新能源電池生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

隨著社會的快速發(fā)展以及社會主要矛盾轉(zhuǎn)化，新能源電池和新能源汽車逐漸走進(jìn)我們的日常生活。本文主要針對某新能源電池生產(chǎn)線，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際狀態(tài)及工藝生產(chǎn)需求，基于西門子PLC對新能源電池生產(chǎn)線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中的每個工作單元都可以組成一個獨(dú)立的系統(tǒng)，可以單獨(dú)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，通過硬件和軟件的交互作用，能夠使產(chǎn)線完成自動上料、自動堆疊、自動焊接、自動下線等功能。同時，本文著重介紹了如何利用傳感器、步進(jìn)電機(jī)、伺服系統(tǒng)、氣動和PLC的知識來設(shè)計(jì)自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的硬件模塊，如何根據(jù)要求設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件模塊,以及如何利用通訊來實(shí)現(xiàn)各模塊間的交互，從而實(shí)現(xiàn)新能源電池生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中的有條不紊。

1新能源電池生產(chǎn)線控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1新能源電池生產(chǎn)線系統(tǒng)需求分析

對于電池制造企業(yè)來說，電池的生產(chǎn)和客戶訂單的及時交付是企業(yè)生存的關(guān)鍵，而生產(chǎn)線是實(shí)現(xiàn)上述要求的基礎(chǔ)。新能源電池生產(chǎn)線采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，單元間可以實(shí)現(xiàn)安裝便捷，并能夠獨(dú)立工作，通過各工序的來料單元化、模塊化的工藝，在生產(chǎn)過程中便于模組生產(chǎn)快速換型。以某新能源電池生產(chǎn)商為例，該新能源電池生產(chǎn)線為模組裝配線體，有多個工序組成，每個工序需要完成不同的生產(chǎn)任務(wù)，其主要的生產(chǎn)工序大致可分為電芯分選工序、物料上線工序、模組堆疊工序、組裝工序、靜置工序、下料工序。

1.2功能需求

本系統(tǒng)旨在提高電池生產(chǎn)線的自動化管理水平，打造監(jiān)控系統(tǒng)平臺，打造人性化的操作界面，操作人員可以通過觸摸屏的報(bào)警進(jìn)行故障識別，并及時了解實(shí)際生產(chǎn)狀況，間接的控制了生產(chǎn)過程，并能夠便捷的通過程序提示的報(bào)警做出快速響應(yīng)。通過監(jiān)控系統(tǒng)，以往人工傳輸?shù)挠涗洈?shù)據(jù)將被通過高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南到y(tǒng)報(bào)告所取代，在一定程度上提高了各部門人員的工作效率。該系統(tǒng)具有以下主要功能：用戶登錄、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)集成。

1.3性能需求

由于本系統(tǒng)屬于基于PLC的自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，實(shí)時性是衡量本系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵因素，其好壞將直接決定操作人員的體驗(yàn)，因此有必要提高系統(tǒng)實(shí)時性。決定實(shí)時系統(tǒng)性能的因素有兩個：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)采集方面，不僅提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時PLC信號，客戶端還需精確的讀取PLC存儲的數(shù)據(jù)，并提供服務(wù)器端的數(shù)據(jù)監(jiān)控；數(shù)據(jù)傳輸需要通過多網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)傳輸，包括現(xiàn)場設(shè)備的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)，所以或多或少都會有延遲，且導(dǎo)致延遲的因素很多。

1.4安全需求

任何一套軟件系統(tǒng)或是硬件系統(tǒng)都是必須考慮其安全性。由于系統(tǒng)是在局域網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，因此，只需知道網(wǎng)絡(luò)端口以及所對應(yīng)的IP地址，即可通過互聯(lián)網(wǎng)或是局域網(wǎng)進(jìn)行訪問，存在一定的安全隱患。同時，數(shù)據(jù)在傳輸過程中，也是有可能無法精確的傳輸，或是無法及時、快速的傳輸。因此無論是從網(wǎng)絡(luò)安全角度來考慮，還是從信息安全的角度來考慮，安全性在信息傳輸?shù)倪^程中都是需要加強(qiáng)管控的。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)組成

自動生產(chǎn)線由供料單元、輸送單元、裝配單元、加工單元、搬運(yùn)單元五大單元組成。五大單元之間由PLC通信控制，彼此之間相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系，通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動生產(chǎn)線的控制功能。

2.2控制系統(tǒng)主要功能

（1）供料單元主要功能

供料單元是整個生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的起始單元，在整個控制系統(tǒng)中能夠給其他單元提供物料。按照物料需求，將放置在上料位的物料輸送至生產(chǎn)線，以便于輸送單元的機(jī)械手將其自動抓取，并準(zhǔn)確有序的輸送至其他的工作單元。

（2）輸送單元主要功能

輸送單元是整個生產(chǎn)線的“血液”，該單元通過供料單元所觸發(fā)的信號，上料臺進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并在上料臺進(jìn)行物料抓取動作，通過機(jī)械手或物流線將物料輸送至指定的位置后放下。同時輸送單元能夠接收來自感應(yīng)器、按鍵等模塊的系統(tǒng)指令信號，通過PLC傳輸信號感應(yīng)物料狀態(tài)，加以綜合后，向各個從站發(fā)出控制要求，從而達(dá)到協(xié)調(diào)整個生產(chǎn)線系統(tǒng)的工作。

（3）裝配單元主要功能

裝配單元能夠?qū)δ＝M電池側(cè)板、端板、絕緣罩、緩沖墊這些物料與新能源電池進(jìn)行組裝成型，不僅能夠獨(dú)立工作，還能夠和其他的工作單元實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，從而使生產(chǎn)線的整個運(yùn)行過程中形成一個整體。

（4）加工單元主要功能

加工單元是對模組進(jìn)行整形后的整體加工，通過側(cè)縫焊接從而使模組完成初成型。加工過程中通過傳感器對模組到位信號進(jìn)行自動識別，并通過與工業(yè)機(jī)器人、模組焊接平臺等配合，實(shí)現(xiàn)模組的自動焊接以及計(jì)數(shù)管理。加工單元具備各種自動測量和過程監(jiān)控功能，確保在進(jìn)行加工成型的同時保證產(chǎn)品的精度及良率。

（5）搬運(yùn)單元主要功能

搬運(yùn)單元主要是指KUKA機(jī)器人的工作流程，KUKA機(jī)器人能夠在整個生產(chǎn)過程中改變電池、物料的空間位置和存放狀態(tài)。搬運(yùn)單元是整個生產(chǎn)線自動控制過程中不可或缺的重要組成部分，是各個生產(chǎn)工序的物流樞紐，影響著生產(chǎn)線的物流活動和物流速度，在整個搬運(yùn)過程中關(guān)系到直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)品的安全。

五大生產(chǎn)單元在整個新能源電池制造中，通過PLC進(jìn)行信號交互及控制，彼此之間緊密配合、相輔相成，每個單元都是缺一不可的。

3新能源電池生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

新能源電池生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要是為完成硬件平臺的搭建工作，就像人的神經(jīng)系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)、感官系統(tǒng)等。

3.1新能源電池生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)組成

針對新能源電池生產(chǎn)線的現(xiàn)狀，為提高系統(tǒng)兼容性，在對新能源電池生產(chǎn)過程的研究和生產(chǎn)管理人員需求分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了PLC監(jiān)控系統(tǒng)。本電池生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)中引入分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，根據(jù)功能和硬件結(jié)構(gòu)的不同，采用三層結(jié)構(gòu)開發(fā)電池生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

通過對現(xiàn)場設(shè)備和工藝流程的考察，模組電池生產(chǎn)線是通過接收各工序間的感應(yīng)信號對模塊進(jìn)行有效的監(jiān)控和控制。從控制系統(tǒng)的規(guī)模來看，模組生產(chǎn)線屬于較大型的控制系統(tǒng)，因此在產(chǎn)線設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮節(jié)約設(shè)計(jì)的成本。為此，選擇西門子PLC控制系統(tǒng)作為模組電池生產(chǎn)線的主控系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定的在不同的環(huán)境下運(yùn)行，并且PLC的操作流程相對較為簡單，能夠與現(xiàn)場總線、上位組態(tài)軟件等相互結(jié)合。

4新能源電池生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

新能源電池生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在整個控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也是十分重要的一個板塊。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件時，考慮到軟件系統(tǒng)的可靠性、兼容性、界面的易用性和軟件系統(tǒng)功能的完備性。

4.1用戶程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

編程語言可以依據(jù)操作人員的習(xí)慣，對語句表、功能塊圖和梯形圖三者進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)樵谶M(jìn)行新能源電池生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，梯形圖能夠更加直觀的展現(xiàn)程序邏輯，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時選用梯形圖的形式進(jìn)行程序編寫。SIMATICSTEP7V16在編寫程序的過程中具有模塊統(tǒng)一化、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一化的特點(diǎn)。它能夠?qū)⒉煌δ艿某绦蛟谝粋€模塊中進(jìn)行封裝，在后續(xù)使用或編寫時能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)用，從而快速對工藝路線進(jìn)行編寫設(shè)置，因此在進(jìn)行程序測試、程序更新時就會變繁為簡，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的快速更新?lián)Q型。新能源電池生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)部分程序的組織塊（OB）、函數(shù)塊（FB）、函數(shù)（FC）、數(shù)據(jù)塊（DB）。

4.2全局界面設(shè)計(jì)

新能源電池生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的全局畫面可以展現(xiàn)整個生產(chǎn)線的模組電池生產(chǎn)流程，現(xiàn)場人員可以通過全局畫面所反饋的信息掌握生產(chǎn)狀態(tài)。首先，電池通過物流線輸送至生產(chǎn)車間，通過OCV測試對電池的內(nèi)阻和電壓進(jìn)行測試，選取狀態(tài)OK的電池進(jìn)行投料，KUKA機(jī)器人通過上料臺對生產(chǎn)物料進(jìn)行抓取，與清洗、涂膠后的電池一同放置在堆疊臺進(jìn)行模組電池的堆疊。其次，經(jīng)側(cè)縫焊接工藝將模組電池至于模組靜置區(qū)域進(jìn)行模組靜置，待靜置20分鐘后，完成模組下線。在生產(chǎn)過程中現(xiàn)場操作人員可以通過觸摸屏下方的各個功能塊切換不同的組態(tài)畫面，利用事先設(shè)置好的三級權(quán)限，登錄對應(yīng)權(quán)限可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的修改。另外，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具有手動模式和自動模式，通過點(diǎn)擊界面中“自動”按鈕，可以進(jìn)入手自動切換畫面。出于安全考慮，系統(tǒng)默認(rèn)手動方式為原始狀態(tài)，必須點(diǎn)擊屏幕中的“自動”才能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在“自動”模式下，界面內(nèi)的手動按鈕均無法進(jìn)行操作。反之，在“手動”模式下，設(shè)備的狀態(tài)能夠通過點(diǎn)擊屏幕實(shí)現(xiàn)動作。

4.3生產(chǎn)工序界面設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的全局界面點(diǎn)擊相應(yīng)的虛擬圖標(biāo)，即可進(jìn)入對應(yīng)工序界面，如點(diǎn)擊“1#焊接圖標(biāo)”，組態(tài)界面會進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，使得操作人員可以對模組電池的焊接過程進(jìn)行操作及實(shí)時監(jiān)控。

5新能源電池生產(chǎn)線控制系統(tǒng)調(diào)試

在完成程序及組態(tài)界面設(shè)計(jì)后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以滿足產(chǎn)線所需，新能源電池生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)調(diào)試流程包括四個步驟：

系統(tǒng)硬件連接：在對系統(tǒng)硬件連接前，首先需要按照規(guī)劃圖將對應(yīng)的硬件設(shè)備放置于對應(yīng)區(qū)域。硬件連接時，要確保設(shè)計(jì)的接線圖準(zhǔn)確無誤，避免誤接、錯接發(fā)生，連接完畢后，對數(shù)據(jù)采集設(shè)備與I/O點(diǎn)、生產(chǎn)設(shè)備與PLC控制器的接線進(jìn)行檢查，確保連接正確且牢固。

軟件程序下載：選中設(shè)計(jì)好的新能源電池生產(chǎn)線項(xiàng)目，打開博途V16，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的IP地址進(jìn)行設(shè)置，最后將控制程序及組態(tài)下載到S7-1200PLC中。

系統(tǒng)通訊測試：確保PLC通信模塊與上位機(jī)的IP在一個網(wǎng)段，通過以太網(wǎng)連接成功后，通過“ping”檢查通訊建立是否正常。

系統(tǒng)綜合調(diào)試：由于在對生產(chǎn)線改造時存在更換設(shè)備位置及引入新設(shè)備的情況，所以在生產(chǎn)之前要對KUKA機(jī)器人的點(diǎn)位進(jìn)行重新調(diào)整，完成對點(diǎn)后，以手動本地狀態(tài)的方式對產(chǎn)線進(jìn)行試運(yùn)行，經(jīng)過設(shè)備點(diǎn)位精調(diào)及元器件排查后，再以自動方式進(jìn)行試運(yùn)行，運(yùn)行無異常后即可將設(shè)備運(yùn)行速度提升至100%，以滿足產(chǎn)能所需。

6結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的新能源電池生產(chǎn)線在硬件方面將上料及堆疊板塊改造為雙工位，焊接板塊在原有邏輯基礎(chǔ)上增加了長度方向上的防呆，提高了產(chǎn)線節(jié)拍及安全系數(shù)；在軟件方面涂膠計(jì)量系統(tǒng)中，采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法，設(shè)計(jì)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，實(shí)現(xiàn)了涂膠計(jì)量系統(tǒng)的出膠穩(wěn)定性和精確性，有效提高了產(chǎn)品的良率。

文章來源： 《上海輕工業(yè)》   http://00559.cn/w/kj/30978.html