基于LabVIEW與ADAM模塊的真空樹脂灌封監控系統

馮梅琳 周賢娟 王 軍

(江西理工大學機電工程學院, 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節[1]，是在一定的溫度和真空環境下將環氧樹脂和固化劑組成的灌封料按比例經混合器充分混合后，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。其灌封系統主要由電氣控制柜、ADAM6000數據采集系統、運動控制系統及視覺檢測系統等部分組成，具有手動、半自動和全自動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控制不好，其流動性和固化質量較差，將會導致產品表面出現裂紋、氣泡及脫膠等表面缺陷，影響太陽能電池組件的外觀質量、光電轉換效率和產品使用壽命。鑒于此，筆者設計了一種由圖形化編程軟件LabVIEW、ADAM6000模塊和Modbus通信協議組成的低成本、控制精度高、穩定可靠的新型監控系統，為太陽能電池生產設備的在線監測提供了新的方法。

1 系統總體設計①

新型太陽能電池灌封系統以研華610型工控機作為監控中心，采用LabVIEW2012實現上位機人機界面的開發，采用ADAM6000模塊作為數據采集與控制系統核心，通過ADAM4520模塊完成ADAM6000模塊RS-485接口到RS-232接口信號的轉換功能，并采用Modbus協議實現了工控機和ADAM6000模塊之間采集數據的實時傳輸。由于LabVIEW集成了各種通信協議，提供了豐富的網絡化組件，具有強大的網絡通信功能，因此該系統既可以在本地計算機運行，也可以利用LabVIEW軟件平臺的Web服務器功能使得Internet網絡上的任何一臺計算機均可直接通過網頁訪問現場數據信息進行遠程監控，以便于設備管理人員及時了解現場運行狀況。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

2 系統硬件

2.1 組成

系統主要采用ADAM6000模塊作為數據采集單元，并將現場采集數據及時上傳給監控中心，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各個采集點的實時監控、記錄存儲和超限報警功能，同時通過相應的控制策略完成控制功能，為生產工藝優化提供基礎數據，其硬件組成如圖2所示。

圖2 系統硬件組成框圖

2.2 硬件選型和工作過程

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

a. 采用K型熱電偶采集現場15路溫度信號，選取了兩個八路帶DO的ADAM-6018作為溫度檢測模塊，同時采用差分輸入方式，消除了共模噪聲的影響，該模塊使用Modbus協議編程時AI功能的地址為40001～40008，DO功能的地址為00017～00024，溫度上限報警功能地址為00131～00138，下限報警功能地址為00141～00147。另外選取了3個具有六路DI的ADAM-6060繼電器模塊，完成溫度加熱功率的調節。首先ADAM-6018模塊將熱電偶采集的溫度數據及時上傳給工控機，并與LabVIEW軟件環境中設定的溫度進行比較，將偏差和偏差變化率通過二維模糊PID控制器調整后對加熱器做出相應的動作，從而實現溫度的閉環控制。若溫度超過設定范圍，則控制器立即報警并切斷電源停止加熱，在整個溫度的調節過程中主要通過Kp、Ki和Kd3個參數來改變系統的超調量和動態響應速度，滿足實際溫度控制要求。

b. 選用ZJ-52T型真空規管和YK-1004型智能電阻真空計對真空度進行精確測量，一方面將真空度數值顯示在LED顯示屏上，另一方面從真空計輸出4～20mA標準電流信號，經ADAM-6024采集并在LabVIEW軟件中顯示各路真空度數值、真空度實時曲線以及歷史數據等。在控制過程中，若真空度過高將會產生報警輸出并釋放真空進行排氣操作。

c. 由于料液具有粘度高和流速慢的特點，選用無可動部件的SBL系列法蘭管道式夾套保溫靶式流量計對各路流量進行測量，為后續工藝的順利進行提供保障。可將流量計輸出的4～20mA標準電流信號，經ADAM-6017采集并根據流量和電流之間的線性關系計算出流量瞬時值并在LabVIEW中實時顯示。

d. 為了使料液溫度均勻并達到降低粘度的目的，料罐內設計了攪拌器，但為防止攪拌器出現空轉或液體外濺，系統設置了液位上、下限，當料液超過底層攪拌器槳葉時才可以啟動攪拌電機，當料液達到最高位置時則要停止加料，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生掛料現象，使得測量誤差較大，且攪拌過程中有大量氣泡產生，從而產生了虛假液位，因而采用射頻導納物位計來解決掛料這一問題，并將輸出的4～20mA電流信號經ADAM-6017采集傳給上位機顯示，并在LabVIEW環境中采用單神經元自適應PID算法來消除虛假液位，實現液位的精確測量。

e. 由于工控機配置的是RS-232標準串行接口，一般用于20m以內的通信，為了使傳輸信號距離達到千米以上且與ADAM6000模塊的電氣規范一致，采用ADAM4520作為信號轉換器來實現RS-485/RS-232的電平轉換功能。

f. 選取3個具有八路DI和八路DO的ADAM-6052模塊來實現各參數超限時的報警信號輸出以及閥門、電磁閥、真空泵、空壓機的啟、停控制，該模塊使用Modbus協議編程時DI功能的地址為0001～0008，DO功能的地址為0017～0024。

3 系統軟件

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通信協議，因此采用前者實現兩者之間的通信。LabVIEW 2012平臺下配置Modbus通信時需安裝Datalogging and Supervisory Control Module和Modbus Library for LabVIEW工具包，該類工具包提供了標準以太網和串口的Modbus通信，可在LabVIEW軟件中執行Modbus協議，通過創建Modbus I/O Server、建立Modbus Ethernet通信及創建約束變量等步驟來實現，其中端口號默認為502，這是目前儀表與自動化行業唯一分配到的端口號，IP地址為本機設定的127.0.0.1，具體如圖3、4所示。

圖3 創建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對其進行設置和測試，如搜索模塊地址、干濕接點測試、計數/計頻/脈沖輸出等功能測試、查看Modbus通信碼、設置目標節點的Modbus偏移地址及選擇正確的Modbus功能碼等。然后在LabVIEW環境中對ADAM6000模塊進行配置，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.×××，同時對模塊的輸入/輸出量程、延時時間及設備ID等進行初始化配置，并根據自動生成的函數和相應的功能節點編寫程序，LabVIEW環境中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 系統監控軟件

系統監控軟件的設計借鑒軟件工程模塊化的設計思想，采用LabVIEW2012來實現各路溫度、真空度、流量和液位信號的實時監控。根據太陽能電池真空樹脂灌封工藝要求，監控軟件具有系統登錄、參數設置、數據采集、數據存儲、數據處理、曲線顯示、聲光報警、報表打印、歷史數據查詢、歷史曲線查詢、磁盤管理及模糊PID等控制功能，以便測試人員對設備的運行情況及時分析和處理。其中，數據存儲主要采用 Microsoft Access 建立數據庫，通過基于ADO技術的LabSQL工具包實現對數據庫的訪問[10～13]，同時可保存為包含時間信息的數據電子表格文件；歷史數據查詢模塊便于工程技術人員根據日期進行查詢，對以往數據進行對比分析，為工藝優化提供必要的參考；聲光報警模塊是系統可靠運行不可缺少的，當信號超出軟件設定的上、下限時，系統采用聲音和指示燈閃爍的形式報警；報表打印模塊可以將實時數據曲線及歷史曲線等以報表的形式打印出來，便于系統的運行和維護；磁盤管理模塊會定時對磁盤空間進行檢測，若剩余磁盤空間不足時會自動對數據庫的數據進行刪除，其監控系統主界面如圖6所示。同時，該系統也可以利用LabVIEW的網絡發布功能配置Web Server，如文件路徑和網絡設置、客戶機訪問權限設置及VIs訪問權限設置等實現遠程監控，以方便工程管理人員瀏覽。

圖6 監控系統主界面

4 結束語

采用LabVIEW2012軟件平臺和ADAM6000模塊實現小功率太陽能電池組件真空樹脂灌封過程各參數的數據采集和實時監控，開發了LabVIEW和ADAM6000模塊的Modbus通信程序和監控軟件，系統架構簡單、開發周期短、用戶界面友好、性價比較高并可實現遠程監控功能，為生產工藝優化提供了基礎數據，具有較高的實用價值。同時，可以對程序進行修改調試后推廣應用到其他類似過程參數實時監控系統中，對設備在線監測技術的發展具有一定的推動作用。