CC-Link IE TSN在锂电行业叠片机设备上的应用

文:邱晓东2022年第三期

  1 引言 

  2018年中国储能类锂离子电池产量同比增加48.57%,达5. 2GWh, 预计2019年中国储能类锂离子电池产量达 6.8GWh。锂电池在传统行业中主要是应用于数码产品,而在国内快速扩张地新能源汽车市场的引导下,目前在新兴领域主要是应用于新能源汽车动力电池、储能等领域。

       本文以锂电行业后段设备的叠片机为例, 详细介绍CC-Link IE TSN网络在该设备中重要作用以及对设备关键点进行分析。

  2 工艺流程

  锂电行业主要设备包括有涂布机、分切机、卷绕机/叠片机等,其中混料、涂布、干燥及分切是属于前端工序,而像叠片、焊接、注液、封装、化成、包装等都属于后端工序,大致工序如图1所示。

  本文以其中叠片机为例,来详细为大家介绍一下。在过去,锂电行业基本都是使用卷绕机设备来对应该阳、阴极片堆叠,但是由于发热膨胀以及方型电池的市场需求等原因,特别是新能源汽车这方面,方形电池更受欢迎。因此目前国内更多是使用叠片机来进行阳、阴极片的叠加再进行焊接,只有在圆柱形电池方面还是使用卷绕设备。

  

锂电行业工艺图.png

  图 1 锂电行业工艺图

  如图2所示,这就是一台使用CC-Link IE TSN网络进行搭建的叠片机,该设备通过Z字形叠片方式(图3), 实现将阳极片、阴极片以及隔离膜堆叠成电芯。

叠片机设备.png

图 2 叠片机设备

Z 字形叠片方式.png

图 3 Z 字形叠片方式

  我们来看下整个工艺步骤,首先对隔离膜进行放卷作业,在放卷过程中开始进行一级纠偏;然后通过张力摆杆来对整个隔离膜进行张力大小调整,而张力数据由下方的张力传感器来提供;而在张力传感器和张力摆杆之间是隔膜缓存辊,主要是为了防止底部直线电机作业时,由于快速移动导致隔离膜绷断,同时也可以防止由于放料卷放料过程中半径减小引起的误差,因此使用了储料辊;张力控制结束之后是使用离子风铝棒来进行隔膜的除尘、除静电作业以及进行隔膜二级纠偏;最后底部直线电机的左右高速平移,同时左右放置阴、阳极片,通过CCD视觉来检测极片位置,在完成规定极片的叠片后,通过气动卡爪来抓住产品,并由气刀切割隔离膜,最终完成最后成品。当然,这只是该道工序的成品,后续还需要进行焊接极耳等操作。

  在整个设备中,最重要的是对高速运行的直线电机平台进行高精度地控制,整个直线电机运动距离是320mm,时间为0.3s,在平台左右高速移动时,对于速度的控制十分困难,需要不断地调整增益、刚性等数据, 同时也要与储料辊、张力控制器联动,优化整体的凸轮控制曲线,防止过冲。

  因此本台设备使用了全球第一个基于TSN技术开发的CC-Link IE TSN工业开放式总线网络作为运动控制设备总线网络,连接三菱电机最新推出的MELSERVO-J5伺服控制器来进行控制,在设备调试阶段,由于CC- Link IE TSN稳定高速的传输速度,使整个设备在运行过程中非常稳定。

  如果说高速的运动控制是提升整体生产节拍,那隔离膜的纠偏就是提升整个产品的精度,本段工艺主要使用了两次纠偏,一级纠偏是放置在放料卷位置,伺服挂接32:1的减速器通过丝杆去控制放卷设备;而二级纠偏主要是伺服直接控制丝杆来实现纠偏作业,因为二级纠偏是叠片前的最后一道工序,如果使用减速器会影响整体精度, 目前精度已经可以控制在0. 3mm以内, 如果在出料口使用更多一级纠偏,可以把精度控制在0.1mm上下。

叠片机结构图.png

     图 4 叠片机结构图

  

直线电机平台.png

  图 5 直线电机平台

一级纠偏.png

  图 6 一级纠偏 

二级纠偏.png

图 7 二级纠偏

  

一级纠偏机械.png

图 8 一级纠偏机械

二级纠偏机械.png

  图 9 二级纠偏机械


  3 CC-Link IE TSN网络概述

  在正式了解该通讯总线网络前,我们先认识下什么是TSN技术。TSN技术,就是Time Sensit iv e Networks,中文来讲就是时间敏感网络。他的前身是AVB技术,也就是音视频桥接技术,主要是应用在现场直播以及汽车中控方面,随着自身协议的完善,IEEE802.1 工作组在2012 年的时候正式把该技术更名为TSN技术。TSN不是一个单一的标准或者说协议,它是由多种协议组成的,到目前为止他的协议标准还处于在不断地完善和补充过程中。TSN标准作为普通以太网技术的一个扩展协议,他的目的就是对普通以太网在实时性、时间同步性、高精度、安全性方面做一个有效的补充。在过去,工业现场总线网络很少去使用普通以太网协议就是因为在安全性、高精度等方面不满足需求,因此经过普通以太网协议扩展后的TSN技术是非常适合工业领域的。

  而CC-Link IE TSN作为全球首款应用TSN技术的千兆工业开放式网络,由CLPA正式于2018年11月全球发布,仅仅只需一根网线就可以连接多种不同的协议,包括CC-Link IE TSN协议、TCP/IP协议、UDP、MODBUS/ TCP、SLMP等等,同时也可以兼容各种基于TSN技术的其他工业开放总线网络协议。

  同时,由于TSN技术的时间同步与时间分割功能, 在使用过程中大家可以根据自身设备的要求来设置各自不同的刷新周期,传统的网络中,在同一个网络内,对每一台设备的通信周期都是一致的,而CC-Link IE TSN则可以针对不同的设备配置不同的通信周期,比方说伺服放大器这样的需要高速控制的设备可以配置高速的通信周期、而远程I/O、变频、温控设备等则可以配置中速的通信周期,从而能更加有效的使用千兆的网络资源,使设备的控制性能最大化。


     

TSN 技术.png

  图 10 TSN 技术

  

CC-Link IE TSN 结构图.png

  图 11 CC-Link IE TSN 结构图

 

同网段不同数据刷新周期.png

 

图 12 同网段不同数据刷新周期

  4 控制系统

  如图13所示,整个控制系统使用了9个放大器控制总共10台电机,分别是3台100W、3台700W、2台400W 的伺服电机和两台直线电机,所有的伺服控制器都是通过CC-Link IE TSN网络来进行数据高速通讯,使用PLC模块可以完成控制。

 

电控系统.png

图 13 电控系统

  与此同时,通过TCP/IP协议使用通用型交换机连接1 台三菱GT2512 的人机界面和1 台研华(Advantech)的SRK- CTR- 00工控机,其中人机界面主要是为了方便直观的在设备外侧观察数据和进行触屏控制,而工控机主要是为了控制4 个康耐视(Cognex)的CCD来实现精准地极片定位,使隔离膜与极片之间保持一致。另外值得一提的是,J5系列伺服的网口也可以通过普通以太网交换机额外直连千兆/百兆的以太网设备进行高速通讯,实现多种网络混合通信。

PLC 配置图.png

图 14 PLC 配置图

  图15是人机界面的控制面板,通过MELSOFT协议与三菱的R系列PLC连线并进行控制,使用人机界面大大方便了后期对于设备的改造,虚拟的点位控制更改起来也非常方便,无需再去更改设备接线等,方便设备后期的维护和修改。

GOT 控制面板.png

图 15 GOT 控制面板

设置界面.png

 图 16 设置界面

  在调试的时候也发现目前三菱电机已经把工程软件进行了比较完善的升级,如图16 所示,相较于过去,如今已经可以直接通过GX Works 3 对伺服系统进行编程与设置,摆脱了过去需要打开多个软件十分不方便;程序中也可以大量使用标签来制作程序,方便厂家去制作符合自身标准的规范设备,同时伺服程序中的全局标签也可以选择去共享给PLC进行映射使用,大大方便了工程师的使用。

  5 结语

  CC-Link IE TSN作为目前最新的工业总线网络,在工业现场设备中将会得到更多应用,目前三菱电机推出的RD 78G系列的运动控制模块单个已经可以连接最多256 轴/设备,且可以累计使用三个模块达到700多轴,变频器A800等多系列产品也支持CC-Link IE TSN网络,同时相比于过去,CC-Link IE TSN网络更加开放,主、从站设备都支持各个厂家进行软件或硬件形式开发。

  针对国内的市场,半导体、锂电、汽车等行业的单机设备或线体在未来将会更加复杂,需要增加更多的轴、更多设备去对应;同时,对应当前5G网络与工业物联网系统的使用也需要与IT互相兼容的工业网络,CC- Link IE TSN既可以方便与上位系统兼容,也可以与下位多协议同时传输,因此十分适合未来设备的发展。






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