朱 超 楊建國(guó) 周 虎

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

鋅銀電池負(fù)極片具有比能高、工作電壓穩(wěn)定、放電電流大等優(yōu)點(diǎn)，是高性能電池的重要組成部分，廣泛用作火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等航空航天設(shè)備的電源。目前負(fù)極片成型多采用手工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，且生產(chǎn)原料中含有汞等有毒成分，嚴(yán)重危害工人健康。負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線的開發(fā)，能有效避免工人和有毒有害物質(zhì)接觸，改善操作人員勞動(dòng)條件，另外對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，進(jìn)一步提升我國(guó)的國(guó)防力量，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)以上所述負(fù)極片生產(chǎn)特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于PLC的負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有控制可靠、操作簡(jiǎn)便、開放性強(qiáng)和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。下文將分別從工藝流程控制、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)硬件以及軟件設(shè)計(jì)等方面對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行全面闡述。

1 生產(chǎn)工藝流程控制

目前，負(fù)極片的生產(chǎn)方式為多規(guī)格、小批量、連續(xù)性生產(chǎn)，主要包括10道工序，具體依次為稱粉攪拌、鋪紙、放模、涂下層膏、鋪布?jí)褐?、揭布放置銀網(wǎng)骨架、涂上層膏、鋪布?jí)褐?、脫模、包裝。通過基于PLC的控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊中各工序之間的協(xié)調(diào)與配合，從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備的協(xié)調(diào)和連續(xù)性作業(yè)。圖1所示為負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線的工藝流程控制圖。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，一個(gè)完整的循環(huán)工序是:模切機(jī)模切包裝紙→取放紙機(jī)械手將包裝紙放置在生產(chǎn)線的托板上→通過取放模機(jī)械手將?？驈母本€上吸取并放置在包裝紙上→自動(dòng)涂膏機(jī)械手1和海霸泵1涂下層膏→揭布機(jī)1鋪布、壓制成型機(jī)1壓制下層膏→自動(dòng)取放網(wǎng)機(jī)械手取放銀網(wǎng)骨架→涂膏機(jī)械手2和海霸泵2涂上層膏→揭布機(jī)2鋪布、壓制成型機(jī)2壓制下層膏成型→脫模機(jī)械手脫模并將?？蚍旁诟本€上→自動(dòng)包裝機(jī)包裝極片→負(fù)極片成品輸出。

2 控制系統(tǒng)要求

在提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、降低運(yùn)行成本等理念下，該控制系統(tǒng)具體技術(shù)要求為:

(1)能夠根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)控制流程，對(duì)各邏輯關(guān)系、順序等進(jìn)行精確控制，使各道工序有條不紊互相協(xié)調(diào)運(yùn)行;

(2)根據(jù)一個(gè)循環(huán)過程中主流水線、副流水線、涂膏機(jī)械手、取放包裝紙、取放?？颉⑷》陪y網(wǎng)等節(jié)拍，合理分配各工序間的時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率;

(3)保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面時(shí)刻監(jiān)視生產(chǎn)流程，對(duì)事故隱患進(jìn)行預(yù)警，對(duì)故障報(bào)警并具有急停功能;

(4)在滿足生產(chǎn)線控制要求的前提下，應(yīng)該盡可能使系統(tǒng)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、易于維護(hù)，控制系統(tǒng)各參數(shù)可調(diào)。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)和相關(guān)外圍設(shè)備結(jié)合的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，總體分監(jiān)控房和控制現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)又分為現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)兩部分。

3.1.1 觸摸屏控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)控制采用臺(tái)達(dá)DOP－B07S211彩色觸摸屏。觸摸屏界面主要設(shè)計(jì)了手動(dòng)操作和自動(dòng)操作界面，其中，自動(dòng)操作界面可以通過自動(dòng)工作參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行;手動(dòng)操作界面可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各個(gè)模塊的單工位、單工序的運(yùn)行。另外現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏還設(shè)置了故障隱患預(yù)警以及故障報(bào)警等功能。

3.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)采用研華610L工控機(jī)(IPC)，加配一塊MOXA CP－168U多串口卡，另配DELL 17英寸彩色顯示器。工控機(jī)(IPC)上裝有組態(tài)軟件“組態(tài)王KINGVIEW 6.53”，它是亞控公司開發(fā)的工業(yè)通用組態(tài)控制軟件，其自帶多種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，可很好地與下位機(jī)PLC進(jìn)行通訊。

3.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)

下位機(jī)控制系統(tǒng)主要由1個(gè)三菱公司生產(chǎn)的FX2N－48MR－001型PLC、6個(gè)FX1S－30MT型 PLC和外圍設(shè)備組成，包括CPU基本單元、擴(kuò)展I/O架、I/O連接電纜等，PLC內(nèi)插H52107A CPU型通訊模塊。下位機(jī)PLC通過自帶的COM口(RS－232)與組態(tài)王進(jìn)行有線通訊，通過內(nèi)插通訊模塊COM口(RS－422)與上位機(jī)觸摸屏通訊。

FX2N－48MR－001型PLC作為主站PLC，它主要控制各個(gè)子站PLC(PLC0－PLC5)之間的協(xié)調(diào)與配合、報(bào)警輸出、元件執(zhí)行以及傳感器、限位開關(guān)的檢測(cè)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)整體流程控制;FX1S－30MT型PLC構(gòu)成的子站PLC主要用于控制各個(gè)工位具體動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。具體是:PLC0控制主副線運(yùn)行，PLC1控制脫模機(jī)械手，PLC2控制取放網(wǎng)機(jī)械手，PLC3控制取放模機(jī)械手，PLC4控制取放紙機(jī)械手，PLC5控制揭布機(jī)。另外，除各子站PLC與主站PLC有通訊外，各子站PLC之間也有相互通訊。

3.3 重要的外圍設(shè)備

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和繼電器為系統(tǒng)重要的外圍設(shè)備。由于取放紙機(jī)械手和取放網(wǎng)機(jī)械手移動(dòng)距離較長(zhǎng)，且要求速度可調(diào)，故選用了YAKO電機(jī)公司制造的YKA2404MA型兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器為一種采用雙極性恒流斬波驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高性能步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，廣泛用于2.0 A/相電流以下兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，輸出電流可設(shè)置降至較低值，從而可以減少機(jī)械手電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的發(fā)熱。主流水線驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻繁且動(dòng)作要求準(zhǔn)確、可靠性高，故選用了Schneider電氣公司生產(chǎn)的LCI－D接觸器和LRZ－D熱過載斷路器作為低壓控制電器。由于使用了TE的專用技術(shù)，接觸器的電氣壽命和機(jī)械壽命兩大指標(biāo)均達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)，其性能優(yōu)良可靠，元件壽命長(zhǎng)，故障率極低，并在接觸器兩端并接阻容吸收電路以吸收浪涌電流，減少觸頭起弧，使用效果十分理想。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序設(shè)計(jì)過程

該控制系統(tǒng)中輸入輸出、檢測(cè)反饋元件和執(zhí)行元件種類和數(shù)量較多，是一個(gè)較為復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，將系統(tǒng)分為各個(gè)不同模塊單獨(dú)進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行邏輯整合。整個(gè)設(shè)計(jì)過程大致包括系統(tǒng)分析階段，通訊區(qū)、I/O分配階段，總體設(shè)計(jì)階段，模塊設(shè)計(jì)階段，程序編制階段和程序調(diào)試階段。

系統(tǒng)分析階段，主要考慮負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用何種解決方案以及采用何種PLC進(jìn)行控制;通訊區(qū)、I/O分配階段，主要將系統(tǒng)工藝各輸入、輸出量分配給PLC的各I/O，定義各I/O的作用，并據(jù)此填寫變量表，在主站和子站之間設(shè)置通訊區(qū)，將以上配置組態(tài)并下載到PLC中;總體設(shè)計(jì)階段，將程序大致劃分為主站程序和子站程序，并分別將其劃分為若干模塊，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)功能，并定義通訊區(qū)各字段的大致含義;模塊設(shè)計(jì)階段，主要是在總體設(shè)計(jì)劃分的各個(gè)模塊內(nèi)部，根據(jù)相應(yīng)部分生產(chǎn)工藝的要求，分析各輸入、輸出量與各操作之間的邏輯關(guān)系，確定進(jìn)行檢測(cè)的內(nèi)容和控制的方法，并設(shè)計(jì)出各設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序，進(jìn)而根據(jù)結(jié)果設(shè)計(jì)出程序流程，這是程序設(shè)計(jì)過程中最為復(fù)雜的一環(huán)，需要對(duì)工藝流程深刻理解;程序編制階段，按照細(xì)化設(shè)計(jì)，選擇合適的編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，確保語(yǔ)法和文檔的正確;程序調(diào)試階段，重點(diǎn)要注意程序能否按設(shè)計(jì)的要求運(yùn)行，各種必要的功能是否具備，發(fā)生意外情況時(shí)能否及時(shí)作出正確的響應(yīng)等問題。

經(jīng)過測(cè)試、修改之后，如果程序基本正確，下一步就可到現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行，進(jìn)一步看系統(tǒng)的整體效果還有哪些地方需要完善。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行之后，如果系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，就證明程序已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 程序設(shè)計(jì)

按照上述設(shè)計(jì)過程，將控制系統(tǒng)運(yùn)行方式分為手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩部分。其中，手動(dòng)運(yùn)行方式可以通過對(duì)上位機(jī)上簡(jiǎn)單設(shè)置實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的單獨(dú)手動(dòng)控制操作;自動(dòng)運(yùn)行方式采用順序控制方法，能對(duì)各邏輯關(guān)系、順序等進(jìn)行精確控制，使各道工序有條不紊互相協(xié)調(diào)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖3所示。

負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線由主流水線和副流水線兩部分構(gòu)成，主流水線各個(gè)工位依次安裝有取紙機(jī)械手、取放模機(jī)械手、壓機(jī)1、取放網(wǎng)機(jī)械手、壓機(jī)2、脫模機(jī)械手;副流水線上取放模機(jī)械手和壓機(jī)1間裝有涂膏機(jī)械手1，取放網(wǎng)機(jī)械手和壓機(jī)2間安裝涂膏機(jī)械手2，在流水線兩端分別放有模切機(jī)和包裝機(jī)。負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)物運(yùn)行圖如圖4所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)第一片極片的完整，模切機(jī)先模切一片包裝紙，接著再啟動(dòng)主線、副線、機(jī)械手等;系統(tǒng)停止時(shí)，首先模切機(jī)模切紙停止，接著各個(gè)工位按工序順序依次停止，有效地避免了半成品留在生產(chǎn)線上。

為了保證動(dòng)作的順序性，系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上采用了前后動(dòng)作互鎖功能，使前后動(dòng)作不能錯(cuò)位，前一個(gè)動(dòng)作未完成后一個(gè)動(dòng)作不予啟動(dòng)，具體為只有當(dāng)放紙、放模、放銀網(wǎng)、脫模這4臺(tái)機(jī)械手全部動(dòng)作完畢主輸送線才開始動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

PLC具有控制能力強(qiáng)、高精度、高可靠性以及復(fù)雜的邏輯能力和運(yùn)算能力等特點(diǎn)。該基于PLC的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)極片的自動(dòng)化生產(chǎn)，有效地提高了負(fù)極片的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了工人勞動(dòng)條件;該控制系統(tǒng)經(jīng)過一年的實(shí)際運(yùn)行，具有穩(wěn)定性高、易操作、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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