锂动力电池打包机的EtherNet控制系统设计

吴振锋

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024）

锂动力电池打包机的EtherNet控制系统设计

吴振锋1,2

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024）

介绍了锂动力电池极组封装工艺和整个封装工艺设备结构。为提高设备适应性、简化控制系统结构、降低设备成本和维护费用，在控制系统中引入EtherNet/IP现场总线控制技术将各控制、检测设备有机地联系起来，通过组网、模块设置和软件配置的方法，实现了最初的设计要求。

动力电池；锂电池；EtherNet/IP；现场总线

随着能源危机和全球环境问题的日益突出，人们急需一种综合性能好、材料来源广泛的新兴能源来代替目前广泛使用的化石能源。在各种能源形式的竞争中，锂动力电池组以其具有的高容量、工作温度范围宽、贮存寿命长、安全性好和无污染等特点，逐渐成为电动工具、电动自行车、照明、混合动力车及其他需要大电流充放电应用场合下不可替代的产品。因此锂动力电池组及相关工艺生产设备的需求与日俱增。

在锂动力电池组装过程中，电池的快速包封是非常重要的工序。目前，电池厂商对电池的包封过程主要是半自动或人工手动完成，不仅无法提高包封速度，外力施加不均匀还可能导致内部电极对隔膜的损伤，产品质量得不到保障，从而直接影响产品的生产效率和经济效益。另一方面，员工人数的增多势必造成管理上的困难，在安全管理和教育培训上的投资不容小觑，而且随着国内外人工成本的上涨，传统的生产模式在成本上也已经丧失了竞争优势。

1 锂动力电池包封工艺简介

锂动力电池生产工艺比较复杂，大致可分为极片制作、电池单元（电芯）制作和电池组装三个工段。极片制作工艺包括制浆、涂布、辊压、分切和极耳成型等工序，是锂电池制造的基础，因此对极片制造设备的性能、精度、稳定性、自动化水平和生产效能等有着很高的要求；锂离子电池单元制造工艺主要包括卷绕或叠片、装壳、极耳及外壳焊接、注电解液等，各工序对精度、效率、一致性要求非常高；电池组装工艺主要包括化成、分选、组装等，电池的组装是一门很重要的技术，它不仅涉及到对构成电池组的单体电池进行测试、分类、组合，还有对组装后的电池组性能、可靠性测试与评估[1]。

锂动力电池极组打包测试机隶属于锂电池生产工艺中的组装测试设备之列，主要针对叠片好的极组实现胶带包封，并对极组进行厚度测试、底部封边效果视觉检测。极组包封工艺流程如图1所示。

首先电池极组以手动方式上料，经传输带送至上料工位，由上料部件水平推至打包平台并进行定位整形；成卷的胶带经定长切割送至打包平台，以平贴方式分别对极组的两面进行包裹，然后完成极组两侧封边及底部封边；打包后的极组利用辊轮对包裹表面进行辊压，然后经打包下料部件推至测试工位，完成底部热封、极组测厚、底部封边视觉检测，最后，根据测试结果将极组送到相应等级的下料工位分类存储。

图2 极组打包机整机结构图

图1 极组包封工艺流程

2 整机结构组成

极组打包测试机主要由极组上料、打包胶带供应切割、极组打包辊压、测厚及视觉检测、分类下料等部件组成，如图2所示。

本设备采用特殊机构保证了打包后极组不歪斜，不变形，胶带表面平整不残留气泡，极组生产效率≥1.5ppm（是人工打包的2倍以上）。而且在产品一致性、质量等级、良品率等方面有很大的提升。

3 极组打包测试机控制系统设计

采用工业PC处理图像和PLC控制，底部包胶情况可在监视器上显示，具有产品测厚数据记录并统计功能，便于产品的质量追踪管理；设备的各项工艺参数，可以通过触摸屏设置和操作，方便客户选择不同的制作工艺。

设备采用国际主流的以太网通讯协议，是近年来逐渐流行起来的一种工业通讯方式，不仅大幅提高了即时通讯的时效性，在成本控制上也有很大优势。

包封效果检测采用视觉测量系统，实现产品的自动捕捉与识别判断，处理速度快、测量判断正确率高，环境适应性强。

厚度测量系统采用高精密接触式厚度测试仪，该型号测试仪支持1 μm的测试精度，采用RS-232C协议通讯。

3.1 EtherNet总线

工厂设备网络控制的理念已经越来越被用户所接受，传统的基于RS485、CAN等总线的各种集散控制系统，由于其固有的缺陷，正逐渐被基于TCP/IP协议的以太网工业协议EtherNet/IP( Ethernet Industrial Protocol)所取代。工业以太网总线和我们现在使用的局域网是一致的，它采用统一的TCP/IP协议，避免了不同协议间通讯不了的困扰；它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备，方便数据在局域网的共享；它可以用IE浏览器访问终端数据，而不要专门的软件；可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，特别适合远程控制，配合电话交换网和GSM、GPRS无线电话网实现远程数据采集；它采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外得到了迅速的普及[2]。

3.2 EtherNet控制系统设计

本设备的主要控制与检测系统包括：PLC控制系统、触摸屏、2套视觉检测系统、1套厚度测试仪、1台用于存储图像、测试数据和设备监控的工业电脑。由于本系统需要不断地进行实时数据交换，除厚度测试仪与PLC之间采用RS232C协议进行数据交换外，其他系统间通讯选用了时下广泛使用、高效、低成本的EtherNet总线组成控制网络。本系统交换机采用通用8口以太网交换机，设备控制系统网络结构如图3所示。

图3 EthereNet控制系统网络结构图

4 系统网络配置

采用EtherNet总线通讯时，必须将各设备（包括调试设备用的电脑）的IP地址设置在同一网段，网关和端口号设置正确。比如本项目中使用了192.168.250.*网段。

以本项目为例介绍EtherNet总线网络配置方法。

4.1 建立控制网络结构图

在触摸屏的编程环境中建立控制网络结构图，网络连接选择以太网方式，如图4。

图4 控制网络结构图

在图5结构图中查看触摸屏的属性，将IP地址设置为：192.168.250.2；子网掩码设置为：255.255.255.0；网关设置为0.0.0.0。

同样在图5结构图中查看PLC的属性，将IP地址设置为：192.168.250.1；“端口”设置为9600；“节点”设置为：1。

4.2 各设备IP地址设置

（1）将调试设备临时用的电脑IP地址设置为 ： 192.168.250.140， 子 网 掩 码 设 置 为 ：255.255.255.0.

（2）设置PLC单元的IP地址

对Ethernet选件板进行设定，首先必须对CPU单元的串行通信模块CP1W-CIF41进行设定。将其IP地址设置为：192.168.250.1，子网掩码设置为：255.255.255.0，Port设置为9600。详细设置方法见参考文献[3]。

（3）触摸屏网络配置

进入触摸屏的设置界面，将IP地址设置为：192.168.250.2；Port设置为9600；子网掩码设置为：255.255.255.0；网关设置为0.0.0.0。详细设置方法见参考文献[4]。

表1 节点地址“NODE ADR”设定开关设置

（4）将工业电脑IP地址设置为：192.168.250.4，子网掩码设置为：255.255.255.0。

（5）通过视觉系统控制软件将视觉系统1和视觉系统2的IP地址设置为：192.168.250.5和：192.168.250.6；子网掩码设置为：255.255.255.0；网关设置为0.0.0.0。详细设置方法见参考文献[5]。

各单元设置好以后，在PLC的内存区中有对应的字来实现对它的控制，不需要另外编程。在系统上电后各个单元会自动地被写入扫描表，完成网络连接。然后根据设置的IP地址和端口（Port）自动分配字地址，不同的节点对应不同的字地址。这样，CPU对各个单元的读写操作就是读写存储区，可以直接利用PLC本身的指令系统。

5 结束语

本控制系统采用工业现场总线EtherNet方式实现。各设备间的电气连接只有主供电线缆和EtherNet网线，避免了昂贵和错综复杂的硬接线缆，相应的电气元件使用数量也大大减少。整个控制系统采用交换机作为连接设备，可以很方便地接入通用以太网络，便于日后客户工厂自动化的集中监控和远程维护。

与客户以往的手工生产模式相比，该项目的投入使用大大缩短了生产周期，单品生产周期由手工的70 s降到目前的45 s，节约用时35%以上。而且产品质量稳定性和外观一致性大大提高，质量等级显著提高。

经较长时间的生产运行，设备控制系统稳定，维护方便，降本增效效果明显，实现了最初的设计要求。

［1］桂长清.锂电池生产制造工艺技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］李成铁，顾德英，孟伟娟.EtherNet/IP在工厂信息化应用前景研究［J］.仪器仪表学报，2005，26（8）：825-829.

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

［4］OMRON.NB系列可编程终端NB-Designer用户手册［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

吴振锋，男，1979年生，山西天镇人，硕士，工程师。研究领域：电子专用设备电气自动化控制。已发表论文5篇。

(编辑：向 飞)

2014－06－20