鋰動力電池打包機的EtherNet控制系統(tǒng)設計

吳振鋒

（1.太原理工大學，山西太原 030024；2.中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）

鋰動力電池打包機的EtherNet控制系統(tǒng)設計

吳振鋒1,2

（1.太原理工大學，山西太原 030024；2.中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）

介紹了鋰動力電池極組封裝工藝和整個封裝工藝設備結構。為提高設備適應性、簡化控制系統(tǒng)結構、降低設備成本和維護費用，在控制系統(tǒng)中引入EtherNet/IP現(xiàn)場總線控制技術將各控制、檢測設備有機地聯(lián)系起來，通過組網(wǎng)、模塊設置和軟件配置的方法，實現(xiàn)了最初的設計要求。

動力電池；鋰電池；EtherNet/IP；現(xiàn)場總線

隨著能源危機和全球環(huán)境問題的日益突出，人們急需一種綜合性能好、材料來源廣泛的新興能源來代替目前廣泛使用的化石能源。在各種能源形式的競爭中，鋰動力電池組以其具有的高容量、工作溫度范圍寬、貯存壽命長、安全性好和無污染等特點，逐漸成為電動工具、電動自行車、照明、混合動力車及其他需要大電流充放電應用場合下不可替代的產(chǎn)品。因此鋰動力電池組及相關工藝生產(chǎn)設備的需求與日俱增。

在鋰動力電池組裝過程中，電池的快速包封是非常重要的工序。目前，電池廠商對電池的包封過程主要是半自動或人工手動完成，不僅無法提高包封速度，外力施加不均勻還可能導致內(nèi)部電極對隔膜的損傷，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障，從而直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。另一方面，員工人數(shù)的增多勢必造成管理上的困難，在安全管理和教育培訓上的投資不容小覷，而且隨著國內(nèi)外人工成本的上漲，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式在成本上也已經(jīng)喪失了競爭優(yōu)勢。

1 鋰動力電池包封工藝簡介

鋰動力電池生產(chǎn)工藝比較復雜，大致可分為極片制作、電池單元（電芯）制作和電池組裝三個工段。極片制作工藝包括制漿、涂布、輥壓、分切和極耳成型等工序，是鋰電池制造的基礎，因此對極片制造設備的性能、精度、穩(wěn)定性、自動化水平和生產(chǎn)效能等有著很高的要求；鋰離子電池單元制造工藝主要包括卷繞或疊片、裝殼、極耳及外殼焊接、注電解液等，各工序?qū)取⑿省⒁恢滦砸蠓浅８撸浑姵亟M裝工藝主要包括化成、分選、組裝等，電池的組裝是一門很重要的技術，它不僅涉及到對構成電池組的單體電池進行測試、分類、組合，還有對組裝后的電池組性能、可靠性測試與評估[1]。

鋰動力電池極組打包測試機隸屬于鋰電池生產(chǎn)工藝中的組裝測試設備之列，主要針對疊片好的極組實現(xiàn)膠帶包封，并對極組進行厚度測試、底部封邊效果視覺檢測。極組包封工藝流程如圖1所示。

首先電池極組以手動方式上料，經(jīng)傳輸帶送至上料工位，由上料部件水平推至打包平臺并進行定位整形；成卷的膠帶經(jīng)定長切割送至打包平臺，以平貼方式分別對極組的兩面進行包裹，然后完成極組兩側(cè)封邊及底部封邊；打包后的極組利用輥輪對包裹表面進行輥壓，然后經(jīng)打包下料部件推至測試工位，完成底部熱封、極組測厚、底部封邊視覺檢測，最后，根據(jù)測試結果將極組送到相應等級的下料工位分類存儲。

圖2 極組打包機整機結構圖

圖1 極組包封工藝流程

2 整機結構組成

極組打包測試機主要由極組上料、打包膠帶供應切割、極組打包輥壓、測厚及視覺檢測、分類下料等部件組成，如圖2所示。

本設備采用特殊機構保證了打包后極組不歪斜，不變形，膠帶表面平整不殘留氣泡，極組生產(chǎn)效率≥1.5ppm（是人工打包的2倍以上）。而且在產(chǎn)品一致性、質(zhì)量等級、良品率等方面有很大的提升。

3 極組打包測試機控制系統(tǒng)設計

采用工業(yè)PC處理圖像和PLC控制，底部包膠情況可在監(jiān)視器上顯示，具有產(chǎn)品測厚數(shù)據(jù)記錄并統(tǒng)計功能，便于產(chǎn)品的質(zhì)量追蹤管理；設備的各項工藝參數(shù)，可以通過觸摸屏設置和操作，方便客戶選擇不同的制作工藝。

設備采用國際主流的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，是近年來逐漸流行起來的一種工業(yè)通訊方式，不僅大幅提高了即時通訊的時效性，在成本控制上也有很大優(yōu)勢。

包封效果檢測采用視覺測量系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品的自動捕捉與識別判斷，處理速度快、測量判斷正確率高，環(huán)境適應性強。

厚度測量系統(tǒng)采用高精密接觸式厚度測試儀，該型號測試儀支持1 μm的測試精度，采用RS-232C協(xié)議通訊。

3.1 EtherNet總線

工廠設備網(wǎng)絡控制的理念已經(jīng)越來越被用戶所接受，傳統(tǒng)的基于RS485、CAN等總線的各種集散控制系統(tǒng)，由于其固有的缺陷，正逐漸被基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議EtherNet/IP( Ethernet Industrial Protocol)所取代。工業(yè)以太網(wǎng)總線和我們現(xiàn)在使用的局域網(wǎng)是一致的，它采用統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，避免了不同協(xié)議間通訊不了的困擾；它可以直接和局域網(wǎng)的計算機互連而不要額外的硬件設備，方便數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)的共享；它可以用IE瀏覽器訪問終端數(shù)據(jù)，而不要專門的軟件；可以和現(xiàn)有的基于局域網(wǎng)的ERP數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，特別適合遠程控制，配合電話交換網(wǎng)和GSM、GPRS無線電話網(wǎng)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集；它采用統(tǒng)一的網(wǎng)線，減少了布線成本和難度，避免多種總線并存。工業(yè)以太網(wǎng)總線正因為有諸多的優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了迅速的普及[2]。

3.2 EtherNet控制系統(tǒng)設計

本設備的主要控制與檢測系統(tǒng)包括：PLC控制系統(tǒng)、觸摸屏、2套視覺檢測系統(tǒng)、1套厚度測試儀、1臺用于存儲圖像、測試數(shù)據(jù)和設備監(jiān)控的工業(yè)電腦。由于本系統(tǒng)需要不斷地進行實時數(shù)據(jù)交換，除厚度測試儀與PLC之間采用RS232C協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換外，其他系統(tǒng)間通訊選用了時下廣泛使用、高效、低成本的EtherNet總線組成控制網(wǎng)絡。本系統(tǒng)交換機采用通用8口以太網(wǎng)交換機，設備控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖3所示。

圖3 EthereNet控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡配置

采用EtherNet總線通訊時，必須將各設備（包括調(diào)試設備用的電腦）的IP地址設置在同一網(wǎng)段，網(wǎng)關和端口號設置正確。比如本項目中使用了192.168.250.*網(wǎng)段。

以本項目為例介紹EtherNet總線網(wǎng)絡配置方法。

4.1 建立控制網(wǎng)絡結構圖

在觸摸屏的編程環(huán)境中建立控制網(wǎng)絡結構圖，網(wǎng)絡連接選擇以太網(wǎng)方式，如圖4。

圖4 控制網(wǎng)絡結構圖

在圖5結構圖中查看觸摸屏的屬性，將IP地址設置為：192.168.250.2；子網(wǎng)掩碼設置為：255.255.255.0；網(wǎng)關設置為0.0.0.0。

同樣在圖5結構圖中查看PLC的屬性，將IP地址設置為：192.168.250.1；“端口”設置為9600；“節(jié)點”設置為：1。

4.2 各設備IP地址設置

（1）將調(diào)試設備臨時用的電腦IP地址設置為 ： 192.168.250.140， 子 網(wǎng) 掩 碼 設 置 為 ：255.255.255.0.

（2）設置PLC單元的IP地址

對Ethernet選件板進行設定，首先必須對CPU單元的串行通信模塊CP1W-CIF41進行設定。將其IP地址設置為：192.168.250.1，子網(wǎng)掩碼設置為：255.255.255.0，Port設置為9600。詳細設置方法見參考文獻[3]。

（3）觸摸屏網(wǎng)絡配置

進入觸摸屏的設置界面，將IP地址設置為：192.168.250.2；Port設置為9600；子網(wǎng)掩碼設置為：255.255.255.0；網(wǎng)關設置為0.0.0.0。詳細設置方法見參考文獻[4]。

表1 節(jié)點地址“NODE ADR”設定開關設置

（4）將工業(yè)電腦IP地址設置為：192.168.250.4，子網(wǎng)掩碼設置為：255.255.255.0。

（5）通過視覺系統(tǒng)控制軟件將視覺系統(tǒng)1和視覺系統(tǒng)2的IP地址設置為：192.168.250.5和：192.168.250.6；子網(wǎng)掩碼設置為：255.255.255.0；網(wǎng)關設置為0.0.0.0。詳細設置方法見參考文獻[5]。

各單元設置好以后，在PLC的內(nèi)存區(qū)中有對應的字來實現(xiàn)對它的控制，不需要另外編程。在系統(tǒng)上電后各個單元會自動地被寫入掃描表，完成網(wǎng)絡連接。然后根據(jù)設置的IP地址和端口（Port）自動分配字地址，不同的節(jié)點對應不同的字地址。這樣，CPU對各個單元的讀寫操作就是讀寫存儲區(qū)，可以直接利用PLC本身的指令系統(tǒng)。

5 結束語

本控制系統(tǒng)采用工業(yè)現(xiàn)場總線EtherNet方式實現(xiàn)。各設備間的電氣連接只有主供電線纜和EtherNet網(wǎng)線，避免了昂貴和錯綜復雜的硬接線纜，相應的電氣元件使用數(shù)量也大大減少。整個控制系統(tǒng)采用交換機作為連接設備，可以很方便地接入通用以太網(wǎng)絡，便于日后客戶工廠自動化的集中監(jiān)控和遠程維護。

與客戶以往的手工生產(chǎn)模式相比，該項目的投入使用大大縮短了生產(chǎn)周期，單品生產(chǎn)周期由手工的70 s降到目前的45 s，節(jié)約用時35%以上。而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和外觀一致性大大提高，質(zhì)量等級顯著提高。

經(jīng)較長時間的生產(chǎn)運行，設備控制系統(tǒng)穩(wěn)定，維護方便，降本增效效果明顯，實現(xiàn)了最初的設計要求。

［1］桂長清.鋰電池生產(chǎn)制造工藝技術及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［2］李成鐵，顧德英，孟偉娟.EtherNet/IP在工廠信息化應用前景研究［J］.儀器儀表學報，2005，26（8）：825-829.

［3］OMRON.Ethernet Option Board Function Guide［Z］. 2011.

［4］OMRON.NB系列可編程終端NB-Designer用戶手冊［Z］.2011.

［5］Cognex Corporation.Checker?4G Communications and Programming Guide［Z］.2011.

Design of the EtherNet Control System on Li-ion Power Battery Encapsulation Packer

WU Zhen-feng1，2
（1.Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.The Second Research Institute of CETC，Taiyuan030024，China）

Briefly describe the process of power Li-ion battery pack encapsulation and the structure of the entire packaging process equipment.In order to reduce the cost and maintenance costs of equipments，simplify the structure of the control system，and improve the device adaptability，we contact the control unit，human-machine interface and the measure instruments together through the EtherNet/IP technology.In this paper we circumstantiate the methods of network structured，the networking module settings and software configuration of the EtherNet/IP fieldbus.The result is the performance of product is in full compliance with process standards through the actual application of corporate，and the initial design aims come true.

power battery；Li battery；EtherNet/IP；fieldbus

TP29

A

1009－9492(2014)07－0126－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.037

吳振鋒，男，1979年生，山西天鎮(zhèn)人，碩士，工程師。研究領域：電子專用設備電氣自動化控制。已發(fā)表論文5篇。

(編輯：向 飛)

2014－06－20