专利名称：一种基于多层架构的塔式太阳能集热定日镜场控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及塔式太阳能集热系统、工业自动化控制领域，特别是一种基于多层架构的塔式太阳能集热定日镜场控制系统。
背景技术：
随着市场对清洁能源的需求量不断增加，太阳能热发电领域出现了大量以跟踪太阳运行轨迹为主的跟踪太阳装置。其中，塔式太阳能集热系统在跟踪复杂程度和精度要求方面都高于槽式系统和蝶式等其他系统。且塔式太阳能集热系统已经充分体现了其优越的 经济与技术发展前景，对于促进可再生能源的发展意义重大。塔式太阳能集热系统技术与装备正处于市场化、产业化的前期。其现阶段技术的主攻方向将是提高系统的性能、降低系统的成本，使其能够大批量的生产并参与激烈的市场竞争。现有技术中存在的问题I、现有技术中还没有对大、小光斑组合定日镜场实施调控的系统；2、现阶段定日镜控制器通常使用价格昂贵且具有通用功能的底层控制单元及装置，多数是定日镜控制过程不需要的功能，造成了资源的浪费，不适用于工业生产及市场竞争;3、定日镜场中的定日镜子群控制器性能较高，尚有开发利用的空间。现有技术中只令其作为专门的子群控制器，造成了资源的浪费；4、现有基于光敏传感器的开闭环混合控制定日镜装置由于其光敏传感器所指向的方向不能实时调节，无法将镜场的一些光斑投射到集热器的不同位置来实现对集热器表面温度场的调度与控制。
发明内容
为了实现塔式太阳能集热系统技术与装备在低成本/高性能产业化市场化发展阶段的要求，解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于多层架构的塔式太阳能集热定日镜场控制系统。本发明按照下述方案实现一种基于多层架构的塔式太阳能集热定日镜场控制系统，从上至下由三个控制层级构成镜场级调度与控制层、定日镜子群控制层和跟踪太阳装置层；镜场级调度与控制层由镜场控制机、气象监测装置、现场观测装置、通信接口、光斑校验装置五部分组成；定日镜子群控制层由采用了双机备份的冗余技术的控制器构成，该控制器兼有底层定日镜功能；跟踪太阳装置层由开环控制和开闭环混合控制的底层定日镜组成；所述镜场级调度与控制层与其它两层所属控制装置有以下关联(I)计算镜场所处地理位置、观测太阳运行轨迹相关数据并发至各定日镜子群；(2)向各定日镜子群控制装置发出指令并接收其反馈的相关信息；
(3)接收塔式集热系统控制平台的指令并反馈相关信息；(4)根据时段、光热转换系统温度场变化等需求，确定执行光斑投射、散焦等任务的相关定日镜子群、定日镜以及极端气候的镜场处理措施，并将指令发至相关定日镜子群控制装置；(5)通过定日镜子群控制装置逐一完成定日镜的机械损伤误差校准工作；(6)监测镜场的运行状态并向塔式集热系统控制平台上报相关数据；所述定日镜子群级控制层包含至少两台兼有定日镜底子群控制功能和自动跟踪太阳运行功能的控制器，一台发生故障时，自动切换到另一台控制器。所述跟踪太阳装置层的开环控制装置是包含通信接口电路、扩展存储单元、手动控制按键电路、看门狗电路、掉电检测电路、实时时钟电路和报警信号接收电路的控制芯片，控制芯片内置计算、控制定日镜方位角和高度角电机转动的程序，外部监控计算机通过通信接口向该控制芯片发送控制指令及数据，控制芯片接收到监控计算机发送的控制指令后，进行分析处理，然后控制高度角和方位角电机转动，进而控制定日镜按照指定的方式运动；高度角电机和方位角电机通过各自的编码器把自身转过的角度值反馈至控制芯片，控制芯片存储电机反馈的角度值并据此计算出定日镜的当前角度值，然后将定日镜的当前角度值反馈至监控计算机；所述跟踪太阳装置层的开闭环定日镜包括反光镜(7)、立柱(I)、反光镜方位角和高度角驱动机构(3)、(4)、定日镜控制器(2)、光敏传感器及其支杆(8)、光敏传感器角度调整机构(5)，小反光镜(6)，定日镜立柱(I)树立于地面，定日镜方位角角调整机构(3)和高度角调整机构⑷安装在定日镜立柱⑴顶端，反光镜(7)中心留有小孔，小反光镜(6)镜面面向光敏传感器(10)，带有弧形的光敏传感器支杆(8)穿过反光镜(7)中心的小孔，与光敏传感器角度调整机构(5)连接，定日镜控制器(2)固定在定日镜立柱(I)侧面，内置控制程序。与现有技术相比，本发明所述定日镜场调度方法及装置更合理，并且很好的平衡了定日镜场的生产效率与生产成本之间的关系。本发明能够降低生产成本，防止通讯过程中的通讯阻塞问题，实现高精度自动跟踪太阳运行轨迹，提高镜场工作效率。当定日镜的投射光斑较小且不能全部覆盖集热器的所有区域时，本发明可以调节光敏传感器调动定日镜将反射光斑打在接收器需要加热的指定位置，灵活调度与控制集热器表面温度场，从而使定日镜装置更加灵活。本发明控制精度高，控制器反应速度快；本发明成本低，适应太阳能大功率集热系统市场化、产业化的需求。
图I为定日镜场级调度与控制层装置图；图中8_定日镜场顶层控制调度装置；
I-主机；2_气象监测器；3_主机通信接口 ；4_红外摄像机、5-高精度摄像机；6_反射光斑的接收靶；7_反射光斑目标靶；9_定日镜场顶层控制调度装置与塔式集热系统控制平台之间的信息交换；10-定日镜场顶层(总体)控制调度装置与定日镜子群之间的信息交换。图2为兼有定日镜控制功能的冗余型定日镜子群控制装置工作示意图；图中2-1.数据清单及控制指令；2-2.兼有定日镜控制功能的子群控制装置；2-3.入射太阳光；
2-4.备用的兼有定日镜控制功能的子群控制装置；2-5.定日镜子群；2-6.集热器；2-7.反射太阳光。图3是本发明开闭环混合控制定日镜结构及工作示意图；图中3-1.定日镜立柱；
3-2.定日镜控制器；3-3.定日镜方位角调整机构；3-4.定日镜高度角调整机构；3-5.光敏传感器角度调整机构；3-6.小反光镜；3-7.定日镜反光镜；3-8.光敏传感器支杆；3-9.定日镜入射光线；3-10.光敏传感器；3-11.定日镜反射光线；3-12.定日镜反射光线接收靶(本实施例的靶面被划分为A BCDEFGH I九部分，实际应用中可根据需要将靶面任意划分)；3-13.塔式太阳能集热系统监控机；图4为所述开闭环混合控制定日镜工作流程示意图；图5为本发明开环定日镜控制器的结构示意框图； 图6为本发明开环定日镜控制器控制原理示意图；图7为发明开环定日镜控制器单片机复位及时钟电路模块电路原理图8为发明开环定日镜控制器单片机电源模块电路原理图；图9为发明开环定日镜控制器串口通讯模块电路原理图；图10发明开环定日镜控制器为掉电保护模块电路原理图；图11发明开环定日镜控制器为限位开关模块电路原理图；图12发明开环定日镜控制器为实时时钟模块电路原理图；图13发明开环定日镜控制器为伺服控制输出模块电路原理图；图14发明开环定日镜控制器为手动控制模块电路原理图。
具体实施例方式场级调度与控制装置如图I所示，定日镜场控制调度装置(8)包括主机(I)、气象监测器(2)、主机通信接口(3)、红外摄像机(4)、高精度摄像机(5)。主机(I)功能为接收塔式集热系统控制平台的指令并反馈相关信息；向各定日镜子群控制装置发出指令并接收其反馈的相关信息；计算镜场所处地理位置观测太阳运行轨迹相关数据并发至各定日镜子群；根据时段、光热转换系统温度场变化等需求，确定执行光斑投射、散焦等任务的相关定日镜子群及定日镜以及极端气候的镜场处理措施，并将指令发至相关定日镜子群控制装置；通过定日镜子群控制装置逐一完成定日镜的机械损伤误差校准工作；监测镜场的运行状态并向塔式集热系统控制平台上报相关数据。气象监测器⑵实时监测镜场所处区域的气象信息，包括风速、风向、天气及日照等天气情况，并将所收集的气象信息通过通信接口(3)实时上传至主机(I)。红外摄像机(4)实时监测接收靶(6)表面的温度场，并将监测到的温度情况通过通信接口(3)实时上传至主机(I)。高精度摄像机(5)对准目标靶(7)，开环控制定日镜进行机械损伤误差校准时，使用此高精度摄像机(5)获取定日镜反射光斑的图像信息，并通过通信接口(3)将图像信息上传至主机(I)。主机(I)通过通信接口(3)与塔式集热系统控制平台以及定日镜子群控制器进行数据交换。定日镜子群级控制层使用一种兼有定日镜底层控制功能的冗余型定日镜子群控制装置，本装置按图2所示方式工作在日照充足的条件下，工控机(2-1)下行太阳位置数据、气象数据、集热器温度数据至兼有定日镜底层控制功能的定日镜群控制装置(2-2)，并解析接收到的数据清单，首先，兼有定日镜底层控制功能的定日镜群控制装置(2-2)对定日镜群(5)的每台定日镜装置进行轮询通信，根据反馈信号判断定日镜群(2-5)中定日镜运行状态。其次，将解析后的数据清单下行至定日镜群(2-5)的每台装置。当入射太阳光(2-3)照射在定日镜群(2-5)中，能够反射太阳光(2-7)至集热器(2-6)，完成太阳能的接收和存储。当兼有子群控制功能的装置(2-2)发生故障，子群级调度与控制层的工控机(2-1)能够及时检测其故障信号，并启用一台备用的兼有子群控制功能的装置(2-4)代替，继续定日镜群(2-5)调度与控制任务。本专利所述开闭环混合控制定日镜装置图如下I)如图3所示，一种具有反射光斑位置实时可调功能的开闭环控制定日镜结构定日镜立柱(3-1)树立于地面，支撑定日镜。定日镜方位角角调整机构(3-3)和高度角调整机构(3-4)安装在定日镜立柱(3-1)顶端，用于驱动反光镜(3-7)改变角度，光敏传感器角度调整机构(3-5)安装在定日镜立柱顶端。光敏传感器支杆(3-8)形状如图所示。光敏传感器支杆(3-8)与光敏传感器(3-10)刚性连接。定日镜控制器(3-2)固定在定日镜立柱(3-1)侧面。定日镜入射光线(3-9)照射在反光镜(3-7)表面，产生反射光线(3-11)。定日镜控制器(3-2)调整光敏传感器(3-10)所指方位，使其指向接收靶(3-12)表面的特定区域(如，指向A区域)。光敏传感器(3-10)面向反光镜(3-7)，并根据接收到的反射光线(3-11)方向产生相应的反馈信号。光敏传感器(3-10)产生的反馈信号被传递至定日镜控制器(3-2)，定日镜控制器(3-2)经分析计算后控制反光镜(3-7)的驱动机构来调整定日镜的高度角和方位角使反射光斑投射到接收靶(3-12)表面的指定区域。光敏传感器与定日镜立柱及反光镜之间的连接方式反光镜(3-7)中心留有小孔。小反光镜(3-6)镜面面向光敏传感器(3-10)，且通过连接杆固定在反光镜(3-7)上，并置于小孔中心。光敏传感器支杆(3-8)穿过反光镜(3-7)中心的小孔，与光敏传感器角度调整机构(3-5)连接。光敏传感器(3-10)与光敏传感器支杆(3-8)刚性连接。 该装置工作流程如图4所示I)塔式太阳能集热系统监控机实时监控定日镜反射光斑接收靶表面的温度，并通过该温度信息判断是否需要调整定日镜反射光斑位置；2)若定日镜反射光斑位置需要调整，则监控机将控制信号最终发送至定日镜控制器；3)定日镜控制器接收到上层信号后控制光敏传感器角度调整机构，调整光敏传感器角度，使其对准集热器接收靶表面的指定区域；4)光敏传感器将反馈信号发送至定日镜控制器；·
5)定日镜控制器根据光敏传感器的反馈信号判断反射光线角度是否存在偏差，若无偏差，则不再调整反光镜角度，若存在偏差，则发送控制信号至定日镜角度调整机构；6)定日镜角度调整机构接受到定日镜控制器发送的控制信号后，驱动反光镜调整角度。跟踪太阳装置层中开环定日镜控制器如下
I)如图5所示主控板单片机中装有主控制程序。单片机以中断方式接收监控计算机发送的控制信号及数据。手动控制按键产生的信号作为单片机的外部中断被单片机处理。FLASH存储单元用于扩展单片机的内存空间，该扩展的FLASH存储单元可以为单片机自带，也可以为外部扩展。方位角电机控制单元和高度角电机控制单元用来接收单片机发出的脉冲信号，同时根据所接收到的脉冲信号控制电机转动。掉电检测电路用来检测控制器所接入电源的电压值，当电压低于一定值时，该电路想单片机发送掉电信号，该信号以外部中断的形式被单片机接收。实时时钟电路的作用是为定日镜跟踪太阳提供精确的时间值。监控计算机定期向 单片机发送时间校准指令，由单片机对实时时钟的当前时间进行校准。看门狗电路用于防止单片机程序跑飞。2)如图6所示监控计算机通过通信接口向定日镜控制器发送控制指令及数据，定日镜控制器接收到监控计算机发送的控制指令后，进行分析处理，然后控制高度角和方位角电机转动，进而控制定日镜按照指定的方式运动。高度角电机和方位角电机通过各自的编码器把自身转过的角度值反馈至定日镜控制器，定日镜控制器存储电机反馈的角度值并据此计算出定日镜的当前角度值，然后将定日镜的当前角度值反馈至监控计算机，提高系统的控制精度。3)如图7至14所示，分别给出了开环定日镜控制器电路各控制单元电路图。
权利要求
1.一种基于多层架构的塔式太阳能集热定日镜场控制系统，从上至下由三个控制层级构成镜场级调度与控制层、定日镜子群控制层和跟踪太阳装置层；镜场级调度与控制层由镜场控制机、气象监测装置、现场观测装置、通信接口、光斑校验装置五部分组成；定日镜子群控制层由采用了双机备份的冗余技术的控制器构成，该控制器兼有底层定日镜功能；跟踪太阳装置层由开环控制和开闭环混合控制的底层定日镜组成。
2.如权利要求I所述的控制系统，其特征在于镜场级调度与控制层由主机(2-1)、气象监测器(2-2)、主机通信接口(2-3)、红外摄像机(2-4)、高精度摄像机(2-5)、反射光斑的接收靶(2-6)、反射光斑目标靶(2-7)组成，主机(2-1)内置程序，主要完成以下任务 (1)计算镜场所处地理位置、观测太阳运行轨迹相关数据并发至各定日镜子群； (2)向各定日镜子群控制装置发出指令并接收其反馈的相关信息； (3)接收塔式集热系统控制平台的指令并反馈相关信息； (4)根据时段、光热转换系统温度场变化等需求，确定执行光斑投射、散焦等任务的相关定日镜子群及定日镜以及极端气候的镜场处理措施，并将指令发至相关定日镜子群控制装置； (5)通过定日镜子群控制装置逐一完成定日镜的机械损伤误差校准工作。
3.如权利要求I所述的控制系统，其特征在于定日镜子群级控制层包含至少两台兼有定日镜底子群控制功能和自动跟踪太阳运行功能的控制器，一台发生故障时，自动切换到另一台控制器。
4.如权利要求I所述的控制系统，其特征在于跟踪太阳装置层的开环控制装置是包含通信接口电路、扩展存储单元、手动控制按键电路、看门狗电路、掉电检测电路、实时时钟电路和报警信号接收电路的控制芯片，控制芯片内置计算、控制定日镜方位角和高度角电机转动的程序，外部监控计算机通过通信接口向该控制芯片发送控制指令及数据，控制芯片接收到监控计算机发送的控制指令后，进行分析处理，然后控制高度角和方位角电机转动，进而控制定日镜按照指定的方式运动；高度角电机和方位角电机通过各自的编码器把自身转过的角度值反馈至控制芯片，控制芯片存储电机反馈的角度值并据此计算出定日镜的当前角度值，然后将定日镜的当前角度值反馈至监控计算机。
5.如权利要求I所述的控制系统，其特征在于跟踪太阳装置层的开闭环定日镜包括反光镜(3-7)、立柱(3-1)、反光镜方位角和高度角驱动机构(3-3)、(3-4)、定日镜控制器(3-2)、光敏传感器及其支杆(3-8)、光敏传感器角度调整机构(3-5)，小反光镜(3-6)，定日镜立柱(3-1)树立于地面，定日镜方位角角调整机构(3-3)和高度角调整机构(3-4)安装在定日镜立柱(3-1)顶端，反光镜(3-7)中心留有小孔，小反光镜(3-6)镜面面向光敏传感器(3-10)，带有弧形的光敏传感器支杆(3-8)穿过反光镜(3-7)中心的小孔，与光敏传感器角度调整机构(3-5)连接，定日镜控制器(3-2)固定在定日镜立柱(3-1)侧面，内置控制程序。
全文摘要
本发明一种基于多层架构的塔式太阳能集热定日镜场控制系统，从上至下由三个控制层级构成镜场级调度与控制层、定日镜子群控制层和跟踪太阳装置层；镜场级调度与控制层由镜场控制机、气象监测装置、现场观测装置、通信接口、光斑校验装置五部分组成；定日镜子群控制层由采用了双机备份的冗余技术的控制器构成，该控制器兼有底层定日镜功能；跟踪太阳装置层由开环控制和开闭环混合控制的底层定日镜组成。
文档编号G05D3/12GK102929298SQ20121047687
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者王涛明, 王泽华, 牛震宇, 刘晓光, 汪腾飞, 马贵鹏, 周永福, 姚成生, 冷贯南, 陆栋, 锁兴亚 申请人:宁夏光合能源科技有限公司