（机械电子工程专业论文）太阳能组件热斑检测系统研究.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 太阳能组件热斑检测系统研究 机械电子工程 王阿勇 杨静副教授 摘要 i l i | l 嗍i | | | | 川i | | | | i i i i i m i _ y 2 11 7 5 6 7 签名：至委复 签名：毖篮 太阳能组件作为光伏系统的主要部件，对于改善人类能源结构，促进可持续发展起着 重要的作用。由于生产工艺等问题，太阳能组件中个别电池片由电源转变为负载，消耗功 率，形成热斑，威胁光伏系统安全。随着全球光伏装机容量的提高，由热斑现象所引发的 安全事故越来越受到重视。开发一套可用于组件生产线的热斑检测系统有其重要的应用价 值。 根据热斑产生原理，利用红外热像仪，本文给出了一套可适用于生产检测的太阳能组 件热斑检测系统方案。针对组件板型结构特点，综合成本因素，该方案采用运动控制与图 像拼接技术，对大板型组件在图像获取时，采用分次获取，然后进行图像拼接，从而得到 一幅完整组件热图像的方法。根据系统方案，本文首先搭建了检测系统的硬件平台，完成 硬件的安装调试，在图像拼接算法问题上，论文对目前常见的匹配算法进行了分析比较， 然后根据组件热图像呈现出周期性的特性，提出了动态选取模板进行匹配的算法，该算法 既减少运算量，又避免了重叠区域大时的误匹配。 本文在v c + + 6 o 环境下利用热像仪s d k 进行二次开发，完成i p c 与热像仪的通讯； 借助运动控制卡函数库，实现了热成像仪运动控制；开发的组件热斑自动检测系统，采用 动态模板提取，实现了热图像的匹配。该控制系统在实际生产中进行了测试，结果表明， 本文所设计的系统硬件平台，满足实际需要，可应用于组件生产线的检测。 关键词：热斑；自动检测；图像拼接；动态模板 西安理工大学硕士学位论文 i i t j t l e ：r e s e a r c ho ns o l a rm o d u l e sh o ts p o td e t e c t i o n s y s t e m m a j o r ：m a c h i n e r ye i e c t r o n j ce n g i n e e r i n g n a m e ：w a n ga y on g s u p e r 、，i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y a n gj i n g a b s t r a c t s i g n a t ur e ：虹纽了 s i g n a t u r e ：渔窖兰! 孥 a st n em a m c o m p o n e n to ft h ep vs y s t e m ，t h es o l a rm o d u l e sp l a y sa ni m p o n a n tr 0 1 ei n 1 m p r o v m gh u m a ne n e r g ys t r u c t u r ea 1 1 d p r o m o t i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t b e c a u s eo ft h e p r o d u c t l o np r ob l e m s ，t h ec e l l st 啪s f o n l lf r o mp o u ，e ri n t o1 0 a d ，f 0 m 1h o ts p o ta n dt 1 r e a t t h e s a f e t yo tp vs y s t e m s w i t ht h e i m p r 0 v e m e n to ft h eg l o b a lp vi n s t a i l e dc a p a c i t y ，s e c u r i t y 1 n c l d e n t 8c a u s e db ”h eh o ts p o tp h e n o m e n o na r et a 王( e nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n d e v e l o p p i n ga s e to ih o ts p o td e t e c t l o ns y s t e mt h a tc a j lb eu s e df o rp r o d u c t i o nl i n eh a sa ni m p o r t a l l tv a l u e a c c o r d l n gt ot h eh o ts p o t sp 血c i p l e ，u s i n gt h e 硼a lc 锄e r a ，i nt h i sp a p e r ，i tg i v e sas o l a r m o d u l e sh o ts p o td e t e c t l o ns y s t e mw l i c hi sa p p l i e df o rt e s t i n g a c c o r d i n gt om o d u j e ss t r u c t u r e c n a r a c t e 舣1 c sa n dc o s t 士a c t o r s ，t h e s c h e m ea d o p t st h em o t i o nc o n t r o la n di m a g em o s a i c i n g t e c h n l q u et og e ta 如l lt h e n l l a li m a g e i nt h i sp a p e r ，f i r s tt ob u i l th a r d w a r ep i a t f o r n l ，c o m p l e t e n a r d w a r em s t a l l a t l o n ，ml m a g em o s a i c i n ga i g o r i t h m ，t h em o s tc o m m o nm a t c h i n ga l g o r i t h mi s a n a i y z e da n dc o l p a r e d ，a n dt h e nb a s e do nt h ep e r i o d i cc h a r a c t e r i s t i c so fm ep r e s e n tt h e m l a l 1 m a g e sm o d u l e ，p u t st o r w a r dt h ed y n a m i cs e l e c t t e m p l a t em a t c h i n ga l g o r i t h m ，t h en e w a i g o n t h mn o to n l yr e d u c et h ec o m p u t a t i o n ，b u ta l s oa v o i dt h eo v e r l a p p i n ga r e a sm i s m a t c h f 1 n a l l y ，1 nt h l sp a p e r ，i td e v e l ( ) p sh o ts p o t sa u t o n l a t i ct e s ts y s t e ms o n w a r ei nv c + + 6 o 0 n t h i sb a s l s ，c o m p l e t e sc o m m u n i c a t i o nw i t ht h e 彻o g r a p h ys d k ，a n dc o m p l e t e s t h em o t i o nc o n t r o l s o r t w a r ed e s l g nw l t ht h em o v e m e n tc o n t m lc a r d l i b r a r y t h eh o ts p o td e t e c t i o ns y s t e ma c h i e v e s t h em a t c h i n go ft h e 珊a li m a g eb yd y n 锄i c t e m p l a t ee x t r a c t i o n t h ec o n t r 0 1s y s t e mh a sb e e n t e s t e dma c t u a lp r o d u c t i o n ，a n dt h et e s ts h o w st h a tt h ed e s i g no f t h eh a r d w a r ep l a t f o r n lm e e tt h e n e e do tt h ea c t u a lp r a c t i c a la n dc a nb eu s e di np r o d u c t i o nl i n eo ft h ec o m p o n e m t e s t i n g k e yw o r d s ：h o ts p o t ；a u t o m a t i cd e t e c t i o n ；i m a g em o s a i c i n g ；d y n a m i ct e m p l a t e 西安理工大学硕士学位论文 i v 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 能源作为物质基础，促进着人类发展与社会进步，在经济飞速发展的今天，它更是国 与国之间竞争的砝码。而目前，人类获取能源的主要方式依然是通过燃烧煤、石油、天然 气等千百年形成的化石燃料。这种单一的能源结构面临着严峻的问题，主要表现在：一是 这些燃料是长时间才会形成，它会随着消耗而减少，终将有一天枯竭。二是燃烧会排放大 量的废气，对人类居住环境与地球生态平衡构成威胁。这些问题严重影响了可持续发展战 略的实施。 2 0 世纪末，在各个国家政府的支持下，以太阳能为代表的新能源得到了广范应用， 特别是光伏发电技术的飞速发展与太阳能组件生产量的逐年提高，为解决能源危机与环境 问题带来了希望n 1 ，如图1 1 所示。进入2 1 世纪，太阳能电池生产量与光伏装机量都有 了大幅提高，中投顾问发布的2 0 0 9 2 0 1 2 年中国太阳能光伏发电产业投资分析及前景预 测报告显示，2 0 0 7 年，全球太阳能新增装机容量达2 8 2 6 m w p ，2 0 0 8 年全球太阳能新 增装机容量比上年翻一番，达到了5 5 0 0 m w p 以上，至2 0 0 8 年，全球太阳能安装总量已 累计达1 5 g w 。 幽卜1 太阳能应用 f i g 1 1 s o l a ra p p l i c a t i o n 中国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在4 0 0 9 0 0 k j ( m 2 年) 之间，相当于燃烧3 0 0 亿吨标煤的能量。全国总面积2 3 以上地区年日照时数大于2 2 0 0 h 【，日照能量在5 0 0 k j ( m 2 年) 以上，可以说是太阳能资源丰富。但据统计截至2 0 0 9 年，中国仍有很多家庭没有通 电，尤其是农村及偏远山区d 1 ，同时，中国电力短缺并且分布不均，特别是用电高峰，更 西安理工大学硕士学位论文 显出电力的匮乏。对于缺电地区，如青海、内蒙等地区太阳能资源丰富，具有光伏发电的 优越条件与市场潜力。由于市场的刺激与国家出台相关政策的辅助作用，国内组件生产企 业如雨后春笋般出现。光伏发电在带来社会效益的同时，也带来了较大的经济效益，并已 成为增长最快的高新技术产业之一。 在使用太阳能的过程中，我们面临的主要问题是成本的控制。将太阳能转换成电能的 主要器件是太阳能组件( 也称光伏组件) ，由于硅晶体材料与技术的限制，它的成本目前 很高，而且转换效率比较低。降低其本身成本与转换效率短期内无法实现，只能通过延长 组件的使用寿命问接控制成本，而影响其寿命的主要是热斑现象。 在了解热斑现象之前，先来了解一下太阳能组件。单个硅晶体电池作为发电的最小单 位，获得的最大电压约为0 4 0 5 v ，最大电流约为3 0 m a c m 2 ，无论是从工作电压还是电 流来看，它都无法满足实际供电电源的规格需求。所以在实际应用中，要根据功率及输出 电压的要求将多个单体电池经串、并联起来，并封装在透明的框架内，形成特定的电池组 件“1 ，即通常所说的太阳能组件或光伏组件，这样既可以防止外界环境对它的损害，延长 电池的使用寿命，又便于电池的安装使用。 在太阳能组件的生产中，由于硅晶片本身原因或是存在裂片、隐片等工艺问题，又或 是在使用中被某物体长时问遮挡，使太阳能组件中一个或多个电池片产生的电流很小，此 时这些电池片相当于串接在回路中的负载而不是电源，它将消耗功率，并将其以发热的形 式显现出来，造成该电池片温度高于周围其它电池片，当热量累计到一定程度时，就将引 燃组件，烧毁封装材料，严重时将会威胁整个光伏系统的安全。这就是我们常说的热斑现 铅【5 】【6 】 勿 o 在实际使用过程中，由于太阳能组件的热斑现象，不但影响了组件的输出功率，更会 对光伏发电系统安全构成威胁。2 0 0 5 年，欧洲某大型光伏发电厂就曾发生大火，带来了 严重的经济损失，事后据调查分析表明，是由于组件中的热斑效应所引起的。因此，研究 太阳能组件的热斑检测有很大的现实意义。另外根据热斑检测结果，构建太阳能方阵时， 通过寻找相似的太阳能组件进行组合，可使每个组件发挥其最大转换效率，减小失配问题 的出现。 1 2 国内外有关研究现状 1 2 1 热斑现象预防研究 能彻底解决热斑现象的理想做法，是在太阳能组件每一块单体电池片上加装分流二极 管，在组件正常工作时，即作为电源发电时，该二极管不导通，相当于开路，不影响太阳 能组件的正常工作。当有热斑存在时，该电池片成为电阻，这时二极管将导通，将该电池 片短路掉，则该电池片不会发热带来热斑，从总体来看，整个组件只是输出功率受到影响， 但没有对输出电压和整个光伏方阵构成实质威胁，这样就减小了热斑出现的机率，从而避 免被遮挡电池的过热损坏。但是在太阳能组件的实际制造中，给每一块电池片并联二极管 1 绪论 图l 一2 组件结构 f i g 1 2m o d u l es t r u c t u r e 是不现实的，在商用太阳能组件的设计生产中，通常是为多个串联电池并联一个二极管。 如图1 2 所示的组件结构，该板型太阳能组件由3 6 个单体电池经过串联构成。从图中可 以看出，只并联了2 个分流二极管，分别为两组电池串分流，这样如有热斑只会影响所在 电池串的发电能力。 在实际使用中，由于二极管的固有特性，在作为旁路时，功率损耗会使二极管温度升 高，时间长了就会烧坏二极管，引燃接线盒，影响太阳能组件与光伏矩阵的安全性和稳定 性，最新出版的i e c 组件设计标准中，对组件所使用旁路二极管要求如下：二极管接通 1 2 5 倍的组件短路电流，在7 5 的环境中能持续一个小时而不会损坏接线盒h 1 ，达到这 样的要求才算合格。在这样严格的条件下，普通的二极管已经远远不能满足要求。现在即 使采用肖特基二极管也不能很好地解决热斑效应的问题。目前有采用复杂的m o s 管来实 现旁路功能，但它需要一个自动检测和控制装置来通断m o s 管，这种方法比较复杂，成 本也较高，目前只用于实验。 1 2 3 红外热像检测技术 红外热像检测技术是一种刚刚兴起的无损检测技术，它涉及多个学科与应用领域，补 充了传统检测方式如超声波、激光、c t 、射线等的不足，并在某些行业已经完全取代它 们n 1 。作为一种通用新型技术，为了提高检测的准确性与广度，常常将其它检测技术与红 外热像检测技术配合使用。目前有关红外热像检测技术的应用研究主要包含两方面：即热 激励技术和热成像技术。 热激励技术是热像检测的关键技术。使用红外热像检测技术的前提要求，是要能将试 件好与坏的区别，转换成其对外界热激励响应的区别，并最终能在试件表面形成温差。因 此，能否根据试件的特性与检测的要求，找出一种快速高效、灵巧方便的热激励方式，是 使用红外热像检测技术获取完美检测效果的保障。 红外热成像技术就是利用红外辐射的原理，通过检测目标物体表面的红外辐射能，将 被测物体表面的温度分布，转换为形象且直观的热图像阳1 。红外热像仪就是对红外热像技 西安理工大学硕士学位论文 术的应用实例，它集合了光技术、机电技术，最早应用于军事领域，近年来在民用检测行 业的应用而为人们所熟悉。它所反映的“热像 是一种可视化了的能量密度。区分周围物 体与目标正是基于两者温度差异所表现出的红外辐射能的差异。现在市场上使用的红外热 像仪从功能结构上主要包括四大部分，如图1 3 所示，光学系统、红外探测器、信号处理 电路和显示输出部件。它先通过光学系统与红外探测器把红外辐射变成电信号，然后通过 信号处理电路，实现从电到光的转换，接着利用显示输出部件将热图像输出，我们就得到 目标 环境红外探测器显示及输出 图1 3 热像仪原理 了反映目标热像的可见光图像叫。 红外热像检测技术，作用距离远，抗干扰性好，穿透能力强，最早应用于军事领域， 完成对军事目标的探测、识别与跟踪等。基于红外热像检测技术的优点，近些年广泛应用 在民用各个检测行业。它可以进行高分辨率的、非接触式的区域温度扫描测量，并以高质 量图像方式向人类提供了检测目标的大量信息“，可以说是扩大了人类肉眼的可视范围。 ( 1 ) 材料与构件的检测n 明“。主要用于金属表面、复合材料、粘结构、热物理特 性等的红外检测。现在很多大的飞机制造公司都将红外热像检测技术作为标准检测方法， 用于飞机各个重要部件的检测，并且逐步形成了行业标准。 ( 2 ) 电力系统设备的检测。主要用于检测电力设备电路热源分布、运行状态等。 我国使用红外热像检测技术对电力系统进行安全检测已有2 0 多年历史，取得了相当的经 验，并编制了带电设备红外诊断技术应用导则( d l t 6 6 4 。1 9 9 9 ) n 4 1 作为行业标准，使 该技术在电力设备检测中更加普遍。 ( 3 ) 石油化工设备的检测。石化生产中，使用红外热像技术可以清晰看到各种反 应与加热设备表面温度分布，实时监控设备运行状态，掌握工艺生产中的各种热交换情况。 ( 4 ) 房屋建筑的检测。红外热像法在房屋检测中的应用是随着近几年房地产的繁 荣而出现的，从目前的使用范围来看，它主要用于建筑物表面粘结质量的检测u 、墙面、 屋面渗漏的检测、混凝土结构内部缺陷的检测、建筑节能检测等。 ( 5 ) 医学上的检测“6 1 7 1 。人体本身就是红外辐射源，通过临床医学分析表明，当 人体某些组织出现温度变化时，一般可诊断为病变组织。红外热像检测技术可用于体温测 量、癌症早期诊断、浅表静脉的红外摄影、血管疾病的诊断等。 4 l 绪论 1 2 4 太阳能组件热斑检测设备现状 在红外热像检测技术应用之前，对于热斑的检测没有什么好办法，近年来随着红外热 像检测技术的发展以及红外热像仪在民用行业的应用，通过红外热像仪可以方便快捷的获 取太阳能组件热图像，进而确定太阳能组件中热斑的大小与位置，如图1 4 所示：将太阳 能组件置于太阳照射下，使其构成发电系统，对蓄电池充电，用红外热像仪获取其热图像。 在正常情况下，各电池片的温度分布均匀；如果个别电池片温度出现异常过高，就说明此 电池片有问题，这就是热斑，此电池片已经由正常光能转电能的工作状态，转变为组件的 负载消耗电能发热，影响组件的转化功率，在发热到一定程度时，将会损坏组件。 图1 4 组件热斑检测图 f i g 1 4m o d u l eh o ts p o td e t e c t i o n 目前，采用热像仪进行热斑检测已经用于产品设计定型与样品抽检中，在 i e c 6 1 2 1 5 ( 国际标准地面用晶体硅光伏组件设计鉴定与定型) 标准中“热斑耐久试验”中推 荐使用红外热像仪。在检测设备的开发与使用上，目前处于起步阶段。据报道，国外企业 己开发出热斑检测系统，可以用于太阳能组件自动化生产线，大大提高了检测效率，但由 于其价格昂贵，并且对国内企业技术封锁，其设备尚未在国内市场大量使用。近年来，随 着市场对组件产品质量要求的提高，以及国家的大力支持，国内一些企业加大研发力度， 已经开发出一些检测设备。如上海学子科技创业有限公司研发的太阳能电池组件缺陷检测 专用系统( s l d t a a ) 、武汉高博光电科技有限公司研发的太阳能电池组件红外缺陷检 测仪( g e l d 6 1 0 g e l d 1 4 0 ) 等可用于检测裂纹、碎片、断栅、缺焊、单片效率不均匀、 反向漏电流大等缺陷。这些设备具有一定的检测能力，但都无法满足生产线上的热斑检测 需求。因此，本文所做的工作就是构建一套可用于太阳能组件生产线的热斑检测设备，其 对检测效率与实用性提出了要求，有很大的现实意义。 1 3 论文的内容及组织 本文的主要目的就是研制一套太阳能组件热斑自动检测系统，此检测系统可以检测各 种常见板型，并且可以存储检测结果并查看，本文对其所涉及的主要技术进行说明，并对 系统的软硬件设计进行了详细的说明。 西安理工大学硕士学位论文 本文各章节的内容安排如下： 第一章，绪论。首先介绍了目前太阳能的应用现状，然后介绍了太阳能组件热斑产生 的原因与危害，并对相关检测技术进行了说明，最后介绍了红外热像技术在热斑检测中的 的应用。 第二章，太阳能组件热斑检测总体方案设计。首先介绍了太阳能组件热斑检测系统的 总体结构与工作原理，然后介绍了系统硬件平台，并详细介绍了工控机、热像仪、运动控 制卡、伺服系统、恒流电源等硬件。 第三章，太阳能组件热斑检测系统硬件实现。本章主要介绍了系统硬件的实现，对于 各部件的电气连接进行了详细介绍，然后简单介绍了伺服驱动系统参数的设置与系统的参 数计算方法。 第四章，太阳能组件热图像拼接算法。对太阳能组件热图像拼接算法进行了分析与研 究。首先介绍了图像拼接的原理与基本流程，然后从拼接流程的各个环节进行了详细说明， 对常用的匹配算法进行了比较分析，最后针对太阳能组件热图像的特点提出了基于动态模 板的匹配算法。 第五章，太阳能组件热斑检测系统软件实现。详细介绍了太阳能组件热斑检测系统的 软件实现过程。首先介绍了m i c r o s o rv i s u a lc + + 6 o ，并较为详细的介绍了运动控制卡函 数库与热像仪s d k 在v c 环境下的配置过程，然后详细的介绍了本软件的主要功能模块 及其实现代码，以及人机界面。最后介绍了系统自动检测的流程，并对系统进行了测试。 第六章，总结与展望。对本文的主要工作与研究成果进行了总结，指出系统仍存在的 问题及有待改进的地方。 6 2 太阳能组件热斑检测总体方案设计 2 太阳能组件热斑检测总体方案设计 2 1 系统需求分析 目前，在太阳能组件设计生产中，根据输出电压与功率的不同，会有各种不同的组件 板型，如图2 1 所示，对于尺寸较大的板型，在用红外热像仪获取太阳能组件完整的热图 像时，会遇到两种情况：为了尽可能扩大视场范围，就必须使红外热像仪处于与被测组件 相当远的距离，要保证被测大组件全部进入红外热像仪的视野，对热像仪光学系统提出了 过高的要求；获得的组件热图像上的像素点不可避免的较稀疏，分辨率低，无法将热斑区 分出来，达不到热斑检测的目的。 图2 1 组件板型 f i g 2 一lm o d u i et y p e s 大板型组件的检测通常的解决方法是：首先，按一定的规则用红外热像仪对组件采集 两幅( 或多幅，本文只考虑两幅) 图像；然后将它们拼接成一幅满足要求的完整组件热图 像，用于组件热斑的检测。在组件的设计与抽检中，一般是将红外热像仪固定于三脚架上， 通过移动组件来获取两幅热图像，然后将他们手动对接在一起，此种方法，耗时长，无法 实现生产线批量检测，而且获取的热图像中信息重复或缺少，对接缝隙明显，无法作为太 阳能组件的档案信息提供给用户。 本文所做的工作，就是设计一套可用于太阳能组件生产线的热斑检测系统，其对检测 效率与系统实用性提出了较高要求，具体性能指标需达到以下： ( 1 ) 开发的系统可用于生产线，检测效率高。 ( 2 ) 能检测常见板型，规格尺寸如表2 1 所示。 ( 3 ) 所获取的组件热图像完整清晰。 ( 4 ) 检测系统可以完成组件产品相关信息的存储与查询，要求系统人机界面友好， 易操作。 西安理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 设备运行安全可靠，操作工无触电危险。 表2 1 板型规格尺寸 t a b l e2 - 1p l a t et y p es i z e 规格( 单晶)尺寸( m m m m m m ) 1 0 w3 2 4 3 0 0 2 8 5 0 w7 2 0 5 5 2 3 0 1 0 0 w1 3 7 8 5 5 2x3 5 2 0 0 w1 5 8 0 8 0 8 3 5 2 8 0 w1 9 5 6 9 9 2 5 0 2 2 系统方案设计 本文通过运动控制卡+ 伺服驱动系统与丝杠传动系统，控制红外热像仪沿着x 轴与z 轴移动，获取两幅具有一定重叠区域的太阳能组件的热图像，然后通过引入精确、高效的 图像拼接技术，来得到高分辨率的完整的组件热图像。本系统的系统结构如图2 2 所示， 主要包括硬件和软件部分。硬件的实现见本文第三章，软件实现见本文第五章。 图2 2 系统结构 f i g 2 2s y s t e ms t r u c t u r e 2 太阳能组件热斑检测总体方案设计 在使用本系统对太阳能组件进行热斑检测时，主要分为以下步骤： ( 1 ) 将恒流电源正极连至待测组件负极，恒流电源负极连至待测组件正极。在恒流 电源的热激励下，组件内部将被加热，组件缺陷处( 即热斑位置) 的电池片作 为电阻消耗功率，并且发热严重，这时通过红外热像仪将会获得异常的太阳能 组件热图像。 ( 2 ) 通过z 轴伺服系统与传动系统控制红外热像仪处于组件上方某一位置。 ( 3 ) 通过x 轴伺服系统与传动系统精确控制红外热像仪至两个设定位置，获取有 重叠区域的两幅热图像。 ( 4 ) 通过本文中的拼接算法，将两幅图像拼接成完整的组件热图像后输出并保存。 ( 5 ) 检验员将根据该热图像判定组件合格与否，这样就达到组件检测的目地。 ( 6 ) 切断恒流电源，进行下轮检测。 2 3 组件热斑检测系统硬件平台设计 2 3 1 系统硬件功能需求 由于本系统是基于红外热成像技术与图像拼接技术的自动检测系统。在进行不同板型 组件检测时，需要控制红外成像仪的位置，同时，后期需要对热图像进行拼接，因此，对 系统功能提出如下要求： ( 1 ) 对太阳能组件的热激励应满足快速要求。 ( 2 ) 设置限位开关，确保红外热像仪在规定的运动范围内安全运行不掉落。 ( 3 ) x 轴与z 轴的位置以及运动速度可通过系统软件进行调节，调整范围在 o 3 0 c n l s ，并且各运动部件在规定的范围内安全运行。 ( 4 ) 屏蔽干扰光源，确保测试结果准确。在车问中存在各种光源，对组件的热激 励会有一定的影响，在系统设计时，应将系统检测台构建成暗室，保证测试 结果不受外界光线的影响。 ( 5 ) 红外热像仪沿着x 轴方向位置原点控制的要求。由于本文在进行图像拼接时 只考虑水平方向，没有涉及图像的旋转，所以应对水平度进行校准，减少拼 接误差。 ( 6 ) 红外热像仪获取的热图像可以在显示屏实时显示。 ( 7 ) 系统需具备手动控制与自动检测功能。 ( 8 ) 系统至少可保存六个月图像和数据。这对所选用的工控机的配置提出了要求。 2 3 2 系统硬件构成 根据系统功能要求，本文设计了图2 3 所示的系统，硬件由设备框架、可调恒流源、 红外热像仪、工控机、运动控制卡、x 轴与z 轴伺服驱动器、伺服电机、丝杠传动系统 等部件组成。 西安理工大学硕士学位论文 图2 3 设计效果图 f i g 2 - 3d e s i g nr e n d e “n g ( 1 ) 设备框架 设备框架是整个设备的支撑，其他硬件基本都附着于其上，其大小应满足检测最大板 型要求，并与生产线对接方便。框架采用6 0 6 0 的工业用铝合金型材，其外形尺寸为 4 2 0 0 2 4 0 0 2 1 0 0 。上部检测仓构建成暗室，暗室主要由不透光的黑色厚帆布包裹铝合金 框架组成，暗室完全覆盖运动部分。 ( 2 ) 可调恒流电源 选用不同的热激励方式，所带来的检测效率与检测结果将会有很大的区别。在具体应 用时，应综合考虑待测件的特性与我们对检测效率的要求，选择合适的方式，使待测件的 辐射能量呈现强度上的差别，这样就可通过该差异区分缺陷，它是红外热像检测技术的核 心部分。在本文中，根据太阳能组件的特性，以及对系统检测效率的要求，我们采用恒流 源对太阳能组件进行加热，相比模拟太阳光光源，组件升温较快，这样组件中的热斑也会 较快的显示出来，使检测效率更高。 本文选用上海日意的s p w m 系列可调型直流稳定电源，最大输出电压大于1 0 0 v ，最 大输出电流不小于2 0 a ，并且可以适应7 2 4 h 工作负荷，满足系统用于生产线的要求。 l o 2 太阳能组件热斑检测总体方案设计 电源具体参数如表2 2 所示： 表2 2 可调电源技术参数 t a b l e2 - 2a d j u s t a b l ep o w e r p a r a m e t e r s 厂商上海曰意 电源型号s p w m 系列 输入相数单相 输入电压 2 2 0 v 输入频率 5 0 h z 输出电压0 1 2 5 v ，稳定度s 1 输出电流 0 2 6 a ，稳定度三1 冷却方式风冷 尺寸( w d x h ) 4 8 2 6m mx6 0 0m mx2 6 6 7m m 重量3 0k g ( 3 ) 红外热像仪 人类肉眼无法区分温度信息，而红外热像仪的主要部件为红外探测器，它通过光敏器 件可获取辐射能量，并以不同颜色显示，这种颜色区别代表了不同的温度“。本文是要 完成对太阳能组件热斑的检测，而热斑的表现正是温度的差异。使用红外热像仪，可以不 接触、不损坏太阳能组件，又可以获取清晰的太阳能组件热图像。所以采用热像仪是本文 完成检测的前提n 。 本文采用f l i ra 3 2 0 热像仪，见图2 4 所示。该热像仪可与p c 机通过r j 4 5 接口实 现连接，其主要技术参数见下表2 3 所示。使用本红外热像仪可以获取清晰的太阳能组件 热图像，满足系统热斑检测对图像的要求。另外，为方便系统开发，购买了与该热像仪配 套的s d k 开发包。 图2 4 热像仪 f i g 2 4t h e n n o g r 印h y 西安理工大学硕士学位论文 表2 3f l i ra 3 2 0 主要技术参数 t 1 a b l e2 3f l i ra 3 2 0p a r a m e t e r s 视场角 2 5 。1 9 0 最小对焦距离 0 4m 焦距 1 8m m 空间分辨率 1 3 6m r a d 热灵敏度 7 0m k 探测器波长范围 7 5 1 3u m 探测器像元距离 2 5u m 测温范围 2 0 + 1 2 0 o + 3 5 0 精度 土2 或读数的士2 以太网类型1 0 0 m b p s 连接器类型 r j 一4 5 通讯基于f l i r 专有的t c p i p 协议 图像流 1 6 位3 2 0 2 4 0 像素 外部电源 1 2 2 4v d c ，2 4 w 最大额定值 重量 0 7k g 热像仪尺寸 1 7 0 7 0 7 0m m 基本安装 2 m 4 螺纹安装孔( 三面) ( 4 ) 工控机 本文考虑到系统使用环境中存在的震动，灰尘，电磁干扰等因素的影响，选用专门为 工业现场而设计的工控机( i p c ) 作为整个系统的核心。它承担着系统软件的运行、图像 拼接处理算法的实现，同时作为运动控制卡的载体，负责运动控制指令的发送与各个i o 信号的响应。综合考虑组件检测对于处理速度与热图像存储量的要求，本文选用研祥的工 控机作为控制核心，需要的配置情况如表2 4 所示： 1 2 表2 4 工控机参数 t a b l e2 - 4l p cp a r a 】n e t e r s 机箱研祥i p c 一6 8 0 56 槽标准工业级底板，防尘、散热、抗振 主板 f s c 1 8 1 4 v 2 n a c p u2 g h z 内存 1 g 显卡n v i d i ag e f o r c ef x 5 6 0 0 x t 硬盘 5 0 0 g 显示器 1 7 寸纯平 其他配置四个u s b 2 0 、两个串口、一个p s 2 键盘和p s 2 鼠标接口 外形尺寸 2 5 5 m m ( h ) 1 7 4 m m ( w ) x 3 9 7 m m ( d ) 2 太阳能组件热斑检测总体方案设计 ( 5 ) 运动控制卡 运动控制卡作为本文运动控制的核心部件，发挥着重要的作用，是基于i s a 总线或 p c i 总线，其核心由d s p 和f p g a 组成伽1 ，可以实现多轴协调运动和高速的点位运动。 并且提供了丰富的i 0 功能，配套有c 语言函数库和w i n d o w s 动态链接库，使开发控制 程序更加方便。 根据具体控制要求，我们选用深圳固高科技有限公司基于d s p 和f p g a 技术的两轴 p c i 运动控制卡，型号为g e 2 0 0 p g p c i g ，如图2 5 所示。本运动控制卡可控制两个轴 的步进或伺服电机运动，可满足对x 轴与z 轴的控制需求，并配套有丰富的运动库函数， 我们在开发运动程序时可调用这些函数，提高开发效率。 图2 5 运动控制卡 f i g 2 5m o t i o nc o n t r 0 1c a r d ( 6 ) x 、z 轴伺服驱动器与电机 x 轴驱动系统选用台达伺服驱动器a s d a 0 2 2 1 一a b ，该伺服驱动器采用了先进的控制 算法实现对电机的平滑控制。采用高分辨率编码器定位精度高，速度快。而且操作面板简 单，维护方便。相配套的伺服电机e c m a 一3 0 6 0 2 一e s ，功率为2 0 0 w 。z 轴驱动系统选用 东元伺服驱动器t s t a 2 0 c 、相配套的交流电机t s b 0 8 7 5 1 c ，功率为7 5 0 w ，因为z 轴竖 直安装，所以附带机械刹车功能。 ( 7 ) 丝杠传动系统 本文的运动控制系统要求传动灵敏平稳，传动精度高，定位准确。所以选用滚珠丝杠 传动，丝杠导程为1 0 m m ，满足系统要求。 2 4 组件热斑检测系统软件构成 本系统软件界面是在v i s u a l c + + 6 0 环境下开发的，系统操作环境为w i n d o w sx p 操作 系统。红外热像仪图像采集部分是在热像仪s d k 基础上完成的，运动控制是借助运动控 制卡配套的函数库实现精确的运动控制。根据本系统的特点，系统软件功能划分如图2 6 西安理工大学硕士学位论文 所示，运动控制模块、热图像采集模块、拼接算法实现模块与人机界面模块，具体功能与 实现见第五章。 图2 6 系统软件功能图 f i g 2 6s y s t e ms o r w a f ef u n c t i o n sd i a g r a m 2 5 本章小结 本章首先对用于太阳能组件生产线的热斑检测系统进行了需求分析，然后给出了总体 结构设计方案，介绍了系统硬件平台，并详细介绍了工控机、热像仪、运动控制卡、伺服 系统、恒流电源等硬件。 1 4 3 太阳能组件热斑检测系统硬件实现 3 太阳能组件热斑检测系统硬件实现 3 1 系统硬件设计 在太阳能热斑检测系统中，硬件运动控制功能主要实现热像仪x 轴与z 轴的运动控 制。本文采用“工控机+ 运动控制卡+ 伺服系统+ 丝杠传动”来实现。运动控制其结构框图 如下图3 1 所示。 x 轴丝杠 ，卜 x 轴伺服 x 带卜 l 传动 还 驱动器 动 控 制 卡 z 轴丝杠z 轴伺服 z 针卜 传动 驱动器 图3 一l 运动控制示意图 f i g 3 一lm o t i o nc o n t r o ld i a g r a m 3 1 1 运动控制器 目前常用的上位控制器通常有单片机系统、具有运动控制功能的p l c 、运动控制卡 等“。单片机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 是目前微型系统中广泛应用的上位控制器，它 集成度高、体积小，性价比高，具有丰富的i 0 控制功能，可完成现场的各种信号的控制， 但使用它构成系统时，外围电路较复杂，开发周期长，比较适合控制功能简单，批量较大 的场合。可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 作为上位控制器，由于其可靠 性高，抗干扰能力强等优点，梯形图编程简单，比较适合固定模式的运动控制，在工业领 域得到了广泛的应用。这两种上位控制方式都可以满足本系统的运动需求，但从系统整体 设计与软件功能实现方面而言，本文选用运动控制卡与工控机组合这种比较流行的运动控 制技术，更能满足系统需求。 工控机+ 运动控制卡作为上位控制器n 2 2 妇“柏，是整个运动控制系统的灵魂。它首 先通过内部算法将设定的位置等信息解析为相应的脉冲指令，然后将这些指令送到x 轴 与z 轴伺服驱动器中心，再由各轴伺服驱动器将功率放大后驱动所配套的伺服电机。伺 服电机通过某种传动系统，带动固定在平台上的红外热像仪运动。另外，运动控制卡与工 控机构成主从式结构，由工控机负责系统软件人机交互界面的显示，热图像实时与拼接后 的显示，拼接算法的实现等，而固高运动控制卡，安装在工控机p c i 槽中，与工控机c p u 的通讯是通过该p c i 总线进行的，它接收工控机的控制指令，具体的脉冲发送是由运动 控制卡的内部逻辑电路来实现的，另外x 轴与z 轴的限位信号与原点信号、系统的运行 西安理工大学硕士学位论文 开关信号与蜂鸣器信号也是由运动控制卡检测的。 在使用时先将固高运动控制卡插入到本工控机空闲的p c i 插槽中，然后取出购买产 品时附带的两条6 2 p i n 屏蔽电缆。按照图3 2 所示的工控机与运动控制卡、端子板的接线 示意图，将控制器与端子板连接起来，这样运动控制卡相关信号接在端子板中，方便后面 系统信号的连接。 g e 2 0 0 p g p c i g陟l 二= 二二厂 二二= 丁7 工控机主板 扁平电缆 i 连接板l屏蔽线 呈星芑刍兰刍 一n l 二二二二= = c n l oc n 4c n 9 口口口 吕三三洲6 端子板 口 二二二 c n 5 琦面丁惯 图3 2 端子板连接示意图 f i g 3 - 2t e 彻i n a l b o a r dc o n n e c t i o nd i a g r 砌 本文所选用的固高运动控制卡输出模式有模拟量模式和脉冲模式，可通过函数指令 g t _ c t r l m o d e ( ) 进行修改。对于脉冲输出模式又有脉冲+ 方向信号模式和正负脉冲信号模 式，这两种模式在编程时，可通过相关指令函数进行修改。本文选用脉冲+ 方向信号模式 的输出方式。 3 。1 。2 伺服系统 目前常用的电动驱动系统有两种，一种是本文所选用的交流伺服系统，另一种是步进 电机驱动系统，两者各有优缺点： 从精度方面，交流伺服电机配备了编码器，形成半闭环系统，精度较高。而步进电机 属开环控制，在启动停止时易出现丢步与过冲现象，在位置控制时难以保证精度“。 从系统响应能力方面，在相同功率下，交流伺服电机有较小的重量和体积，转子的转 动惯量小，响应快速。从静止加速到额定转速，步进电机耗时大约为伺服电机的几十倍甚 至上百倍。 从转速方面，交流伺服电机可高速旋转( 额定转速一般为3 0 0 0 印m 或2 0 0 0 r p m ) ，而 对于步进电机，转速仅仅为几百转，这是因为如果转速升高时，步进电机的力矩将会直线 下降。 从过载能力方面，交流电机具有较强的速度过载和转矩过载能力，其最大转矩有时可 达额定转矩的三倍，在启动或是存在惯性负载时，性能优越。而步进电机没有过载能力， 如要满足要求，在选型时需选取较大转矩的电机，在设备正常工作，力矩浪费较大。 1 6 3 太阳能组件热斑检测系统硬件实现 综上所述，交流伺服系统以其高精度、快速响应和高速度的特点，很好的满足了本系 统的设计要求，因此，本文选用交流伺服系统作为执行机构来实现运动控制。 在本文中，伺服系统作为中间桥梁，沟通着上位控制指令与机械传动部件，是运动控 制系统的重要组成部分，它的性能好坏，直接影响了热斑检测系统中红外热像仪运动的准 确性、快速性和稳定性。常用的伺服系统按照有无反馈及反馈位置可分为三类：开环、半 闭环和闭环伺服系统。其中从控制结构分析，半闭环和闭环系统是一致的，不同点在于闭 环系统是以机械运动部件为反馈点的，控制精度高于半闭环系统。但在使用中振动或是机 械结构等的变形会带来影响，系统的稳定性也会受到严重威胁。因此，目前使用最多的仍 为半闭环伺服系统。本文中，我们两轴运动均采用半闭环伺服系统，其中x 轴伺服系统 包括：台达伺服驱动器a s d a 0 2 2 1 a b 、相配套的伺服电机e c m a 3 0 6 0 2 一e s ，功率为2 0 0 w 以及安装在电机转轴上的增量式光电脉冲编码器。z 轴伺服系统包括东元伺服驱动器 t s t a 2 0 c 、相配套的交流电机t s b 0 8 7 5 l c ，功率为7 5 0 w ，附带机械刹车，以及光电脉 冲编码器。 ( 1 ) 驱动器参数设置 伺服驱动器一般有速度控制模式、位置控制模式、转矩控制模式乜铂三种不同的工作 模式。本文x 轴与z 轴都选择位置控制模式，通过接收运动控制卡发送的脉冲+ 方向信号 来进行精确控制。 x 轴伺服驱动器为台达伺服驱动器a s d a 0 2 2 1 a b ，其位置模式又包括p t 与p