王 昉，孫法炯

（珠海市至力電池有限公司，廣東珠海 519002）

1 扣式電池組裝生產(chǎn)線概述

1.1 組裝流程分析

扣式電池開始組裝前需要準(zhǔn)備好組裝所需的各種材料和部件，包括正極片、負(fù)極片、隔膜等。這些材料必須經(jīng)過檢驗(yàn)，并按照規(guī)定進(jìn)行分類、儲(chǔ)存和配送。具體組裝流程包括：①正極與負(fù)極疊層。在組裝線中，操作員根據(jù)預(yù)定的堆疊方式將正極片（含有陽極活性物質(zhì)）和負(fù)極片（含有陰極活性物質(zhì)）逐層疊放在一起。該步驟要求準(zhǔn)確的位置對(duì)齊和合適的壓力控制。②隔膜插入。一旦正負(fù)極片堆疊完成，需要將隔膜插入其中以分離正、負(fù)電極并避免短路。隔膜要確保平整無皺，并且正確地插入到正負(fù)極之間。③卷繞與折疊。完成隔膜插入后，組裝線會(huì)將電池卷成圓筒形狀，并進(jìn)行折疊以形成電池的正常結(jié)構(gòu)。這需要高精度的機(jī)器來控制卷繞和折疊過程，確保電極層次不松散且平均壓縮。④連接與固定。在卷繞和折疊完成后，組裝線會(huì)通過焊接或其他連接方式將電池端子與正負(fù)極片連接起來。同時(shí)，還需要對(duì)電池進(jìn)行外殼、密封圈等附件的固定工序。⑤充放電測試。最后一步是對(duì)組裝完畢的扣式電池進(jìn)行充放電測試。這涉及使用特定設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行容量、內(nèi)阻、性能等方面的測量和評(píng)估，以驗(yàn)證其質(zhì)量是否符合要求[1]。

1.2 設(shè)備需求分析

扣式電池組裝生產(chǎn)線的設(shè)備和設(shè)施是確保整個(gè)組裝過程順利完成的關(guān)鍵部分，常用設(shè)備設(shè)施包括以下幾種：①扣式電池自動(dòng)組裝機(jī)。該設(shè)備為核心設(shè)備，用于自動(dòng)化組裝扣式電池，包括供應(yīng)托盤、傳送帶系統(tǒng)、夾具，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)放置電池單體、貼合正負(fù)極片和封裝。②視覺識(shí)別系統(tǒng)。視覺識(shí)別技術(shù)在電池組裝中起著關(guān)鍵作用。通過攝像頭和圖像處理算法，該系統(tǒng)可以檢測電極片位置、貼合質(zhì)量以及封裝密封情況，確保組件的正確性和質(zhì)量。③氣壓控制系統(tǒng)。用于控制氣壓力度和時(shí)間，確保正負(fù)極片在緊固過程中得到適當(dāng)?shù)膲毫?，并?shí)現(xiàn)可靠的焊接。④清洗設(shè)備。清洗工藝在扣式電池組裝后至關(guān)重要。清洗設(shè)備可以移除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)、油脂等物質(zhì)，確保最終產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)要求。⑤檢測儀器。用于檢測電池組裝后的特性和性能。例如，內(nèi)阻測試儀、電壓測試儀等可以對(duì)組裝后的電池進(jìn)行嚴(yán)格的品質(zhì)檢查，以確保其符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1 可編程邏輯控制器（PLC）的優(yōu)點(diǎn)

可編程邏輯控制器是扣式電池組裝生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心選擇，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響：①PLC 具備穩(wěn)定可靠的工業(yè)級(jí)硬件和軟件平臺(tái)，針對(duì)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，其可以耐受高溫、濕度和振動(dòng)，并具備抗干擾能力，能夠在惡劣條件下保持長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。②PLC 擁有強(qiáng)大的輸入輸出（I/O）處理能力，可以通過數(shù)字輸入輸出（DI/DO）模塊連接各種傳感器和執(zhí)行器設(shè)備，并通過模擬輸入輸出（AI/AO）模塊處理連續(xù)信號(hào)。這使得PLC 能夠靈活地接口和集成不同類型的設(shè)備，在電池組裝過程中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而快速的數(shù)據(jù)采集與控制。③PLC 提供了多種編程語言和開發(fā)環(huán)境供程序員使用。其中包括易于理解且圖形化的梯形圖（ladder diagram）、結(jié)構(gòu)化文本（structured text）等。這些編程語言使得工程師能夠編寫直觀清晰、易于維護(hù)和調(diào)試的控制邏輯代碼。④PLC具備高度集成和通信能力，可以與其他設(shè)備（如人機(jī)界面、計(jì)算機(jī)、傳感器等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和協(xié)同操作，實(shí)現(xiàn)全面的系統(tǒng)集成與監(jiān)控。并且還支持現(xiàn)代工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，如以太網(wǎng)和Modbus 等，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的無縫連接和信息共享[3]。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在扣式電池組裝生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)起著關(guān)鍵作用，其負(fù)責(zé)將各個(gè)子系統(tǒng)連接起來并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)操作。為了實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)操作，可以采用分布式控制系統(tǒng)（DCS）作為扣式電池組裝生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。DCS 由多個(gè)分散部署的控制器和節(jié)點(diǎn)組成，通過共享信息與協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制和監(jiān)控。在這種架構(gòu)中，每個(gè)子系統(tǒng)（例如扣式電池自動(dòng)組裝機(jī)、視覺識(shí)別系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)等）都被賦予一個(gè)獨(dú)立的控制器或節(jié)點(diǎn)。這些控制器之間通過以太網(wǎng)或其他合適的通信協(xié)議進(jìn)行連接，并形成一個(gè)集中管理和協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于數(shù)據(jù)交換，可以采用基于發(fā)布/訂閱模型（Publish/Subscribe）或客戶端-服務(wù)器模型（Client-Server）來實(shí)現(xiàn)。在發(fā)布/訂閱模型中，每個(gè)子系統(tǒng)可以發(fā)布感興趣的數(shù)據(jù)到總線上，并訂閱其他子系統(tǒng)所發(fā)布的數(shù)據(jù)。這種模型支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和事件通知，使各個(gè)子系統(tǒng)能夠及時(shí)獲取所需的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。而客戶端-服務(wù)器模型則適用于請(qǐng)求-響應(yīng)方式，其中某些子系統(tǒng)充當(dāng)服務(wù)器提供服務(wù)，其他子系統(tǒng)作為客戶端發(fā)起請(qǐng)求并獲取響應(yīng)。此外，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)還需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和安全性。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可選擇星型、總線型或環(huán)形等布線方式，以滿足具體生產(chǎn)線的需求。在確保數(shù)據(jù)傳輸安全的前提下，可以采取加密、身份驗(yàn)證和訪問控制等措施來保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性[4]。

3 扣式電池組裝生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 傳感器選擇與布置

在扣式電池組裝生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，傳感器的選擇和布置至關(guān)重要。傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為可用于控制系統(tǒng)決策和操作的信號(hào)。常用傳感器包括以下幾種。

（1）溫度傳感器。溫度在電池組裝過程中起著重要作用，因?yàn)楹线m的溫度范圍可以確保電池組件及材料在正常工作條件下運(yùn)行。選擇適當(dāng)類型的溫度傳感器（例如熱敏電阻、熱電偶或紅外線傳感器）以及合適位置進(jìn)行布置非常重要。在扣式電池組裝生產(chǎn)線中，溫度傳感器可以安裝在各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如焊接工站或涂覆工站附近，以監(jiān)測溫度變化并及時(shí)采取必要措施。

（2）壓力傳感器。壓力是另一個(gè)需要監(jiān)測的重要參數(shù)，在扣式電池組裝過程中具有關(guān)鍵意義。壓力傳感器可以被安裝在液體注入站點(diǎn)、焊接工站或其他需要對(duì)壓力進(jìn)行控制和監(jiān)測的位置上。通過實(shí)時(shí)檢測壓力變化，控制系統(tǒng)可以調(diào)整操作參數(shù)，確保正確的壓力施加到扣式電池組件上，并且當(dāng)壓力不達(dá)標(biāo)時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

（3）位置傳感器。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，準(zhǔn)確的位置信息對(duì)于實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制至關(guān)重要。在扣式電池組裝生產(chǎn)線上，位置傳感器可以安裝在機(jī)械臂、輸送帶或其他移動(dòng)部件上。通過追蹤元件和設(shè)備的準(zhǔn)確位置，控制系統(tǒng)可以執(zhí)行精確的操作和協(xié)調(diào)行為，以實(shí)現(xiàn)高效率和可靠性。

在完成對(duì)傳感器的選擇后，需要對(duì)傳感器進(jìn)行正確布置，充分考慮到其靈敏度、可靠性、適用環(huán)境以及接口與控制系統(tǒng)之間的兼容性。此外應(yīng)根據(jù)特定任務(wù)需求考慮合理而經(jīng)濟(jì)地放置傳感器位置，并避免干擾或損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 執(zhí)行器選擇與配置

執(zhí)行器在扣式電池組裝生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)完成機(jī)械動(dòng)作和力量傳遞，實(shí)現(xiàn)各種操作和任務(wù)。在選擇和配置執(zhí)行器時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，包括性能需求、可靠性、精度要求以及所需的力量和速度范圍等。常用執(zhí)行器主要有電機(jī)和氣缸，在扣式電池組裝生產(chǎn)線中，選擇合適的電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高效、精確的運(yùn)動(dòng)控制。根據(jù)具體的需求，可以選擇步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)適合需要準(zhǔn)確定位和較低速度運(yùn)動(dòng)的任務(wù)，而伺服電機(jī)具有更好的響應(yīng)特性和速度調(diào)節(jié)能力。氣缸是利用空氣壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器。在扣式電池組裝過程中，可能需要用到氣缸來實(shí)現(xiàn)推壓、夾持、定位等操作。氣缸具有簡單結(jié)構(gòu)、易于控制和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠提供足夠大的推力。根據(jù)所需推力大小、工作頻率和空間要求，可以選擇不同類型的氣缸，如單向作用氣缸、雙向作用氣缸和軸向承載氣缸等。關(guān)于配置方面，執(zhí)行器的布置和安裝位置對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。需要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器位置以及執(zhí)行器之間的協(xié)調(diào)配合。此外，在執(zhí)行器選擇和配置過程中也要充分考慮節(jié)能和環(huán)境友好因素，例如優(yōu)化功率消耗、減少噪音污染等。

3.1.3 控制設(shè)備選型

（1）可編程邏輯控制器（PLC）。PLC 是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域最常用的控制設(shè)備之一，其具有強(qiáng)大的計(jì)算和控制能力，并且可編程性強(qiáng)。通過PLC，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器和執(zhí)行器的準(zhǔn)確控制，并編寫邏輯程序來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。在選型時(shí)，需要考慮PLC 的輸入/輸出數(shù)量、處理速度、編程靈活性以及與其他設(shè)備的通信接口。

（2）人機(jī)界面（HMI）。HMI 是操作員與自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行交互的界面，可以提供直觀的圖形界面，顯示生產(chǎn)線狀態(tài)、操作參數(shù)和故障信息等。選擇適當(dāng)?shù)腍MI 設(shè)備時(shí)，需要考慮屏幕尺寸和分辨率、觸摸功能、通信接口以及易于使用和定制化的特性。

（3）傳感器。在電池組裝生產(chǎn)線中，傳感器用于檢測和測量各種參數(shù)，例如電池尺寸、位置、溫度和質(zhì)量等。選擇傳感器時(shí)，需要考慮其測量范圍、精度、穩(wěn)定性以及與控制系統(tǒng)的兼容性。例如，使用光電傳感器進(jìn)行物體檢測，壓力傳感器進(jìn)行力的測量，溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)控等。

（4）執(zhí)行器。執(zhí)行器用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，如機(jī)械臂、氣缸、伺服驅(qū)動(dòng)器等。選擇執(zhí)行器時(shí)，需要考慮其運(yùn)動(dòng)范圍、精度、速度和負(fù)載能力，并確保其與控制系統(tǒng)的兼容性。根據(jù)具體需求，可以選擇旋轉(zhuǎn)式、直線式或其他類型的執(zhí)行器。

（5）數(shù)據(jù)采集與通信設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，可能需要選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集設(shè)備和通信模塊。這些設(shè)備可以將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)或上層管理系統(tǒng)，以支持生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控。在選型時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)采集的速率、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)連接方式等因素。

（6）選型時(shí)還應(yīng)考慮供應(yīng)商的可靠性和技術(shù)支持，以確保設(shè)備的質(zhì)量和可靠性。根據(jù)具體的生產(chǎn)需求和自動(dòng)化要求，結(jié)合以上因素進(jìn)行綜合評(píng)估和選擇合適的控制設(shè)備。

3.2 自動(dòng)化控制

3.2.1 生產(chǎn)線布局

（1）流程優(yōu)化。首先，需要分析電池組裝的工藝流程，并將其轉(zhuǎn)化為一系列連續(xù)的工作站或操作步驟。確定每個(gè)工作站所需的時(shí)間和資源，并盡量優(yōu)化流程順序，最大程度上減少物料和零部件在生產(chǎn)線上的運(yùn)輸距離和時(shí)間。

（2）設(shè)備布局。在確定工作站和操作步驟的順序后，需要將相應(yīng)的設(shè)備安排在合適的位置，確保設(shè)備之間的間距足夠，以便操作員能夠自由移動(dòng)并進(jìn)行維護(hù)和修理。同時(shí)，要考慮設(shè)備之間的物料傳送方式，例如傳送帶、輸送線等，以促進(jìn)物料的高效流動(dòng)。

（3）空間利用。優(yōu)化空間利用是提高生產(chǎn)線效率的關(guān)鍵。要充分利用可用的空間，可以考慮使用垂直空間，例如在生產(chǎn)線上方安裝懸掛式輸送線或儲(chǔ)存系統(tǒng)。此外，合理規(guī)劃設(shè)備的布局，確保設(shè)備之間沒有冗余的空隙，最大程度地減少生產(chǎn)線的占地面積。

（4）安全性考慮。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)線布局時(shí)，必須始終將安全放在首位，確保設(shè)備和工作站之間有足夠的空間，以防止操作員發(fā)生意外傷害。此外，考慮到扣式電池組裝涉及使用化學(xué)物質(zhì)和高壓設(shè)備，應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施，如安全隔離、可靠的防護(hù)裝置和緊急停機(jī)系統(tǒng)等。

（5）可擴(kuò)展性和靈活性。在進(jìn)行生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮未來的擴(kuò)展和變化需求。盡量設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的布局，以便根據(jù)市場需求和技術(shù)進(jìn)步對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)展，包括預(yù)留空間用于新設(shè)備的添加或調(diào)整工作站的順序。

3.2.2 控制算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化

具體優(yōu)化過程包括路徑規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)控制，路徑規(guī)劃算法是通過分析零件位置、工作站布局以及任務(wù)要求，確定機(jī)器人或傳送帶的最佳移動(dòng)路徑。該算法考慮到時(shí)間效率、工作負(fù)載均衡和避免碰撞等因素，以最小化整體組裝周期并提高生產(chǎn)效率。常用的路徑規(guī)劃算法包括A*（A-Star）算法、Dijkstra 算法和遺傳算法等。而動(dòng)控制算法主要用于控制機(jī)器人或執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)，確保其精準(zhǔn)、穩(wěn)定的完成各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。在此過程中，該算法基于物理模型和反饋控制原理，在滿足安全性和準(zhǔn)確度要求的前提下，控制機(jī)械臂或其他設(shè)備完成組裝過程中所需的各種運(yùn)動(dòng)操作。常見的運(yùn)動(dòng)控制方法包括PID 控制、軌跡插補(bǔ)和狀態(tài)機(jī)等。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)扣式電池組裝生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化質(zhì)量控制并推動(dòng)清潔能源應(yīng)用。通過對(duì)傳感器選擇與布置、硬件選型和配置方案、控制算法設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的深入研究和優(yōu)化，使自動(dòng)化控制系統(tǒng)效果功能更加突出。為此需要提高重視程度，通過智能化的控制手段保持正確的工作狀態(tài)，提升生產(chǎn)效率、降低人為失誤風(fēng)險(xiǎn)，并確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，使該技術(shù)在清潔能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要作用，為可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。