鉅大LARGE | 點擊量：3817次 | 2020年03月25日
動力鋰電池自動生產線！控制系統詳細解析
源電池尤其是動力鋰離子電池產業是近些年非常火爆的新興產業，市場發展前景非常富有想象力。相關于傳統的不管是鉛酸蓄電池，還是鎳氫電池，甚至燃料動力電池，鋰離子電池無論是在壽命、環保、安全方面，還是高容量、體積小、重量輕等方面有很大的優越性及發展潛力。新行業，新產品往往是百花齊放，也有魚目混珠。
目前這個行業，不管是電池本身的設計,還是其生產工藝，還是制造它的生產線及設備都還缺乏比較完善的規范化、標準化指導，尤其是其產品線的后段。這樣導致的現狀是產品線設計及調試周期長，投入資源大，而最后產品品質得不到保證，生產效益低也是目前行業普遍現象。
我們了解自動化線及設備設計的成功與否或者好壞，不但取決于自動化技術水平：包括設計理念、控制架構、元器件選型、作業方式等的把握及其標準化、規范化；而且也取決于產品結構及其生產工藝的標準化、規范化。
關于后者，自動化設備供應是無法準確把握的，而電池生產廠家往往又對自動化產線及設備的技術缺乏足夠的理解。實踐證明：要實現生產自動化線及設備的高效化要產品開發與設備開發兩者的高度融合。也就是說，面向客戶、面向產品、面向工藝才是自動化行業的根本目的和設計落腳點；而方法、技術、選型等只是實現的方法和手段。
本文重要是探討動力鋰離子電池自動化產線控制系統設計及相關設備、儀器、工具的選型的一些思路。
目前市場上采用較多的鋰離子電池重要為磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池，首先二者正極原材料差異就大，因而雖然整個生產工藝流程比較接近但各階段工藝參數還是有差異，而且不同應用廠家有不同的材料的使用和配比，工藝的變化、相應的設備選擇也就有差異。
另外，鋰離子電池從外形上分方形電池、圓柱電池和軟包電池；而從應用的角度，又分數碼電池、動力鋰電池、儲能電池。其中動力鋰電池和儲能電池是將眾多單個的電芯通過串、并聯的方式連接起來的電池組及電池包，并綜合了動力和熱管理等電池管理系統。
相比于數碼電池，電芯的配組、組裝是動力鋰電池系統生產、設計應用的關鍵，是連接上游電芯生產和下游（如整車生產）應用的核心環節。相比電池的前段相對標準化的電芯生產、組裝工藝，后段電芯的配組、組裝工藝，目前還缺乏成熟的行業標準。
本文將重要以方形電芯動力鋰離子電池為例，探討其后段的生產控制系統。
鋰離子電池生產牽涉到一套很長、復雜的生產鏈，從整個生產鏈來看鋰離子電池生產是典型的流程式生產，即工藝過程基本上是持續進行的，生產順序幾乎不變。
根據標準化成熟度及工序的相關度，電芯生產段即動力鋰電池生產的前段已發展了十多年，基本上工藝、設備標準化成熟度比較高，適用于離散式流程生產方式。而后段動力鋰電池組裝段是近些年才發展起來的產業，行業標準還處于探索階段，相比則其自動化生產適用流水線式流程生產方式。整個流程一般分幾段，中間通過成品/半成品緩存庫連接。
消費領域的數碼電池是鋰離子電池行業發展最早也最成熟的應用產品，其生產工藝及設備基本標準化。重要由上游電芯生產廠家生產，其電芯也是構成動力鋰電池生產最基本的原料。電芯生產段重要涉及的設備有：
1，極片制作段：攪拌機，涂布機，輥壓機，分條機，制片機。
2，電芯制作段：卷繞機，疊片機，入殼、注液、封口等預裝設備。
3，電芯組裝段：充電化成設備，分容測試柜，電芯測試儀，電芯封裝設備。
電芯生產段重要應用到的控制技術包括：同步控制，糾偏技術，張力控制等；牽涉到的重要儀器及專用設備重要有電芯的電壓、內阻測試儀器，分容測試柜，超聲波焊接,中低功率激光焊接機等等。這些不是本文要探討的重點，電池生產的后段：動力鋰電池組裝段才是本文探討的重點。
動力鋰電池組裝自動化生產重要包括：電芯處理段，模組組裝段，模組框架焊接段，匯流排焊接段，PACK裝配段。某方形動力鋰電池生產流程如下圖：
從圖中可見動力鋰電池組裝流程基本是從頭到尾持續進行的，一般在模組組裝與電池包組裝段之間通過模組緩存庫來連接，也就是說，整個生產過程可以分成兩段流程型自動線。
一般而言，不管是軟包電池、硬殼電池還是圓柱電池。模組的自動化組裝工藝流程都是從電芯上料開始的，這個來料可以是原供應商供應的包裝，也可以是廠家經過檢測后統一整理好的專用料框。上料可以是人工操作，也可以通過傳送帶自動上料，然后通過機器手臂抓取。
上料的同時會進行電芯的讀碼、電芯極性檢測、電芯分選、電芯厚度檢測、電芯電性能OCV等檢測，并將不良品剔除。來料通過初檢和分選之后，根據模組和工藝要求的不同會分別進行諸如等離子清潔、涂膠貼膠、電芯堆疊、模組組裝、極耳裁切整形、模組框架焊接、模組打碼掃碼、模組檢測、匯流排焊接、BMS系統連接、模組最終檢測、模組下料等工序。
這一序列工序是完成從單個電芯配組成模組的組裝工藝過程，從模組配組成電池包過程也基本類似。也就是說所有的工序、處理動作都是圍繞單個電芯配組成模組再配組成電池包而進行的，如：只有經過一序列檢測、處理合格，滿足所謂同一性要求的電芯才能參與配組；電芯堆疊與模組框架組裝好，符合成組要求，滿足組裝精度才能進行電芯串并聯的焊接作業；電芯組裝成模組后合不合格要通過測試才能確定等等。
當然不同電池生產廠家，同一廠家不同的規格型號有不同的生產流程，但大的流程方向上差不多。重要差別是電芯、模組、電池包有不同的尺寸、規格，也有不同分檔、配組原則，至于測試參數、電源管理、溫度監控等等基本上是各公司的核心數據。
因此，由于電芯及側板、端板、絕緣片、連接片等投入物料差異；模組及電池包的結構和組裝差異；行業標準化的缺位等因素，所以設計時要著重注意產線的兼容性、整線的節拍，也就是說目前生產線設計要定位于多規格小批量混線生產方式。這也從一個角度說明：產線的控制架構設計，數據采集和處理方式從技術層面看是設計自動化產線控制系統的關鍵，圍繞MES（制造執行系統）設計才是設計控制系統的指導核心。
基于以上分析，盡量配置機器人參與電池組裝生產是明智選擇，配合輸送線、視覺定位、專用設備（如高功率激光焊接機）和專用檢測儀器等完成整個電池生產過程。
如上圖所示電芯處理段，比較適合用同步帶輸送線（相比電芯尺寸小且變動也不大），各工位同步運行，各工序間狀態和參數的連接、轉換穩定可靠。模組堆疊、組裝則更適合用選用機器人。如下圖，模組框架外殼的焊接牽涉到焊接、視覺定位，同樣應用機器人更方便靈活；至于把不同來料組裝在一起，半成品/成品生產工位的轉移就更能發揮機器人的靈活方便優勢，這也是多規格小批量混線生產方式的最佳選擇。
由前文對動力鋰電池組裝產線生產工藝流程特點的分析，從控制系統角度看：PLC，機器人、掃碼、物料傳輸、檢測、測試、焊接、自適應、MES（制造執行管理系統）是整條產線中要解決的關鍵技術，也是適用多規格小批量生產形態的重要技術支撐。
正如前文說的：產線的控制架構設計，數據采集和處理方式從技術層面看是設計自動化產線控制系統的關鍵，圍繞MES（制造執行系統）設計才是設計控制系統的指導核心。
MES（制造執行系統）是一套面向制造公司車間執行層的生產信息化管理系統。MES側重于車間作業計劃的完成，可以為公司供應包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊，為公司打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協同管理平臺。
它是所謂工業3.0數字化廠背景的產物，經過近2、30年的發展，其廣度、深度已發生很大變化。它所包含的十幾項目功能，在不同應用領域，不同的生產環境，側重點會所不同。
一般商用MES系統雖然供應二次開發功能，但在實際應用，尤其是與設備層的連接上，因為實際的生產領域、環境、形態、工藝，甚至客戶要求等各方面差異很大，應用起來并不是很順手，最好的方式還是根據MES的原理根據實際的應用量身定做開發專用的MES系統。
關于動力鋰電池自動生產線，MES要的功能及特點包括但不僅限于：
設備管理：設備和工藝操作模式，狀態、參數及配置的管理，也包括產線及設備運行性能、產量的評估：uptime，downtime，yield，efficiency等。
數據采集：在線、實時采集或處理各種原始數據，生成各種數據庫并保存。這些數據配合條碼、料號及倉儲等，是進行物料追蹤、品質管控、生產監控、生成各種報表的基礎。
質量管理：通過在線測試或離線抽檢，對產線、部件或工藝的穩定性、可靠性管控，如SPC,SQC,CPK,R&R,K&K等分析。
配方管理：配合計劃排配、生產調度，新品導入。
生產監控：生產過程中的各種實時數據，設備運行狀態，報警信息。
報表生產：各種記錄、生成、查詢報表，由后端處理。
由此可見，控制系統的核心其實就是數據處理，控制系統的不同源自于數據深度和廣度的差別，這也是工業自動化發展到數字化廠，再到未來的智能化廠的基礎。從電控和IT的角度，上面這些功能可以分成前端數據和后端數據。
實時性的，原始的數據由前端電控處理，包括數據的采集，設備及運行狀態的監控等；而數據的轉換、生成及儲存由后端IT處理。前后端數據通過控制系統高度合作、統一，通過同一平臺，同一格式各自運行、相互聯系、互相影響。
五，動力鋰電池生產線的控制模型
方法學認為構造系統：應該圍繞對象而不是功能；而面向對象劃分問題：應該以功能而不是以步驟。
基于前文對動力鋰電池生產線的分析，在保證安全的基礎上，為了實現最少硬件配置，操作簡單化（包括遠程上電，初始化，設備基本處理等），就近配線原則。可以采用整線操作，區域集中控制，現場分布式總線連接控制方式來設計整個控制系統。
這也是基于模塊化、標準化的設計原則，無論是機構還是電控，是電氣還是控制，要以能實現功能站可單獨調試、打包、轉運、組裝等一體化、模組化為設計目標。整線的控制網絡參考實例見文后附頁圖示。
整線（Line）可分成幾個區（Zone），每一個區或由若干模組(Module)組成。模組是指能完成產線生產中一個工作區段的模塊（如：機器人配組、激光焊接等），模組由若干工站（Station）組成。工站分兩類：基礎站（BaseStation）和制程站（ProcessStation,也包括Test站）。
制程站可以完成一道具體生產工序，它可能是一個獨立設備。Test站是特殊的Process站，一般是指獨立系統處理的測試工站，如嵌入式CCD檢測。基礎站連接各工序站，可能是輸送線或是中間站，也可能是虛擬的工站。進一步地，工站還可以分成段（Segment），一個工段可以完成一個基本的工藝過程。
分層結構如下圖。電氣方面符合：線→區→模組（或站）的三層基本結構；控制方面符合：線→區→站（或模組）→段（可選層）的三（或四）層基本結構。從安全的角度看，可上電層：區或模組（站）；可操作層：線或區或模組（站）。
越是底層優先級別越高，所以工站是電氣和控制結構的基礎，所有含義或結構圍繞工站展開。同一層結構的不同模塊間需實現獨立封裝設計，編寫程序用數據須與實際物理輸入/出地址獨立。層之間、同層不同模塊間、I/O鏈接等最好由配置來完成。
基于以上原則，整線操作由整線配置站處理，配置站可采用大尺寸的工業平板電腦及總操作臺。配置站除了完成整線的監控外，還是承擔MES前后端數據的連接平臺。總操作臺完成整線的啟動/停止，相關狀態顯示及復位等基本功能。下圖就是線一級的人機操作界面實例（下同），基本的按鈕及指示與整線有關，運行于平板電腦的組態軟件可對各區甚至各工站進行配置、操作、設置及顯示，同時也是MES運行的平臺。
根據工藝及產線走向，整線可分幾個控制區域，每一個區域配一個PLC及1個或多個操作臺（包括HMI，保證安全的基礎上以操作簡單為原則），每一個控制區域既可以單獨啟停也可以通過整線啟停。
下圖是區一級的人機操作界面，基本按鈕及顯示與整區有關，專用的HM可以對本區各模組或工站負責，操作、設置、顯示等都可在此進行。除非特殊需求，區內各模組或站不再配專用HMI。
各站點通過網絡或總線相互連接，現場傳感器、執行器也可通過位總線連接。下圖就是站一級操作盒，分2類。左邊與安全相關，原則上必須配備；右邊重要用于調試（選配）用，也即要用時再連接上。
上面一些圖中的按鈕及燈指示的含義并沒有嚴格的規定，可以根據實際應用而含義。但需符合2個基本原則：1，保證安全的基礎上，操作要簡單。2，線、區、站三級的含義要統一。現場只需配置常用的按鈕及指示燈，無論是操作、狀態顯示、報警，還是參數設置，數據采集等等，重要在區HMI中處理。
對應MES中設備的管理，實際應用中可分操作和工藝兩部分。
1，操作模式：指設備運行方式，包括命令和狀態。
一個字的命令含義（上層到下層，注意含義的并非必須，要根據實際應用而取舍，如下表高字節只是工站級才可能有的，但順序要統一、一致，而且低層包含上一層的含義。也就是說，越到低層含義越復雜，功能也越多。下同）：
一個字的狀態含義（下層到其它同層模塊和上層的應答或狀態參考，一般地，下層優先。）：
2，機械模式：指工藝運行方式，也包括命令和狀態。一般地，除了維修模外各模式具有排它性，在自動運行時有效。
一個字的命令含義
一個字的狀態含義（下層模塊也可以選擇自己的機械模式，但上層優先）：
1），正常：正常生產運行機械模式，以下機械模式以外。
2），省略：模塊不參與工藝運行，僅有物理上的存在。
3），忽略：模塊參與工藝運行，但不采集數據，只是經過。
4），空運行：沒有物料或工具投入模擬自動運行過程，用于調試。
5），排空：清空物料或工具，忽略工藝數據。
6），維修：指一般進行的手動維修處理，比如異常導致自動暫停可能要人工干預處理。
下表是以三菱Q系列PLC為例，如何劃分模塊及含義接口。
不同區是通過IP地址來區分，不同區的工站模塊結構含義完全相同。上表中應用到的L5000-6999,M5000-7999,D5000-8999范圍內數據區保留作為控制網絡、區間、上位機等之間交換狀態和數據用，設置參數、采集數據、報警提示具體含義可根據實際應用進一步配置細化。
借助對象化設計原理，由上我們可以含義如下結構的標準控制模型（見下圖）：標準控制模塊是屬性及操作的封裝體，假如標準控制模型是類的話，那么線模塊、區模塊、站模塊，甚至段模塊對象就是標準控制模型的實例。屬性值的取舍根據實際應用而定，但類結構，尤其是屬性值的含義順序要統一。
六，動力鋰電池生產線的控制方法及選型進一步思考
前面探討控制模型時，便于理解是以三菱PLC控制平臺為參照；但這并不是重要的，參照模型原理選用其它控制系統平臺當然同樣也是可以。理想的模型數據是封裝的，控制尤其是模塊化編程時應該不依耐于實際的物理地址，這樣也有利于電氣與控制的分開作業。相關于西門子、羅克韋爾、歐姆龍等平臺，三菱控制系統并不是很好的平臺選擇：軟件尋址相較依耐于硬件，網絡功能也比較落后，兼容性不好，三菱近些年推出iQ平臺也是為了改變這種窘境。
當然應用那個控制平臺并不僅取決于技術本身，還與成本、采購周期、工程師的個人能力，甚至客戶的偏好等因素有關。但不管怎么樣選擇，筆者覺得無論是硬件還是軟件，平臺的統一是控制系統的發展方向。
假如以一網到底，無縫連接標準來衡量，羅克韋爾的Logix控制平臺，NetLinx開放網絡是最接近這種思想。從設備層網絡DeviceNet，到控制層網絡ControlNet再到工業以太網EtherNet/IP，這三種不同的網絡的物理層和數據鏈路層雖說不相同，但它們的應用層都是使用同一個協議，即CIP通用工業協議。
不同網絡間的轉換也比較簡單，基本上標簽數據可以尋址到底。尤其是其工業以太網EtherNet/IP支持商用的集線器。
相反三菱，甚至西門子控制平臺在不同網絡間轉換、連接時往往要復雜的配置處理。當然西門子在產品覆蓋、穩定性、市場成熟度、兼容性等方面還是有優勢的。另外，歐姆龍Sysmac平臺也是一個很好選擇。
雖然自動化發展趨勢在往幾大系統控制平臺方向聚集，但市場中的各種網絡、總線標準還是很多。降低成本，提高效率是任何行業發展的趨勢。
筆者相信自動化行業控制平臺將往商用IT平臺靠攏是未來的必然趨勢：PLC編程語言將往結構化的文本和梯形圖語言集中；人機界面將統一到平板電腦+組態軟件平臺；網絡、總線將統一到工業以太網及相關總線。隨著規模化應用，成本的降低，甚至按鈕、傳感器、電磁閥等都統一到工業以太網及總線平臺上。
但目前IO-Link、AS-I、Modbus、DeviceNet、CC_Link、Profibus、Profinet、EtherNet/IP、EtherCAT、TCP/IP等各種總線或網絡還是必須的選擇。但不管怎么樣選擇，一套控制系統網絡形態不能太多；除非牽涉到實時性要求非常嚴格的伺服同步控制，即使是伺服控制最好也統一到同一個網絡平臺上。
