方霞琴 李繼生 戴松元 翁堅(jiān) 隋毅峰

摘要：層壓機(jī)是薄膜太陽(yáng)電池制備中的關(guān)鍵設(shè)備。針對(duì)現(xiàn)有層壓機(jī)手工操作效率低、缺少保護(hù)措施且危及工作人員人身安全這一問題，該文設(shè)計(jì)并開發(fā)了層壓機(jī)數(shù)據(jù)采集及智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，把層壓機(jī)作為虛擬儀器引入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中完成其數(shù)據(jù)的采集和控制。系統(tǒng)增加了保護(hù)措施，提高了控制效率，為今后批量生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：采集和控制系統(tǒng)；LabVIEW；層壓機(jī)；太陽(yáng)電池

中圖分類號(hào)：TK514文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)01-0214-03

Data Acquisition and Control System of the Laminating Machine Based on LabVIEW

FANG Xia-qin1,2, LI Ji-sheng1, DAI Song-yuan2,WEN Jian2, SUI Yi-feng2

(1.College of Electronic Information and Automation, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300222, China; 2.Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China)

Abstract: The lamination machine is critical equipment in producing the thin film solar cells. In view of the existing problems of manual operations in the laminating machine, such as the low efficiencies, the lack of protective measures and endangering the operators personal safety, this paper designed and implemented the data acquisition and control system of the laminating machine. This system used LabVIEW as the development platform, such that the laminating machine entered the computer as Virtual Instrument and then the work of data acquisition and control was performed by the computer. It lays a solid foundation for future mass production since increasing protection measures and improving the control efficiencies.

Key words: data acquisition and control system; LabVIEW; laminating machine; solar cell

1概述

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展和工業(yè)水平的不斷提高，人類對(duì)能源的需求不斷攀升。但目前人類所能開發(fā)和利用的能源是有限的（自然資源日益枯竭），因而探尋新能源并合理開發(fā)利用正成為世界各國(guó)共同關(guān)注的話題。在眾多的新能源中，太陽(yáng)能是一種清潔、無(wú)污染的綠色能源。染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池(以下簡(jiǎn)稱DSCs)的實(shí)現(xiàn)原理和自然界中的光合作用十分相似[1,2]，因制作成本低、穩(wěn)定性能好，成為近年來(lái)發(fā)展較快的一種太陽(yáng)能電池。它為廉價(jià)使用太陽(yáng)能提供了一條有效的方法，正成為世界各國(guó)科學(xué)家爭(zhēng)相研究的課題。

在DSCs的制備過(guò)程中，為了防止電池的老化，密封是關(guān)鍵[3]。為此，我們自主研發(fā)了層壓機(jī)[4]。為了保證電池有著很好的密封效果，需要層壓機(jī)在高溫高壓下工作。若是手工操作風(fēng)險(xiǎn)大、控制難、效率低。對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)并開發(fā)了層壓機(jī)采集與控制系統(tǒng)，從而將實(shí)驗(yàn)人員從復(fù)雜、危險(xiǎn)（高溫、高壓）的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中解放出來(lái)并大大提高控制效率。為將來(lái)批量生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)以LabVIEW[5-7]作為軟件開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在這部分，我們對(duì)層壓機(jī)采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，具體包括工作流程和硬件設(shè)計(jì)兩部分。

2.1工作流程

根據(jù)DSCs制備工藝要求以及層壓機(jī)的工作原理，我們首先設(shè)計(jì)如下工作流程，見圖1。

1）首先檢查蓋是否為合上狀態(tài)，如果有異常，則在計(jì)算機(jī)界面出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，同時(shí)停止其它工作的進(jìn)行。沒有出現(xiàn)報(bào)警情況，則開始供電給加熱絲，加熱到設(shè)定溫度，并保持恒溫。

2）溫度達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定10秒（此時(shí)間可調(diào)）以上，開始下一步程序，開蓋；開蓋采用機(jī)械方式，如氣動(dòng)，電動(dòng)等。開蓋到達(dá)所需位置，有檢測(cè)位置信號(hào)開關(guān)。開蓋位置開關(guān)給出信號(hào)后，處于等待放料狀態(tài)。

3）人工放入需加熱材料后，給予一合蓋信號(hào)。

4）進(jìn)入合蓋程序。檢測(cè)合蓋位置開關(guān)是否閉合，閉合后進(jìn)行下一步程序，同時(shí)保持恒溫。

5）抽真空。設(shè)定好抽真空時(shí)間或氣體壓力，啟動(dòng)出氣電磁閥，計(jì)算機(jī)顯示工作狀態(tài)和氣壓?？蓪?duì)上下真空室分別操作。

6）啟蓋。啟蓋之前，對(duì)計(jì)算機(jī)執(zhí)行放氣操作，打開放氣電磁閥，檢測(cè)氣體壓力，達(dá)到穩(wěn)定值后提示可進(jìn)行啟蓋操作。

7）結(jié)束。

2.2硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)具體的控制需求，所需采集的輸入信號(hào)為1路溫度信號(hào)、2路壓力（真空度）信號(hào)、2路位置開關(guān)數(shù)字信號(hào)、1路保護(hù)開關(guān)信號(hào)；輸出信號(hào)為：4路電磁閥、1路加熱控制、開蓋執(zhí)行1路，合蓋1路（不用時(shí)為預(yù)留），1路真空泵開關(guān)。其中AD采集3路。具體功能如下：

啟蓋與合蓋：?jiǎn)⑸w與合蓋有兩路繼電器分別控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)或氣壓裝置，同時(shí)設(shè)有位置限制開關(guān)，保護(hù)驅(qū)動(dòng)部分。

溫度控制：溫度加熱絲的電流通過(guò)PWM控制MOS管通斷來(lái)控制（加熱絲用直流電加熱），根據(jù)溫度傳感器的采集結(jié)果來(lái)控制PWM占空比，改變加熱絲電流，達(dá)到控制溫度的目的，AD采集和PWM分辨率都為10位，完全滿足精度要求。

壓力控制：壓力傳感器對(duì)壓力進(jìn)行采集，根據(jù)采集結(jié)果來(lái)控制繼電器，由繼電器來(lái)控制進(jìn)出氣電磁閥的通斷。真空控制：真空度傳感器對(duì)真空度進(jìn)行采集，根據(jù)采集結(jié)果來(lái)控制繼電器，由繼電器來(lái)控制真空泵的開關(guān)。由此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下“計(jì)算機(jī)-采集卡-多路繼電器”的控制電路，如圖2。

圖2控制電路

利用以上控制電路，目的是將層壓機(jī)引入計(jì)算機(jī)（虛擬儀器），即層壓機(jī)完全由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)操縱。使用“采集卡和繼電器模塊”作為層壓機(jī)電器設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的接口。在計(jì)算機(jī)端，通過(guò)軟件系統(tǒng)（LabVIEW）來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備的運(yùn)行情況，以及實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，并作出相應(yīng)的控制命令。采集輸入與控制輸出設(shè)備均用USB接口與計(jì)算機(jī)連接。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

我們對(duì)以上設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要涉及到以下設(shè)備：電腦，阿爾泰USB2831采集卡，阿爾泰PCI2325繼電器模塊，采集卡端子板，繼電器端子卡，廈門宇電AI518溫度控制器，PT100溫度傳感器，485轉(zhuǎn)232接口轉(zhuǎn)換器。具體的線路連接見圖3。

根據(jù)前面的工作流程及系統(tǒng)功能需求等，采用LabVIEW作為界面開發(fā)工具，設(shè)計(jì)如下系統(tǒng)監(jiān)控主界面（截圖參見圖4）。

圖4主界面截圖

該系統(tǒng)主要有五個(gè)功能區(qū)，分別為：溫度采集、真空度采集、自動(dòng)控制區(qū)、急停區(qū)、輔助工具區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)很好地發(fā)揮了虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)試與分析以及結(jié)果輸出顯示等功能，能夠?qū)崟r(shí)控制各子系統(tǒng)設(shè)備。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，嚴(yán)格遵循層壓機(jī)的工作流程，能夠循環(huán)采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)控制各子設(shè)備的正常運(yùn)行。

4結(jié)束語(yǔ)

遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了層壓機(jī)采集與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了人性化界面，虛擬層壓機(jī)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作簡(jiǎn)單，功能較為完備。為今后批量生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為更大規(guī)模智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

進(jìn)一步的工作：擬在層壓機(jī)的外殼嵌入觸摸屏，由觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控。不需要計(jì)算機(jī)的介入，計(jì)算機(jī)的功能由ARM版（內(nèi)有CPU及操作系統(tǒng)）和觸摸屏代替。進(jìn)而，既可通過(guò)安裝在設(shè)備面蓋上的觸摸屏來(lái)實(shí)時(shí)操縱，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與單片機(jī)連接。

參考文獻(xiàn)：

[1]方霞琴,戴松元,王孔嘉,史成武.小面積染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池的優(yōu)化研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2006, 27(10): 973-978.

[2]奚小網(wǎng),胡林華,方霞琴,戴松元.TiO2薄膜優(yōu)化對(duì)染料敏華太陽(yáng)電池性能的影響[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào), 2011,27(7):1353-1357.

[3]王孔嘉,戴松元,隨毅峰,翁堅(jiān),方霞琴.染料敏華納米薄膜太陽(yáng)電池的密封方法[P].中國(guó),專利號(hào)：02157277,授權(quán)公告日:2004年12月22日.

[4]張亮,李樹珍,石磊,馬淑英,陳立東,李國(guó)昉,鄭立新.分布式層壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011(15).

[5]耿克達(dá),郭建國(guó),高智剛,周軍.LabVIEW下的變質(zhì)心機(jī)構(gòu)3D虛擬顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2011,19(9):2245-2247,2251.

[6]謝三毛.基于LabVIEW遠(yuǎn)程虛擬信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2011,7(28): 6998-7000.

[7]果實(shí),薛磊,朱朝旭.基于LabVIEW隊(duì)列狀態(tài)機(jī)的鐵路信號(hào)電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)[J].電腦知識(shí)與技術(shù), 2011,7(29):7228-7233.