高速動力電池輥壓機厚度閉環控制系統的研究

劉振州

摘 要：近幾年動力電池的飛速發展，電池制造廠商對輥壓設備提出了更高的生產效率，更高的運行平穩性和產品的一致性。同時伴隨自動化技術的快速發展，尤其PLC控制技術，通訊技術，伺服控制技術在輥壓機上應用，使輥壓設備很好的滿足了電池廠商對設備廠商的要求，輥壓機的控制得到了進一步的發展。

關鍵詞：輥壓機；厚度閉環；AGV控制；張力控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.039

1 設備生產線的組成

電池一致性的要求，電池極片厚度最大誤差必須保持在+-2um以內，因此連續輥壓厚度控制是輥壓機控制的核心。在控制組成上，主輥機提供整條生產線的穩定線速度，放卷機和收卷機跟隨主機的線速度，同時保持穩定的張力。

1.1 放卷機的速度和張力控制

放卷機由放卷料軸，放卷料軸的直徑檢測傳感器，浮動輥裝置，浮動輥角度檢測傳感器，浮動輥氣缸，浮動輥氣缸電氣電磁閥，張力檢測傳感器，輔助過輥等組成。

在HMI上設定放卷張力值，通過數值轉換輸出到電氣比例閥，電氣比例閥控制浮動輥氣缸的氣壓大小，氣缸的力施加在極片上，張力傳感器檢測極片張力與HMI設定的張力值形成閉環，通過實時調整電氣比例閥的氣壓大小保證張力的穩定性。在放卷過程中，放卷張力系統工作在恒張力模式。

1.2 收卷機的速度和張力控制

收卷機構成和放卷機相同，也是由張力閉環和速度閉環構成，不同的是收卷張力是錐度張力。如果收卷張力采用恒張力控制，隨著卷徑的增大，收卷的表面張力不變，此時收卷中心料卷受到擠壓力越來越大，會形成卷芯變形或料軸中心材料起皺。因此收卷張力使用錐度張力控制模式，即收卷張力隨著卷徑的增大而減小，卷徑通過傳感器直接測量。

使用的收卷錐度張力公式如下。

T = T0×[1-K×（1-D0/D）]= T0×（1- K）+T0×K×（D0/D）。

T為實際的張力；T0為初始張力值；K為張力錐度系數，范圍為0-100%；D0為初始卷徑；D為實時卷徑；T0×（1-K）和T0×K都是常量。設定合適的初始張力和錐度系數可以到達良好的收卷錐度曲線。

2 液壓伺服系統與自動測厚控制系統的壓力閉環工作原理

2.1 軋制力閉環系統

該系統由PID調節系統，伺服閥，伺服閥放大器，油缸，壓力傳感器等組成。工作原理為：HMI設定的壓力值與油缸上的壓力傳感器形成閉環，PLC系統運算壓力環數據，伺服閥執行PLC的計算結果。

在液壓伺服系統中，伺服閥具有體積小，結構緊湊，功率放大系數高，控制精度高，直線性好，死區小，靈敏度高，抗干擾能力強，動態響應速度快等優點。但伺服閥結構比較復雜，造價高，對油的質量和清潔度要求高。

在高速輥壓過程中，快速響應壓力變化，控制輥壓過程中的液壓壓力穩定，保證壓力波動在目標壓力值的+-0.05MPa（或+-1T）。驅動側和操作側主缸壓力應用了軍工產品液壓伺服閥，高速響應調整壓力變化。實時在線檢測輥壓后的壓力變化，和高速響應的伺服閥形成壓力閉環，保證生產過程中極片厚度的一致性。變量油泵的使用，保證流量和壓力滿足設備工作需求。同時在液壓系統中應用了彎缸控制系統，起到了板形控制作用。

2.2 極片自動測厚儀厚度閉環工作原理

自動測厚儀測出極片厚度偏差，對偏差值進行數據分析，濾波，在極片縱向上形成左中右三組數據，數據傳輸到PLC控制系統，PLC根據設定好的數據模型（附數學模型），調整左側壓力，右側壓力。因為自動測厚儀安裝在軋機出口處一定的距離，此時測量的厚度數據和軋機中心線的厚度有滯后性。滯后時間T，長度L，速度V。根據公式計算出延時時間：

△t=△L/△V

由時間差計算出，調整壓力的滯后性。

輥縫差控制，即保證左右輥縫一致，防止極片由于左右厚度不一致導致的極片單邊波浪邊極片報廢或極片跑偏或斷帶。

2.3 測厚儀與輥縫閉環

自動測厚儀檢測極片厚度，與輥縫大小構成閉環，輥縫執行機構是伺服電機帶動的斜鐵，斜鐵的前后移動引起輥縫的大小變化，輥縫調整精度在1um。但是輥縫厚度閉環的缺陷明顯，主要反映為在輥壓加壓狀態下，調整輥縫會在斜鐵的絲杠上積攢彈性勢能，當液壓壓力釋放時，彈性勢能釋放引起斜鐵位置的移動，在下次液壓加壓時，輥縫與上次有變化，厚度不穩定。

3 AGC控制系統的硬件組成如圖所示

CPU選用三菱Q06UDE，網絡通訊塊選用QJ71BR11網絡模塊應用MC通訊協議與各機構建立通訊連接，模擬量輸入輸出選用Q68ADV和Q68DAV，Q61BT11N模塊通過CC-LINK 協議鏈接外部IO模塊，分布式控制，XXXX模塊通過光纖協議與伺服電機控制器建立通訊鏈接。

4 調試過程注意事項

針對設備調試過程中易出現的問題和現場使用中的環境，需要細致處理好下面的問題。

1）正確分配PLC程序地址。2）設備接地信號要合理處理。3）模擬輸入輸出信號的抗干擾處理。4）外部動力線和信號線分線槽鋪設。5）測厚系統與輥壓系統的滯后性處理等。

5 結語

本套電池極片輥壓機厚度閉環系統，2015年投入運行，已經輥壓出各種規格型號的動力電池極片，各項指標均達到工藝要求，平穩運行速度為120米/分鐘，到達年產值1兆瓦時。友好的人機操作界面和網絡化，數字化的控制系統，便于維護，大大提高了系統穩定性，提高了電池廠生產效率。

參考文獻：

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