吳振鋒

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

鋰動(dòng)力電池打包機(jī)的EtherNet控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳振鋒1,2

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

介紹了鋰動(dòng)力電池極組封裝工藝和整個(gè)封裝工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)。為提高設(shè)備適應(yīng)性、簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用，在控制系統(tǒng)中引入EtherNet/IP現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)將各控制、檢測(cè)設(shè)備有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)組網(wǎng)、模塊設(shè)置和軟件配置的方法，實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)力電池；鋰電池；EtherNet/IP；現(xiàn)場(chǎng)總線

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

在鋰動(dòng)力電池組裝過(guò)程中，電池的快速包封是非常重要的工序。目前，電池廠商對(duì)電池的包封過(guò)程主要是半自動(dòng)或人工手動(dòng)完成，不僅無(wú)法提高包封速度，外力施加不均勻還可能導(dǎo)致內(nèi)部電極對(duì)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(jì)效益。另一方面，員工人數(shù)的增多勢(shì)必造成管理上的困難，在安全管理和教育培訓(xùn)上的投資不容小覷，而且隨著國(guó)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1 鋰動(dòng)力電池包封工藝簡(jiǎn)介

鋰動(dòng)力電池生產(chǎn)工藝比較復(fù)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(gè)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(chǔ)，因此對(duì)極片制造設(shè)備的性能、精度、穩(wěn)定性、自動(dòng)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)?、效率、一致性要求非常高；電池組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(shù)，它不僅涉及到對(duì)構(gòu)成電池組的單體電池進(jìn)行測(cè)試、分類、組合，還有對(duì)組裝后的電池組性能、可靠性測(cè)試與評(píng)估[1]。

鋰動(dòng)力電池極組打包測(cè)試機(jī)隸屬于鋰電池生產(chǎn)工藝中的組裝測(cè)試設(shè)備之列，主要針對(duì)疊片好的極組實(shí)現(xiàn)膠帶包封，并對(duì)極組進(jìn)行厚度測(cè)試、底部封邊效果視覺檢測(cè)。極組包封工藝流程如圖1所示。

首先電池極組以手動(dòng)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(tái)并進(jìn)行定位整形；成卷的膠帶經(jīng)定長(zhǎng)切割送至打包平臺(tái)，以平貼方式分別對(duì)極組的兩面進(jìn)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(duì)包裹表面進(jìn)行輥壓，然后經(jīng)打包下料部件推至測(cè)試工位，完成底部熱封、極組測(cè)厚、底部封邊視覺檢測(cè)，最后，根據(jù)測(cè)試結(jié)果將極組送到相應(yīng)等級(jí)的下料工位分類存儲(chǔ)。

圖2 極組打包機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖1 極組包封工藝流程

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成

極組打包測(cè)試機(jī)主要由極組上料、打包膠帶供應(yīng)切割、極組打包輥壓、測(cè)厚及視覺檢測(cè)、分類下料等部件組成，如圖2所示。

本設(shè)備采用特殊機(jī)構(gòu)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(jí)、良品率等方面有很大的提升。

3 極組打包測(cè)試機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)厚數(shù)據(jù)記錄并統(tǒng)計(jì)功能，便于產(chǎn)品的質(zhì)量追蹤管理；設(shè)備的各項(xiàng)工藝參數(shù)，可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置和操作，方便客戶選擇不同的制作工藝。

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

包封效果檢測(cè)采用視覺測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)捕捉與識(shí)別判斷，處理速度快、測(cè)量判斷正確率高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

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

3.1 EtherNet總線

工廠設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制的理念已經(jīng)越來(lái)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(jì)算機(jī)互連而不要額外的硬件設(shè)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(wèn)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(kù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，特別適合遠(yuǎn)程控制，配合電話交換網(wǎng)和GSM、GPRS無(wú)線電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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?yàn)橛兄T多的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的普及[2]。

3.2 EtherNet控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)備的主要控制與檢測(cè)系統(tǒng)包括：PLC控制系統(tǒng)、觸摸屏、2套視覺檢測(cè)系統(tǒng)、1套厚度測(cè)試儀、1臺(tái)用于存儲(chǔ)圖像、測(cè)試數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)控的工業(yè)電腦。由于本系統(tǒng)需要不斷地進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，除厚度測(cè)試儀與PLC之間采用RS232C協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換外，其他系統(tǒng)間通訊選用了時(shí)下廣泛使用、高效、低成本的EtherNet總線組成控制網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)交換機(jī)采用通用8口以太網(wǎng)交換機(jī)，設(shè)備控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EthereNet控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

采用EtherNet總線通訊時(shí)，必須將各設(shè)備（包括調(diào)試設(shè)備用的電腦）的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段，網(wǎng)關(guān)和端口號(hào)設(shè)置正確。比如本項(xiàng)目中使用了192.168.250.*網(wǎng)段。

以本項(xiàng)目為例介紹EtherNet總線網(wǎng)絡(luò)配置方法。

4.1 建立控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在觸摸屏的編程環(huán)境中建立控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，網(wǎng)絡(luò)連接選擇以太網(wǎng)方式，如圖4。

圖4 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在圖5結(jié)構(gòu)圖中查看觸摸屏的屬性，將IP地址設(shè)置為：192.168.250.2；子網(wǎng)掩碼設(shè)置為：255.255.255.0；網(wǎng)關(guān)設(shè)置為0.0.0.0。

同樣在圖5結(jié)構(gòu)圖中查看PLC的屬性，將IP地址設(shè)置為：192.168.250.1；“端口”設(shè)置為9600；“節(jié)點(diǎn)”設(shè)置為：1。

4.2 各設(shè)備IP地址設(shè)置

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

（2）設(shè)置PLC單元的IP地址

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

（3）觸摸屏網(wǎng)絡(luò)配置

進(jìn)入觸摸屏的設(shè)置界面，將IP地址設(shè)置為：192.168.250.2；Port設(shè)置為9600；子網(wǎng)掩碼設(shè)置為：255.255.255.0；網(wǎng)關(guān)設(shè)置為0.0.0.0。詳細(xì)設(shè)置方法見參考文獻(xiàn)[4]。

表1 節(jié)點(diǎn)地址“NODE ADR”設(shè)定開關(guān)設(shè)置

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

（5）通過(guò)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(shè)置為：192.168.250.5和：192.168.250.6；子網(wǎng)掩碼設(shè)置為：255.255.255.0；網(wǎng)關(guān)設(shè)置為0.0.0.0。詳細(xì)設(shè)置方法見參考文獻(xiàn)[5]。

各單元設(shè)置好以后，在PLC的內(nèi)存區(qū)中有對(duì)應(yīng)的字來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制，不需要另外編程。在系統(tǒng)上電后各個(gè)單元會(huì)自動(dòng)地被寫入掃描表，完成網(wǎng)絡(luò)連接。然后根據(jù)設(shè)置的IP地址和端口（Port）自動(dòng)分配字地址，不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的字地址。這樣，CPU對(duì)各個(gè)單元的讀寫操作就是讀寫存儲(chǔ)區(qū)，可以直接利用PLC本身的指令系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本控制系統(tǒng)采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherNet方式實(shí)現(xiàn)。各設(shè)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(cuò)綜復(fù)雜的硬接線纜，相應(yīng)的電氣元件使用數(shù)量也大大減少。整個(gè)控制系統(tǒng)采用交換機(jī)作為連接設(shè)備，可以很方便地接入通用以太網(wǎng)絡(luò)，便于日后客戶工廠自動(dòng)化的集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)。

與客戶以往的手工生產(chǎn)模式相比，該項(xiàng)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(shí)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(jí)顯著提高。

經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)備控制系統(tǒng)穩(wěn)定，維護(hù)方便，降本增效效果明顯，實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)要求。

［1］桂長(zhǎng)清.鋰電池生產(chǎn)制造工藝技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)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(yīng)用前景研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，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(cè)［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(lǐng)域：電子專用設(shè)備電氣自動(dòng)化控制。已發(fā)表論文5篇。

(編輯：向 飛)

2014－06－20