CC-Link IE TSN 网络在锂电池封装一体机的应用

文:王亚雄2022年第4期

  1 引言

  锂电池的生产工艺较为复杂,主要生产工艺流程涵盖前、中、后三个阶段:前段工序的目的在于将原材料加工成为极片,经过涂布、辊压、分切、制片、模切等工序,其中核心工序为涂布;中段目的在于将极片加工成为未激活电芯,需要经过卷绕或叠片、入壳焊接、注液和封口等工序,其中卷绕、叠片是中段的核心工序;后段目的在于激活电芯使之成为成品电池包通过PACK集成系统最终进入电池厂,包括清洗、干燥储存、检测、喷码、化成分容等工序,最终通过自动化智能物流系统进入下游生产线。此次介绍的聚合物锂电池全自动封装一体机位于锂电池生产中段工序,包括了入壳焊接、注液和封口等工艺。聚合物锂电池全自动封装一体机专用于在线生产微小型聚电芯, 主要用于聚合物软包电芯封装成型工艺。设计便于与前(卷绕机)后(烘烤炉)工序设备连机或成为独立设备,采用伺服电机实现一键(One Touch)换型功能。

  本设备配备功能包含铝塑膜成型、卷芯压整形芯、CCD检测卷芯极耳间距、机器人投入卷芯至成型膜、电芯顶部密封、电芯侧部及角位密封、内阻测试、电芯预切边、CCD检测密封后电芯极耳胶高、电芯喷码、电芯扫码、电芯贴保护膜、机械手把良品电芯装盘至电芯料盘。此外设备要求铝膜卷料由人工上料、来料卷芯通过吸塑盘投入至设备、人工投入电芯空料盘至本设备、自动进行电芯装料(完成品电芯)。

  2 使用制品

  使用制品包括:Jelly Roll卷芯、Polymer电池、成型膜(宽度50 -100mm),以及电芯。

  3 设备布局图(见图1)

  

锂电池封装设备布局图.png

  图 1 锂电池封装设备布局图

  4 聚合物锂电池自动封装一体机生产工艺流程(见图2)

  

锂电池自动封装一体机生产工艺流程图.png

  图 2 锂电池自动封装一体机生产工艺流程图

  5 现场网络解决方案

  由于当今的生产现场,被更高地要求提高生产力和产品品质,需要所使用的网络能够在确保实时性的同时,还能连接各种设备,既可以实施高速且安定的控制,也支持向IT系统发送大容量的数据,并可活用于AI以及预测性维护。CC-Link IE TSN,由于重新定义了通信方式,并大幅提升了通信性能,可同时实现通用以太网通信和控制通信的共存,并且在不影响控制通信的情况下,可与各种通用以太网设备进行连接。此外,由于可支持各种网络拓扑结构,因此可轻松地构建灵活的IIoT系统。

  根据设备要求推荐客户采用MES网络、CC-Link IE TSN网络以及CC-Link网络构成的e-F@actory系统。其中MES网络作为信息层网络,用于现场与上位之间的数据库通信。CC-Link IE TSN网络用于伺服控制通讯与远程IO通讯,CC-Link网络用于机器人、电缸等之间的通信。

  6 系统配置及网络架构

  6.1 系统配置(见表1)

   

系统配置表.jpg

表 1 系统配置表

  6.2 整体网络架构(见图3)

  

系统网络架构图.png

  图 3 系统网络架构图

  7 CC-Link IE TSN网络优势

  TSN是以太网相关IEEE定义标准的补充, 可在标准以太网上实现准确的信息传递。通过利用时间同步方式(IEEE802.1AS)和时间分割方式(IEEE802.1Qbv), 与以太网技术相结合,可在同一网络中实现以往的以太网所不能实现的控制通信(确保实时性)和信息通信(非实时通信)的并存。

  7.1 融合支持高速且大容量通信的协议和TSN技术

  CC-Link IE TSN是一个由高速循环通信协议和TSN 技术组合而成的网络。当今的生产现场,在进行大容量的信息数据传送的同时,也需要高速且安定的控制通信。通过采用TSN技术,不会对设备运行所需的控制通信产生影响,可与TCP/IP通信同时使用。此外,通过实现高速且大容量通信的通信协议,可缩短节拍时间,提高生产力。

  7.2 优化混合有不同通信性能设备的系统的通信周期

  可组合使用高速通信设备(高速高精度控制)和低速通信设备(状态监控)。可根据需要调整各设备的通信周期,设置最适合于该设备功能的通信周期。例如:对于需要高速高精度控制的从站设备,使用高速周期进行通信; 对于状态监控等使用低速通信也能满足需求的从站设备, 使用低速周期。

  7.3 利用丰富的功能,构建便捷的通信网络

  CC - Li nk I E TSN 支持使用G X Wo r ks 3以及基于SNMP的第三方监视诊断工具,是一个可活用多种诊断功能的网络。此外,可从主站模块自动发送参数,从而简化了从站设备的设置,大幅削减工时。

  7.4 TSN技术与通信协议层

  CC-Link IE TSN通过时间同步和时间分割技术,优化了通信帧,在实现高性能高功能的控制通信的同时,也可与其他以太网通信并存。此外,其诊断功能中更是采用了以太网标准协议SNMP,更易于有效利用通用以太网设备以及诊断工具。

  7.5 网络整体的无缝通信

  通过整合使用TCP/IP通信的IT数据和使用CC-Link IE TSN的控制数据,使网络整体实现无缝通信。视觉传感器的图像数据之类大容量的IT数据传送,不会对控制数据的传送产生影响。同时,从多台设备传送连续的数据,使用人工智能(AI),以及使用了边缘计算的高级预测性维护等应用也能并存。

  7.6 融合OPC UA等与IT系统的通信,以及与支持多种协议的设备间的通信,实现工厂智能化

  从上层的IT系统直至下层的传感器,无需顾及网络的层次差异,实现无缝的网络通信。由于仅使用1个网络即可实现各种系统构建,可大幅削减设备和软件成本。

  利用上述CC-Link IE TSN网络的特点,来满足客户技术要求。

  8 控制系统的网络结构

  8.1 Ethernet 网络

  Ethernet网络是由三菱电机RD81 MES96 模块构成的MES网络,与服务器相连。现场生产状态等信息可自动上传到服务器中,如生产数量、报警信息、产品条码信息等,这样公司管理人员就可实时了解现场生产状态。除此之外,还可从服务器中下载相关生产产品的信息,与正在生产产品的状态进行判断比较,防止不良品产生,提升生产效率。

  8.2 CC-Link IE TSN网络(见图4)

  CC-Link IE TSN网络主要用于伺服控制通讯与远程IO通讯。

 

CC-Link IE TSN 网络.png

  图 4 CC-Link IE TSN 网络

  ①TSN网络

  • 同一网络中实现控制通信 (确保实时性) 和信息通信(非实时通信) 的并存,使整个系统只需一种网络,大量减少网络配置、网络连接等的工作量和采购的复杂程度;

  • 采用5e 以太网电缆进行连接,降低成本和连接方便性;

  • 通过网络配置设备的自动检测以及对连接站的参数发送,轻松实现网络构建;

  • 支持多种拓扑结构支持线型、星型。

  ②伺服系统

  • 无电池绝对位置编码器的采用大大降低了设备电池更换的维护工作量也减少了由于电池失效造成的设备故障;

  • 电机电源电缆/编码器电缆/电磁制动器电缆合为一体,减少电缆数量,降低故障发生概率;

  • 预测性维护功能可以事先检测设备的振动以及摩擦,在设备故障前提示更换部件的维护动作,以避免故障停机时间并减少维护时间。

  9 使用心得

  CC-Link IE TSN网络既可以实现控制通信也可实现信息通信,并且采取时间分割的方式,使得主站与伺服的通讯更加高速化,便于实现高精度的同步控制,并且可以与远程IO及变频器在同一网络中构建,节约了客户成本, 简化了系统的复杂性。





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