中心留有小孔。小反光鏡(3-6)鏡面面向光敏傳感器(3-10)，且通過連接桿固定在反光鏡(3-7)上，并置于小孔中心。光敏傳感器支桿(3-8)穿過反光鏡(3-7)中心的小孔，與光敏傳感器角度調(diào)整機構(gòu)(3-5)連接。光敏傳感器(3-10)與光敏傳感器支桿(3-8)剛性連接。 該裝置工作流程如圖4所示I)塔式太陽能集熱系統(tǒng)監(jiān)控機實時監(jiān)控定日鏡反射光斑接收靶表面的溫度，并通過該溫度信息判斷是否需要調(diào)整定日鏡反射光斑位置；2)若定日鏡反射光斑位置需要調(diào)整，則監(jiān)控機將控制信號最終發(fā)送至定日鏡控制器；3)定日鏡控制器接收到上層信號后控制光敏傳感器角度調(diào)整機構(gòu)，調(diào)整光敏傳感器角度，使其對準(zhǔn)集熱器接收靶表面的指定區(qū)域；4)光敏傳感器將反饋信號發(fā)送至定日鏡控制器；·
5)定日鏡控制器根據(jù)光敏傳感器的反饋信號判斷反射光線角度是否存在偏差，若無偏差，則不再調(diào)整反光鏡角度，若存在偏差，則發(fā)送控制信號至定日鏡角度調(diào)整機構(gòu)；6)定日鏡角度調(diào)整機構(gòu)接受到定日鏡控制器發(fā)送的控制信號后，驅(qū)動反光鏡調(diào)整角度。跟蹤太陽裝置層中開環(huán)定日鏡控制器如下
I)如圖5所示主控板單片機中裝有主控制程序。單片機以中斷方式接收監(jiān)控計算機發(fā)送的控制信號及數(shù)據(jù)。手動控制按鍵產(chǎn)生的信號作為單片機的外部中斷被單片機處理。FLASH存儲單元用于擴展單片機的內(nèi)存空間，該擴展的FLASH存儲單元可以為單片機自帶，也可以為外部擴展。方位角電機控制單元和高度角電機控制單元用來接收單片機發(fā)出的脈沖信號，同時根據(jù)所接收到的脈沖信號控制電機轉(zhuǎn)動。掉電檢測電路用來檢測控制器所接入電源的電壓值，當(dāng)電壓低于一定值時，該電路想單片機發(fā)送掉電信號，該信號以外部中斷的形式被單片機接收。實時時鐘電路的作用是為定日鏡跟蹤太陽提供精確的時間值。監(jiān)控計算機定期向 單片機發(fā)送時間校準(zhǔn)指令，由單片機對實時時鐘的當(dāng)前時間進行校準(zhǔn)?？撮T狗電路用于防止單片機程序跑飛。2)如圖6所示監(jiān)控計算機通過通信接口向定日鏡控制器發(fā)送控制指令及數(shù)據(jù)，定日鏡控制器接收到監(jiān)控計算機發(fā)送的控制指令后，進行分析處理，然后控制高度角和方位角電機轉(zhuǎn)動，進而控制定日鏡按照指定的方式運動。高度角電機和方位角電機通過各自的編碼器把自身轉(zhuǎn)過的角度值反饋至定日鏡控制器，定日鏡控制器存儲電機反饋的角度值并據(jù)此計算出定日鏡的當(dāng)前角度值，然后將定日鏡的當(dāng)前角度值反饋至監(jiān)控計算機，提高系統(tǒng)的控制精度。3)如圖7至14所示，分別給出了開環(huán)定日鏡控制器電路各控制單元電路圖。
權(quán)利要求
1.一種基于多層架構(gòu)的塔式太陽能集熱定日鏡場控制系統(tǒng)，從上至下由三個控制層級構(gòu)成鏡場級調(diào)度與控制層、定日鏡子群控制層和跟蹤太陽裝置層；鏡場級調(diào)度與控制層由鏡場控制機、氣象監(jiān)測裝置、現(xiàn)場觀測裝置、通信接口、光斑校驗裝置五部分組成；定日鏡子群控制層由采用了雙機備份的冗余技術(shù)的控制器構(gòu)成，該控制器兼有底層定日鏡功能；跟蹤太陽裝置層由開環(huán)控制和開閉環(huán)混合控制的底層定日鏡組成。
2.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于鏡場級調(diào)度與控制層由主機(2-1)、氣象監(jiān)測器(2-2)、主機通信接口(2-3)、紅外攝像機(2-4)、高精度攝像機(2-5)、反射光斑的接收靶(2-6)、反射光斑目標(biāo)靶(2-7)組成，主機(2-1)內(nèi)置程序，主要完成以下任務(wù) (1)計算鏡場所處地理位置、觀測太陽運行軌跡相關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)至各定日鏡子群； (2)向各定日鏡子群控制裝置發(fā)出指令并接收其反饋的相關(guān)信息； (3)接收塔式集熱系統(tǒng)控制平臺的指令并反饋相關(guān)信息； (4)根據(jù)時段、光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)溫度場變化等需求，確定執(zhí)行光斑投射、散焦等任務(wù)的相關(guān)定日鏡子群及定日鏡以及極端氣候的鏡場處理措施，并將指令發(fā)至相關(guān)定日鏡子群控制裝置； (5)通過定日鏡子群控制裝置逐一完成定日鏡的機械損傷誤差校準(zhǔn)工作。
3.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于定日鏡子群級控制層包含至少兩臺兼有定日鏡底子群控制功能和自動跟蹤太陽運行功能的控制器，一臺發(fā)生故障時，自動切換到另一臺控制器。
4.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于跟蹤太陽裝置層的開環(huán)控制裝置是包含通信接口電路、擴展存儲單元、手動控制按鍵電路、看門狗電路、掉電檢測電路、實時時鐘電路和報警信號接收電路的控制芯片，控制芯片內(nèi)置計算、控制定日鏡方位角和高度角電機轉(zhuǎn)動的程序，外部監(jiān)控計算機通過通信接口向該控制芯片發(fā)送控制指令及數(shù)據(jù)，控制芯片接收到監(jiān)控計算機發(fā)送的控制指令后，進行分析處理，然后控制高度角和方位角電機轉(zhuǎn)動，進而控制定日鏡按照指定的方式運動；高度角電機和方位角電機通過各自的編碼器把自身轉(zhuǎn)過的角度值反饋至控制芯片，控制芯片存儲電機反饋的角度值并據(jù)此計算出定日鏡的當(dāng)前角度值，然后將定日鏡的當(dāng)前角度值反饋至監(jiān)控計算機。
5.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其特征在于跟蹤太陽裝置層的開閉環(huán)定日鏡包括反光鏡(3-7)、立柱(3-1)、反光鏡方位角和高度角驅(qū)動機構(gòu)(3-3)、(3-4)、定日鏡控制器(3-2)、光敏傳感器及其支桿(3-8)、光敏傳感器角度調(diào)整機構(gòu)(3-5)，小反光鏡(3-6)，定日鏡立柱(3-1)樹立于地面，定日鏡方位角角調(diào)整機構(gòu)(3-3)和高度角調(diào)整機構(gòu)(3-4)安裝在定日鏡立柱(3-1)頂端，反光鏡(3-7)中心留有小孔，小反光鏡(3-6)鏡面面向光敏傳感器(3-10)，帶有弧形的光敏傳感器支桿(3-8)穿過反光鏡(3-7)中心的小孔，與光敏傳感器角度調(diào)整機構(gòu)(3-5)連接，定日鏡控制器(3-2)固定在定日鏡立柱(3-1)側(cè)面，內(nèi)置控制程序。
全文摘要
本發(fā)明一種基于多層架構(gòu)的塔式太陽能集熱定日鏡場控制系統(tǒng)，從上至下由三個控制層級構(gòu)成鏡場級調(diào)度與控制層、定日鏡子群控制層和跟蹤太陽裝置層；鏡場級調(diào)度與控制層由鏡場控制機、氣象監(jiān)測裝置、現(xiàn)場觀測裝置、通信接口、光斑校驗裝置五部分組成；定日鏡子群控制層由采用了雙機備份的冗余技術(shù)的控制器構(gòu)成，該控制器兼有底層定日鏡功能；跟蹤太陽裝置層由開環(huán)控制和開閉環(huán)混合控制的底層定日鏡組成。
文檔編號G05D3/12GK102929298SQ20121047687
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者王濤明, 王澤華, 牛震宇, 劉曉光, 汪騰飛, 馬貴鵬, 周永福, 姚成生, 冷貫?zāi)? 陸棟, 鎖興亞 申請人:寧夏光合能源科技有限公司