Profibus診斷技術在鋰電池隔膜生產線上的應用

黃玉彥徐　森王道凱　王永華

(鄭州輕工業學院1，河南 鄭州　450002；河南新平科煙草機械有限公司2，河南 新鄉　453000)

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Profibus診斷技術在鋰電池隔膜生產線上的應用

黃玉彥1徐森2王道凱1王永華1

(鄭州輕工業學院1，河南 鄭州450002；河南新平科煙草機械有限公司2，河南 新鄉453000)

生產線溫度的精確度和運行速度的穩定性，將直接影響到鋰電池隔膜產品質量。為了提高整條生產線的穩定性及可靠性，采用Profibus現場總線技術，實現了生產流程的監視與現場設備的控制。在生產線安裝調試的過程中，綜合使用多種Profibus現場總線診斷技術，開發了鋰電池隔膜生產線實時網絡診斷系統。結果表明，該系統能夠使鋰電池隔膜生產線更加穩定、可靠地運行，并能及時、準確定位Profibus現場總線故障，解析故障原因。

現場總線ProfibusProfinet 工業以太網診斷鋰電池隔膜OPC Server

0　引言

隨著智能手機、平板電腦的快速增長，鋰電池市場不斷擴大。同時我國也是電動自行車生產大國和主要消費市場，電動自行車升級換代，為鋰電池在電動自行車上的應用提供了巨大的市場需求。在鋰電池中，隔膜是關鍵的內層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，將直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性。性能優異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用[1]。

近年來，現場總線技術被廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等其他自動化領域。干法雙向拉伸技術是一種重要的鋰電池隔膜的生產工藝。為了提高整個生產線的穩定性及可靠性，生產線采用Profibus現場總線技術，完成鋰電池隔膜生產線的監控和現場設備間的數據交互與設備控制。

1　鋰電池隔膜生產工藝

鋰電池隔膜是一種高附加值鋰電池材料，約占鋰電池成本的20%～30%。高性能的鋰電池隔膜一直被日本和美國所壟斷，其技術難點在于隔膜造孔的工程技術以及基體材料。基體材料包括聚丙烯、聚乙烯材料和添加劑[2]。

目前，聚烯烴隔膜生產工藝可分為干法和濕法兩大類，同時干法又可細分為單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝。

2　干法雙向拉伸生產線

干法雙向拉伸技術作為一種重要的鋰電池隔膜生產工藝，通過在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改進劑，利用聚丙烯不同相態間密度的差異，在拉伸過程中發生晶型轉變形成微孔，用于生產單層聚丙烯膜。

2.1生產線流程

鋰電池隔膜的主要性能有：厚度均勻性、力學性能(包括拉伸強度和抗穿刺強度)、透氣性能、理化性能(包括潤濕性、化學穩定性、熱穩定性、安全性)等四大性能指標[3]。干法雙向拉伸生產線對設備的自動化程度要求非常高，隔膜生產過程中有大量的溫度、壓力、速度、流量、濕度、料位、張力、卷經、位置、厚度、開關信號和模擬量信號需要控制和顯示。在生產過程中，生產工藝對速度和溫度的精度控制以及速度鏈的控制要求極高，速度和溫度的控制直接決定了薄膜的成孔率和厚度均勻性。鋰電池隔膜干法雙向拉伸生產線示意圖如圖1所示。

圖1　干法雙向拉伸生產線示意圖

2.2控制系統網絡架構

鋰電池隔膜干法雙向拉伸生產線采用了常見的現場總線系統網絡架構，鋰電池隔膜干法雙向拉伸生產線網絡架構圖如圖2所示。

圖2　干法雙向拉伸生產線網絡架構圖

系統管理監控層采用服務器/客戶機架構，服務器通過交換機與四個操作站以及控制層交換數據；同時，提供Web功能，方便管理層通過瀏覽器查看工廠信息。服務器和操作員站采用SIMATIC WinCC作為組態軟件，主要功能是從溫度控制站和速度控制站獲取現場設備運行狀態參數、查看和修改設備運行工藝參數、控制現場設備的啟動/停止等，以及記錄各種溫度和速度工藝參數，并實現各種數據分析和報表輸出。

溫度控制站和速度控制站采用SIMATIC S7-300作為控制層核心控制器，根據生產工藝要求，完成對生產線溫度和速度的精確控制。現場設備層為多個Profibus DP從站，通過Profibus總線，采集現場模擬量和開關量信號，與主站交換數據。

3　生產線實時網絡診斷系統

Profibus現場總線具有高速、低成本等特點，非常適合于設備級控制系統與分散式I/O的通信，用于現場設備層的高速數據傳送。主站周期性地讀取從站的輸入信息，并周期性地向從站發送輸出信息，總線循環時間必須要比主站(PLC)程序循環時間短[4]。除周期性用戶數據傳輸外，Profibus還提供智能化設備所需的非周期性通信(以進行組態)、診斷和報警處理等功能。同時，有多種Profibus現場總線診斷技術得到應用。在生產線安裝調試的過程中，綜合使用這幾種Profibus現場總線診斷技術。

3.1Profibus常用診斷技術

①PROFITrace。

PROFITrace是一款強大的移動式網絡分析儀，是Profibus網絡維護和故障診斷的基本工具，非常容易探測各種Profibus現場總線故障。同時，PROFITrace可以快速獲取Profibus總線運行系統的站點信息、站點通信通道電壓、信號通信波形、網絡拓撲結構、系統報文等信息[5]。

②PNIODiag。

西門子公司開發有診斷軟件包PNIODiag。通過該診斷軟件包，可以對 Profibus DP主站系統和 Profinet I/O 系統進行診斷評估。PNIODiag能夠提供以下功能：I/O系統的站狀態總覽；診斷中繼器的診斷顯示；站狀態的詳細顯示；觸發站的診斷事件等。在生產線調試過程中，PNIODiag結合STEP7軟件可以實時監視生產線網絡狀態。

③TH SCOPE。

TH SCOPE是一款Profibus、Profinet和工業以太網診斷軟件，需要通過TH LINK實現現場總線網絡接入[6-7]。TH LINK提供了接入多種現場總線網絡的通路，是TH SCOPE和TH OPC Server 的基礎，實現了車間監控層和現場設備層之間的有效連接，同時可以實時訪問Profibus和工業以太網網絡以及基本的網絡診斷信息。

TH SCOPE可以實時查看可接入的網絡信息和網絡中各自設備的狀態，利用趨勢面板，可以監測一段時間內的網絡質量，分析所有網絡的狀態和變化，并根據累積的網絡診斷信息，提供相應的診斷建議。TH SCOPE結合Profibus Scope軟件，可以深度分析生產線調試期間的Profibus網絡診斷信息，并細化網絡故障診斷；提供全面的Profibus網絡報文分析和錯誤記錄；全面分析Profibus標準診斷和指定設備的診斷報文；搜索、過濾、觸發、長期記錄Profibus報文。

3.2生產線實時網絡診斷系統

PROFITrace不能長時間實時在線監測系統總線，只能短時存儲報文數據，而且功能復雜，需要掌握專業的Profibus通信協議，適用于現場設備出現非常嚴重的通信故障時，臨時在線檢測生產線Profibus網絡故障。PNIODiag需要修改項目程序，常用于簡單地、直觀地顯示監控生產線Profibus網絡狀態，無法統計和分析現場網絡故障。PROFITrace和PNIODiag更適合解決生產線安裝、調試過程中出現的現場總線故障。

而TH SCOPE可以用于所有Profibus網絡的安裝、調試和運行過程。同時，TH SCOPE和TH LINK結合了PROFITrace和PNIODiag的優勢，無需掌握Profibus專業網絡協議知識，也無需更改原有項目程序，即可實現Profibus網絡的永久自我監測。因此，項目中以TH SCOPE軟件為基礎，開發了鋰電池隔膜生產線實時網絡診斷系統。

TH SCOPE作為診斷系統基礎軟件，安裝在單獨服務器上，與原有項目相隔離。在原有的Profibus網絡物理線路上，分別安裝TH LINK網絡接入設備，然后TH LINK通過現場交換機與TH SCOPE服務器相連。為了最小化改動原有網絡線路，只需要找到就近網絡節點的Profibus總線連接器，并替換為帶編程口的總線連接器，即可實現TH LINK網絡接入設備的安裝。這樣TH SCOPE服務器就可以實時獲取生產線中溫度和速度，控制主站的Profibus網絡狀態。

同時，多條生產線也可以共用一個TH SCOPE服務器。在每條生產線Profibus網絡的物理線路上，只需安裝TH LINK網絡接入設備，并連接到TH SCOPE服務器即可。這樣既能最大程度地節省系統成本、降低用戶投資，又能實現工廠車間級的生產線實時網絡診斷。 生產線實時網絡診斷系統配置如圖3所示。

圖3　生產線實時網絡診斷系統配置圖

3.3系統應用

在實際應用中，TH SCOPE服務器可以作為專用的診斷系統，只需要按照軟件操作說明，即可快速實現現場網絡運行狀態監控。同時，TH SCOPE本身也可以作為OPC Server，這樣TH SCOPE數據也可以很好地與組態軟件相集成，方便其他用戶查看現場數據和電氣維護。

為方便車間生產線用戶在操作員站查看現場網絡數據，本項目中的TH SCOPE 服務器作為生產線實時網絡診斷系統的OPC Server，為多條生產線提供了現場總線網絡診斷與統計數據。在車間生產線系統中，WinCC服務器作為OPC Client，通過交換機與OPC Server相連接，即可實現兩者之間的實時數據交互。

由于OPC Server和OPC Client安裝在不同的計算機上，OPC Client要實現遠程訪問OPC Server，需要對TH SCOPE 服務器進行DCOM配置，開放WinCC服務器相應的訪問權限[7]。同時，在生產線系統中，WinCC組態軟件需要配置OPC驅動連接程序，添加需要監控的變量，并創建相應的診斷參數畫面。

4　結束語

電動汽車是未來鋰電池的大市場。2013年，美國特斯拉公司在電動汽車市場獲得矚目成績。該公司預計2016年僅其一家公司需要的鋰電池用量將會超過目前全球3C市場鋰電池用量，全球電動車市場所需的鋰離子電池規模空前。鋰電池隔膜是一種高附加值鋰電池材料，直接影響著鋰電池的成本與價格。

干法雙向拉伸技術作為一種重要的鋰電池隔膜生產工藝，其生產線采用了Profibus現場總線技術。

Profibus總線穩定可靠運行，決定著生產線的溫度和速度控制精度，將直接影響鋰電池隔膜生產質量。本文介紹了幾種Profibus現場總線診斷技術，并開發了鋰電池隔膜生產線實時網絡診斷系統。該系統能夠及時、準確地定位生產線中Profibus總線出現的故障，給出故障的可能原因，以便快速排除故障，最大限度地降低損失。

[1] 劉會會，柳邦威.鋰電池隔膜生產技術現狀與研究進展[J].絕緣材料,2014,47(6):1-5.

[2] 劉春娜.鋰電池隔膜行業發展動態[J].電源技術,2015(4):657-658.

[3] 巫曉鑫,吳水珠,趙建青,等.鋰離子電池聚烯烴隔膜改性及功能化研究[J].合成材料老化與應用,2012,41(4):43-48.

[4] 王永華,VERWERA.現場總線技術及及應用教程[M].2版.北京：北京機械工業出版社,2012.

[5] 翟婉波,白焰.PROFIBUS現場總線在DCS中的常見故障分析與診斷方法[J].中國科技縱橫,2013(20):68-69.

[6] 韓順成,陳秋苑.統一監控、診斷、分析PROFIBUS、PROFINET和工業以太網[J].中國儀器儀表,2014(1):37-38.

[7] 田茂琴.OPC數據訪問服務器研究與應用[J].現代電子技術,2015,38(21)：72-75.

上海市高新技術領域基金資助項目(編號：15111106800)；

上海市社會發展領域基金資助項目(編號：16DZ1202500)。

Application of Profibus-based Diagnostic Technology in the Production Line of Lithium Battery Separator

In the production line of Lithium battery separator,accuracy of temperature control and stability of running speed directly affect the quality of products.In order to improve the stability and reliability of the whole production line,the Profibus field bus technology is used to implement monitoring of the production line and control of the field equipment.During installation and commissioning stages,several kinds of Profibus field bus diagnostic technologies are comprehensively used,and on such basis,the real time network diagnostic system is developed for the production line.The results show that the system can make the production line running more stably and reliably; as well as timely and accurately locates the fault of Profibus field bus,and analyzes the cause of the fault.

FieldbusProfibusProfinet Industrial ethernetDiagnosticLithium batterySeparatorOPC server

黃玉彥(1987—)，男，現為鄭州輕工業學院電氣工程專業在讀碩士研究生；主要從事工業控制網絡與系統的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609011

修改稿收到日期：2016-01-05。