石浩然，胡 劍，方孟堃，林福興

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.深圳永興業(yè)裝備科技有限公司，廣東 深圳 518107)

隨著科技的發(fā)展，移動電池在人類生活中得到廣泛的應用。化學電池和電容器等電能量存儲系統(tǒng)是存儲并利用電能的主要方式之一[1]?；瘜W電池由于能量密度高而在能量存儲方面起著至關重要的作用，然而它的壽命短、功率密度低，無法應用于重要的裝備和苛刻的工作環(huán)境中。電容器功率密度較高，但能量密度較低，無法應用在能量要求較高的場合[2]，超級電容器的出現解決了這一難題。超級電容器在工業(yè)生產和電子產業(yè)中扮演著越來越重要的角色，其生產制造也向著高速、自動化、智能化和柔性化方向發(fā)展[3]。實現超級電容器電芯自動化裝配能夠有效提升產品的質量及合格率[4]，其裝配線控制系統(tǒng)的開發(fā)尤為重要。

1 某型超級電容器電芯裝配線及其控制系統(tǒng)方案

1.1 某型超級電容器電芯裝配線的工藝流程

某型超級電容器由正極蓋、正匯流片、電芯、殼體、負匯流片和負極蓋裝配焊接而成，超級電容器結構如圖1所示。

圖1 超級電容器結構

某型超級電容器裝配過程主要包括電芯整形、正負匯流片焊接、正負極蓋焊接與入殼和氦質譜檢漏4個階段。某型超級電容器電芯裝配中電芯的形態(tài)變化如圖2所示。

圖2 某型超級電容器電芯形態(tài)變化

某型超級電容器電芯裝配工藝流程如圖3所示。

圖3 某型超級電容器電芯裝配工藝流程圖

1.2 某型超級電容器電芯裝配線設備布局

某型超級電容器電芯裝配線是一種全自動化的生產線，設備數較少且產品無需回到起點，根據生產線布局原則和布局形式[5-7]，采用產品布局原則和L型布局形式對某型超級電容器電芯裝配設備進行布局，某型超級電容器電芯裝配線設備布局如圖4所示。

圖4 某型超級電容器電芯裝配設備布局

1.3 某型超級電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)方案

裝配線控制系統(tǒng)的功能包括：產線信息控制、現場信息獲取、產線啟?？刂?、產線狀態(tài)監(jiān)控及設備動作控制。某型超級電容器電芯裝配線生產要求裝配效率應達到平均每小時30件且成品率不低于90%。

根據控制系統(tǒng)功能需求，將控制系統(tǒng)結構設計為3層：人機交互層、控制層、現場層，如圖5所示?？刂茖右怨た貦C作為控制系統(tǒng)主站，現場層以其他設備作為控制系統(tǒng)從站，形成主從結構。工控機為控制系統(tǒng)核心，所有控制指令均由工控機發(fā)出，其他設備接收和執(zhí)行控制指令，并將現場信息傳給控制層?？刂茖雍同F場層通過EtherCAT協議傳輸控制指令和現場信息。人機交互層中工作人員通過交互設備可寫入控制參數、監(jiān)控產線運行和選擇控制指令。

圖5 某型超級電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)結構

控制系統(tǒng)運行時，工作人員通過可視化界面與主控軟件交互，主控軟件和設備控制軟件按照控制邏輯下發(fā)控制指令到現場設備，現場設備執(zhí)行指令并回傳現場信息。主控軟件和設備控制軟件按照控制邏輯循環(huán)運行，直至工作人員發(fā)出停止指令。控制系統(tǒng)軟件運行示意圖如圖6所示。

圖6 某型超級電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)軟件運行示意圖

2 某型超級電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)的硬件平臺

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

某型超級電容器電芯裝配線由旋壓機、模壓機、匯流片焊接機、正極蓋焊接機、負極蓋焊接機、氦質譜檢漏機和多臺上料臺組成。各設備涉及不同的裝配動作，根據裝配工藝要求，選取伺服電機和步進電機作為驅動電機，選取直線氣缸和三爪氣缸作為輔助驅動裝置。某型超級電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)硬件由工控機、步進電機、步進電機驅動器、伺服電機、伺服電機驅動器、I/O端口擴展板、電控氣缸、繼電器、各類傳感器和檢測儀器等組成。控制系統(tǒng)硬件組成如圖7所示。其中，工控機作為控制系統(tǒng)主站，EtherCAT主站運行于工控機中。伺服驅動器、伺服驅動器和I/O端口擴展板為控制系統(tǒng)從站，各設備根據動作流程不同包含不同數量的從站設備。

圖7 控制系統(tǒng)硬件組成

2.2 控制系統(tǒng)網絡拓撲結構

在傳統(tǒng)的工業(yè)以太網系統(tǒng)中，可安裝的交換機和集線器的級聯數量是有限的，這限制了整個網絡拓撲結構，而EtherCAT無需交換機或集線器，在網絡拓撲方面沒有任何限制。EtherCAT拓撲結構提升了網絡布線的靈活性，使其可以適應各種不同的應用場合。EtherCAT拓撲結構組合如圖8所示。其中，線型拓撲可以拓展為環(huán)形拓撲，從而實現線纜冗余。通過將最后一個從站節(jié)點與主站以太網端口連接，將線型拓撲結構轉化為環(huán)型拓撲結構，當線路中有設備故障時，主站設備可通過軟件檢測到故障，并通過環(huán)型線路保證其他設備通過冗余線路正常運轉[8-10]。EtherCAT環(huán)型拓撲結構如圖9所示。

圖8 EtherCAT拓撲結構組合

圖9 EtherCAT環(huán)型拓撲結構

控制系統(tǒng)中，使用工控機作為EtherCAT主站，從站設備包括伺服電機驅動器、步進電機驅動器和I/O端口擴展板，使用雙絞線連接，采用環(huán)形拓撲結構的冗余設計，控制系統(tǒng)網絡拓撲結構如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)網絡拓撲結構

2.3 控制系統(tǒng)I/O端口分配

控制系統(tǒng)通過EtherCAT協議與I/O端口擴展板通信，I/O端口擴展版發(fā)送/接收數字信號控制現場硬件與獲取現場信息。為配套WMX3軟件使用，選用SoftServo公司生產的IX-320 EtherCAT數字輸入輸出模塊。IX-320外形如圖11所示。IX-320數字信號輸入輸出模塊接口為40Pin接口，1～8接口為電源和節(jié)點接口，9～40為I/O接口，可提供32對I/O接口。通過EtherCAT主站設置，可修改各I/O端口擴展板在控制系統(tǒng)中的識別地址。

圖11 IX-320外形

根據設備硬件需求分配I/O地址。由于設備較多，僅列出旋壓機的I/O端口擴展板地址分配表，如表1所示。

表1 旋壓機I/O端口擴展版地址分配表

3 某型超級電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)軟件設計與驗證

3.1 控制系統(tǒng)軟件架構

控制系統(tǒng)軟件主要由主控軟件、設備控制軟件和WMX3軟件組成。通過調用WMX3軟件中WMX3引擎、API(application program interface)功能庫和WMXPLC工具，實現主控軟件對設備控制軟件的控制、I/O和內存地址的映射以及設備控制軟件對設備的運動控制和設備信息的獲取?？刂葡到y(tǒng)軟件架構如圖12所示。

圖12 控制系統(tǒng)軟件架構

3.2 控制系統(tǒng)主控軟件開發(fā)

控制系統(tǒng)主控軟件采用Microsoft Visual Studio開發(fā)軟件。配置WMX3軟件開發(fā)環(huán)境，添加API功能庫以實現不同功能。開啟Microsoft Visual Studio，創(chuàng)建CJHJ控制臺應用程序工程，設置工程方案平臺為X64，在解決方案資源管理器中添加各API功能庫對應的DLL文件。

控制系統(tǒng)主控軟件開發(fā)主要流程為：設備創(chuàng)建、設備通信、內存地址設置、報錯程序設計、界面設計、界面按鈕功能綁定和設備關閉。

(1)主界面設計。主界面為程序啟動界面。點擊界面按鈕可切換到其他界面；點擊運行按鈕將啟動產線，開啟WMX3引擎和設備管理界面；點擊操作按鈕可以根據選項打開網絡管理工具、WXM3控制臺和信息文件等；點擊I/O按鈕可切換到I/O界面；點擊信息錄入按鈕可切換到信息錄入界面。

(2)設備管理界面。產線運行時通過設備管理界面監(jiān)控產線生產，通過按鈕可以選擇不同設備的管理界面，以旋壓機管理界面為例，其設備管理界面如圖13所示。

圖13 旋壓機設備管理界面

旋壓機設備管理界面主要分為4部分，A部分為設備總體控制，包括聯網、自動、啟動和停止控制，氣缸和旋轉電機運行控制；B部分為設備參數輸入界面，可實時更改運行參數；C部分為電機運行狀態(tài)顯示和點動控制；D部分為全局電機使能控制及急停按鈕。

(3)I/O界面設計。I/O界面分為輸入地址界面和輸出地址界面，如圖14所示。選擇起始輸入或輸出地址，獲取I/O地址信息函數程序段獲取I/O地址信息，將0～7各點位信息顯示于對應文本框中，I/O點位為未觸發(fā)時顯示淺灰色，I/O點位觸發(fā)時顯示綠色，I/O點位不存在時顯示深灰色，其中輸出界面中，點擊ON/OFF按鈕可對應I/O點位狀進行操作。

圖14 I/O界面

(4)信息錄入界面設計。信息錄入界面用于錄入產線信息和生產計劃，如圖15所示。在對應文本框中輸入參數，點擊錄入按鈕，對應程序段將獲取文本框內容，轉化為該參數對應的數據類型，并存入該參數對應的內存地址中，選擇數據表可將設置好的生產參數統(tǒng)一錄入。

圖15 信息錄入界面

(5)操作記錄界面設計。人工點動操作和手動操作的操作記錄將通過操作記錄函數記錄保存，顯示于操作記錄界面。

3.3 控制系統(tǒng)的設備控制軟件開發(fā)

控制系統(tǒng)設備控制軟件通過Multiprog Express軟件使用FBD程序塊語言編寫，通過調用WMXPLC工具中特殊的程序塊實現對軸的動作控制、I/O和內存地址的映射以及與WMX3引擎的通信。

控制系統(tǒng)設備控制軟件由14個程序組織單元(programming organisation unit, POU)組成，每個POU對應一個設備的邏輯控制程序，其中6個為設備邏輯控制程序，8個為上料臺邏輯控制程序。

3.4 控制系統(tǒng)驗證

為了驗證控制系統(tǒng)，安裝某型超級電容器電芯裝配線樣機,其實物如圖16所示?，F場對控制系統(tǒng)軟件進行調試，主控軟件監(jiān)控界面和設備控制軟件調試界面如圖17所示。

圖16 某型超級電容器電芯裝配線樣機實物

圖17 控制系統(tǒng)軟件現場調試界面

某型超級電容器電芯經過裝配線不同設備裝配完成后的電芯狀態(tài)變化如圖18所示。

圖18 電芯狀態(tài)變化

通過對樣機的生產測試，驗證了控制系統(tǒng)滿足控制系統(tǒng)功能需求。

4 結論

(1)通過對某型超級電容器電芯裝配工藝流程進行分析，設計了某型超級電容器電芯裝配線工藝流程；通過分析某型超級電容器電芯裝配線設備布局，按照控制需求，基于軟件控制系統(tǒng)，設計了控制系統(tǒng)總體方案。

(2)依據所設計的控制系統(tǒng)方案，結合控制需求，完成了控制系統(tǒng)硬件選型；通過研究EtherCAT協議，設計了控制系統(tǒng)網絡拓撲結構；根據EtherCAT協議物理層和控制系統(tǒng)硬件組成，對各設備進行I/O端口地址分配。

(3)依據所設計的控制系統(tǒng)方案，結合控制需求，基于軟件控制系統(tǒng)，設計了控制系統(tǒng)架構及設備自動控制流程，開發(fā)了控制系統(tǒng)主控軟件和設備控制軟件；通過在樣機上進行了生產測試，驗證了控制系統(tǒng)軟件可滿足生產需求。