基于LabVIEW與ADAM模塊的真空樹脂灌封監(jiān)控系統(tǒng)

馮梅琳 周賢娟 王 軍

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 江西 贛州 341000)

真空樹脂灌封是小功率太陽能電池組件封裝過程中必不可少的環(huán)節(jié)[1]，是在一定的溫度和真空環(huán)境下將環(huán)氧樹脂和固化劑組成的灌封料按比例經(jīng)混合器充分混合后，以特定的速度和灌封量注入到太陽能電池組件上，起到絕緣密封的目的。其灌封系統(tǒng)主要由電氣控制柜、ADAM6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及視覺檢測系統(tǒng)等部分組成，具有手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)3種工作模式。由于灌封料屬于粘性流體，若溫度、真空度、液位及流量等過程參數(shù)控制不好，其流動(dòng)性和固化質(zhì)量較差，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋、氣泡及脫膠等表面缺陷，影響太陽能電池組件的外觀質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)品使用壽命。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了一種由圖形化編程軟件LabVIEW、ADAM6000模塊和Modbus通信協(xié)議組成的低成本、控制精度高、穩(wěn)定可靠的新型監(jiān)控系統(tǒng)，為太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備的在線監(jiān)測提供了新的方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)①

新型太陽能電池灌封系統(tǒng)以研華610型工控機(jī)作為監(jiān)控中心，采用LabVIEW2012實(shí)現(xiàn)上位機(jī)人機(jī)界面的開發(fā)，采用ADAM6000模塊作為數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)核心，通過ADAM4520模塊完成ADAM6000模塊RS-485接口到RS-232接口信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，并采用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)和ADAM6000模塊之間采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。由于LabVIEW集成了各種通信協(xié)議，提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)化組件，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，因此該系統(tǒng)既可以在本地計(jì)算機(jī)運(yùn)行，也可以利用LabVIEW軟件平臺(tái)的Web服務(wù)器功能使得Internet網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)均可直接通過網(wǎng)頁訪問現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以便于設(shè)備管理人員及時(shí)了解現(xiàn)場運(yùn)行狀況。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件

2.1 組成

系統(tǒng)主要采用ADAM6000模塊作為數(shù)據(jù)采集單元，并將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及時(shí)上傳給監(jiān)控中心，通過LabVIEW軟件完成太陽能電池真空樹脂灌封過程溫度及真空度等參數(shù)各個(gè)采集點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄存儲(chǔ)和超限報(bào)警功能，同時(shí)通過相應(yīng)的控制策略完成控制功能，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其硬件組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.2 硬件選型和工作過程

根據(jù)太陽能電池真空樹脂灌封工藝要求，系統(tǒng)需要監(jiān)測AB料罐、管路、混合器和灌封艙內(nèi)的溫度、真空度、液位及流量等參數(shù)，選用的各類傳感器、ADAM模塊及系統(tǒng)工作過程如下[2～5]:

a. 采用K型熱電偶采集現(xiàn)場15路溫度信號(hào)，選取了兩個(gè)八路帶DO的ADAM-6018作為溫度檢測模塊，同時(shí)采用差分輸入方式，消除了共模噪聲的影響，該模塊使用Modbus協(xié)議編程時(shí)AI功能的地址為40001～40008，DO功能的地址為00017～00024，溫度上限報(bào)警功能地址為00131～00138，下限報(bào)警功能地址為00141～00147。另外選取了3個(gè)具有六路DI的ADAM-6060繼電器模塊，完成溫度加熱功率的調(diào)節(jié)。首先ADAM-6018模塊將熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù)及時(shí)上傳給工控機(jī)，并與LabVIEW軟件環(huán)境中設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，將偏差和偏差變化率通過二維模糊PID控制器調(diào)整后對加熱器做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。若溫度超過設(shè)定范圍，則控制器立即報(bào)警并切斷電源停止加熱，在整個(gè)溫度的調(diào)節(jié)過程中主要通過Kp、Ki和Kd3個(gè)參數(shù)來改變系統(tǒng)的超調(diào)量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，滿足實(shí)際溫度控制要求。

b. 選用ZJ-52T型真空規(guī)管和YK-1004型智能電阻真空計(jì)對真空度進(jìn)行精確測量，一方面將真空度數(shù)值顯示在LED顯示屏上，另一方面從真空計(jì)輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，經(jīng)ADAM-6024采集并在LabVIEW軟件中顯示各路真空度數(shù)值、真空度實(shí)時(shí)曲線以及歷史數(shù)據(jù)等。在控制過程中，若真空度過高將會(huì)產(chǎn)生報(bào)警輸出并釋放真空進(jìn)行排氣操作。

c. 由于料液具有粘度高和流速慢的特點(diǎn)，選用無可動(dòng)部件的SBL系列法蘭管道式夾套保溫靶式流量計(jì)對各路流量進(jìn)行測量，為后續(xù)工藝的順利進(jìn)行提供保障?？蓪⒘髁坑?jì)輸出的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，經(jīng)ADAM-6017采集并根據(jù)流量和電流之間的線性關(guān)系計(jì)算出流量瞬時(shí)值并在LabVIEW中實(shí)時(shí)顯示。

d. 為了使料液溫度均勻并達(dá)到降低粘度的目的，料罐內(nèi)設(shè)計(jì)了攪拌器，但為防止攪拌器出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或液體外濺，系統(tǒng)設(shè)置了液位上、下限，當(dāng)料液超過底層攪拌器槳葉時(shí)才可以啟動(dòng)攪拌電機(jī)，當(dāng)料液達(dá)到最高位置時(shí)則要停止加料，一般上限位置不能超過料罐高度的85%。但由于粘性料液容易在電容式傳感器上產(chǎn)生掛料現(xiàn)象，使得測量誤差較大，且攪拌過程中有大量氣泡產(chǎn)生，從而產(chǎn)生了虛假液位，因而采用射頻導(dǎo)納物位計(jì)來解決掛料這一問題，并將輸出的4～20mA電流信號(hào)經(jīng)ADAM-6017采集傳給上位機(jī)顯示，并在LabVIEW環(huán)境中采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法來消除虛假液位，實(shí)現(xiàn)液位的精確測量。

e. 由于工控機(jī)配置的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，一般用于20m以內(nèi)的通信，為了使傳輸信號(hào)距離達(dá)到千米以上且與ADAM6000模塊的電氣規(guī)范一致，采用ADAM4520作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)RS-485/RS-232的電平轉(zhuǎn)換功能。

f. 選取3個(gè)具有八路DI和八路DO的ADAM-6052模塊來實(shí)現(xiàn)各參數(shù)超限時(shí)的報(bào)警信號(hào)輸出以及閥門、電磁閥、真空泵、空壓機(jī)的啟、?？刂?，該模塊使用Modbus協(xié)議編程時(shí)DI功能的地址為0001～0008，DO功能的地址為0017～0024。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 LabVIEW中Modbus通信配置

LabVIEW與ADAM6000模塊的通信主要有NI Modbus和NI OPC Server兩種方式[6～9]，鑒于LabVIEW與ADAM6000模塊都支持Modbus通信協(xié)議，因此采用前者實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。LabVIEW 2012平臺(tái)下配置Modbus通信時(shí)需安裝Datalogging and Supervisory Control Module和Modbus Library for LabVIEW工具包，該類工具包提供了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和串口的Modbus通信，可在LabVIEW軟件中執(zhí)行Modbus協(xié)議，通過創(chuàng)建Modbus I/O Server、建立Modbus Ethernet通信及創(chuàng)建約束變量等步驟來實(shí)現(xiàn)，其中端口號(hào)默認(rèn)為502，這是目前儀表與自動(dòng)化行業(yè)唯一分配到的端口號(hào)，IP地址為本機(jī)設(shè)定的127.0.0.1，具體如圖3、4所示。

圖3 創(chuàng)建Modbus I/O Server

圖4 建立Modbus Ethernet通信

3.2 ADAM6000模塊的配置

ADAM6000模塊的初始化首先采用研華公司配套的測試軟件Advantech ADAM/APAX.NET Utility和Advantech Modbus TCP OPC Server對其進(jìn)行設(shè)置和測試，如搜索模塊地址、干濕接點(diǎn)測試、計(jì)數(shù)/計(jì)頻/脈沖輸出等功能測試、查看Modbus通信碼、設(shè)置目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的Modbus偏移地址及選擇正確的Modbus功能碼等。然后在LabVIEW環(huán)境中對ADAM6000模塊進(jìn)行配置，如搜索到ADAM-6060模塊后將其初始IP地址10.0.0.1修改為192.168.10.×××，同時(shí)對模塊的輸入/輸出量程、延時(shí)時(shí)間及設(shè)備ID等進(jìn)行初始化配置，并根據(jù)自動(dòng)生成的函數(shù)和相應(yīng)的功能節(jié)點(diǎn)編寫程序，LabVIEW環(huán)境中ADAM-6060模塊的配置程序如圖5所示。

圖5 ADAM-6060 DI和DO Module配置程序

3.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件

系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)借鑒軟件工程模塊化的設(shè)計(jì)思想，采用LabVIEW2012來實(shí)現(xiàn)各路溫度、真空度、流量和液位信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)太陽能電池真空樹脂灌封工藝要求，監(jiān)控軟件具有系統(tǒng)登錄、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、曲線顯示、聲光報(bào)警、報(bào)表打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線查詢、磁盤管理及模糊PID等控制功能，以便測試人員對設(shè)備的運(yùn)行情況及時(shí)分析和處理。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要采用 Microsoft Access 建立數(shù)據(jù)庫，通過基于ADO技術(shù)的LabSQL工具包實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問[10～13]，同時(shí)可保存為包含時(shí)間信息的數(shù)據(jù)電子表格文件；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊便于工程技術(shù)人員根據(jù)日期進(jìn)行查詢，對以往數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，為工藝優(yōu)化提供必要的參考；聲光報(bào)警模塊是系統(tǒng)可靠運(yùn)行不可缺少的，當(dāng)信號(hào)超出軟件設(shè)定的上、下限時(shí)，系統(tǒng)采用聲音和指示燈閃爍的形式報(bào)警；報(bào)表打印模塊可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線及歷史曲線等以報(bào)表的形式打印出來，便于系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)；磁盤管理模塊會(huì)定時(shí)對磁盤空間進(jìn)行檢測，若剩余磁盤空間不足時(shí)會(huì)自動(dòng)對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，其監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖6所示。同時(shí)，該系統(tǒng)也可以利用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能配置Web Server，如文件路徑和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、客戶機(jī)訪問權(quán)限設(shè)置及VIs訪問權(quán)限設(shè)置等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，以方便工程管理人員瀏覽。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 結(jié)束語

采用LabVIEW2012軟件平臺(tái)和ADAM6000模塊實(shí)現(xiàn)小功率太陽能電池組件真空樹脂灌封過程各參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，開發(fā)了LabVIEW和ADAM6000模塊的Modbus通信程序和監(jiān)控軟件，系統(tǒng)架構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、用戶界面友好、性價(jià)比較高并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，可以對程序進(jìn)行修改調(diào)試后推廣應(yīng)用到其他類似過程參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，對設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用。