基于LabVIEW的层压机采集与控制系统

2012-04-29方霞琴李继生戴松元翁坚隋毅峰

电脑知识与技术 2012年1期

方霞琴李继生戴松元翁坚隋毅峰

摘要：层压机是薄膜太阳电池制备中的关键设备。针对现有层压机手工操作效率低、缺少保护措施且危及工作人员人身安全这一问题，该文设计并开发了层压机数据采集及智能控制系统。该系统以LabVIEW作为开发平台，把层压机作为虚拟仪器引入计算机，在计算机中完成其数据的采集和控制。系统增加了保护措施，提高了控制效率，为今后批量生产打下了坚实的基础。

关键词：采集和控制系统；LabVIEW；层压机；太阳电池

中图分类号：TK514文献标识码：A文章编号：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

随着人类社会的不断发展和工业水平的不断提高，人类对能源的需求不断攀升。但目前人类所能开发和利用的能源是有限的（自然资源日益枯竭），因而探寻新能源并合理开发利用正成为世界各国共同关注的话题。在众多的新能源中，太阳能是一种清洁、无污染的绿色能源。染料敏化纳米薄膜太阳电池(以下简称DSCs)的实现原理和自然界中的光合作用十分相似[1,2]，因制作成本低、稳定性能好，成为近年来发展较快的一种太阳能电池。它为廉价使用太阳能提供了一条有效的方法，正成为世界各国科学家争相研究的课题。

在DSCs的制备过程中，为了防止电池的老化，密封是关键[3]。为此，我们自主研发了层压机[4]。为了保证电池有着很好的密封效果，需要层压机在高温高压下工作。若是手工操作风险大、控制难、效率低。对此，我们设计并开发了层压机采集与控制系统，从而将实验人员从复杂、危险（高温、高压）的实验环境中解放出来并大大提高控制效率。为将来批量生产打下了坚实的基础。

该系统以LabVIEW[5-7]作为软件开发平台。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。

2系统设计

在这部分，我们对层压机采集与控制系统的设计进行了较为详细的介绍，具体包括工作流程和硬件设计两部分。

2.1工作流程

根据DSCs制备工艺要求以及层压机的工作原理，我们首先设计如下工作流程，见图1。

1）首先检查盖是否为合上状态，如果有异常，则在计算机界面出现报警信号，同时停止其它工作的进行。没有出现报警情况，则开始供电给加热丝，加热到设定温度，并保持恒温。

2）温度达到设定温度并稳定10秒（此时间可调）以上，开始下一步程序，开盖；开盖采用机械方式，如气动，电动等。开盖到达所需位置，有检测位置信号开关。开盖位置开关给出信号后，处于等待放料状态。

3）人工放入需加热材料后，给予一合盖信号。

4）进入合盖程序。检测合盖位置开关是否闭合，闭合后进行下一步程序，同时保持恒温。

5）抽真空。设定好抽真空时间或气体压力，启动出气电磁阀，计算机显示工作状态和气压。可对上下真空室分别操作。

6）启盖。启盖之前，对计算机执行放气操作，打开放气电磁阀，检测气体压力，达到稳定值后提示可进行启盖操作。

7）结束。

2.2硬件设计

根据具体的控制需求，所需采集的输入信号为1路温度信号、2路压力（真空度）信号、2路位置开关数字信号、1路保护开关信号；输出信号为：4路电磁阀、1路加热控制、开盖执行1路，合盖1路（不用时为预留），1路真空泵开关。其中AD采集3路。具体功能如下：

启盖与合盖：启盖与合盖有两路继电器分别控制驱动电机或气压装置，同时设有位置限制开关，保护驱动部分。

温度控制：温度加热丝的电流通过PWM控制MOS管通断来控制（加热丝用直流电加热），根据温度传感器的采集结果来控制PWM占空比，改变加热丝电流，达到控制温度的目的，AD采集和PWM分辨率都为10位，完全满足精度要求。

压力控制：压力传感器对压力进行采集，根据采集结果来控制继电器，由继电器来控制进出气电磁阀的通断。真空控制：真空度传感器对真空度进行采集，根据采集结果来控制继电器，由继电器来控制真空泵的开关。由此，我们设计了以下“计算机-采集卡-多路继电器”的控制电路，如图2。

图2控制电路

利用以上控制电路，目的是将层压机引入计算机（虚拟仪器），即层压机完全由计算机实时操纵。使用“采集卡和继电器模块”作为层压机电器设备和计算机之间的接口。在计算机端，通过软件系统（LabVIEW）来实时监测各设备的运行情况，以及实验的进度，并作出相应的控制命令。采集输入与控制输出设备均用USB接口与计算机连接。

3系统实现

我们对以上设计方案进行了具体实现，在实现过程中主要涉及到以下设备：电脑，阿尔泰USB2831采集卡，阿尔泰PCI2325继电器模块，采集卡端子板，继电器端子卡，厦门宇电AI518温度控制器，PT100温度传感器，485转232接口转换器。具体的线路连接见图3。