基于PLC的負極片自動化生產線控制系統設計*

朱 超 楊建國 周 虎

(東華大學機械工程學院，上海 201620)

鋅銀電池負極片具有比能高、工作電壓穩定、放電電流大等優點，是高性能電池的重要組成部分，廣泛用作火箭、衛星、導彈等航空航天設備的電源。目前負極片成型多采用手工方式，勞動強度大、效率低、產品質量難以控制，且生產原料中含有汞等有毒成分，嚴重危害工人健康。負極片自動化生產線的開發，能有效避免工人和有毒有害物質接觸，改善操作人員勞動條件，另外對提高勞動生產效率，進一步提升我國的國防力量，具有重要的現實意義。

針對以上所述負極片生產特點，我們設計了一種基于PLC的負極片自動化生產線控制系統，該系統具有控制可靠、操作簡便、開放性強和性價比高等優點。下文將分別從工藝流程控制、系統設計要求、系統硬件以及軟件設計等方面對該控制系統進行全面闡述。

1 生產工藝流程控制

目前，負極片的生產方式為多規格、小批量、連續性生產，主要包括10道工序，具體依次為稱粉攪拌、鋪紙、放模、涂下層膏、鋪布壓制、揭布放置銀網骨架、涂上層膏、鋪布壓制、脫模、包裝。通過基于PLC的控制系統，對系統進行模塊化設計，實現各個模塊中各工序之間的協調與配合，從而實現多臺自動化設備的協調和連續性作業。圖1所示為負極片自動化生產線的工藝流程控制圖。

實際生產過程中，一個完整的循環工序是:模切機模切包裝紙→取放紙機械手將包裝紙放置在生產線的托板上→通過取放模機械手將模框從副線上吸取并放置在包裝紙上→自動涂膏機械手1和海霸泵1涂下層膏→揭布機1鋪布、壓制成型機1壓制下層膏→自動取放網機械手取放銀網骨架→涂膏機械手2和海霸泵2涂上層膏→揭布機2鋪布、壓制成型機2壓制下層膏成型→脫模機械手脫模并將模框放在副線上→自動包裝機包裝極片→負極片成品輸出。

2 控制系統要求

在提高系統運行穩定性、降低運行成本等理念下，該控制系統具體技術要求為:

(1)能夠根據自動化生產線生產控制流程，對各邏輯關系、順序等進行精確控制，使各道工序有條不紊互相協調運行;

(2)根據一個循環過程中主流水線、副流水線、涂膏機械手、取放包裝紙、取放模框、取放銀網等節拍，合理分配各工序間的時間，提高勞動生產效率;

(3)保證系統的安全性和可靠性，可根據實時監控界面時刻監視生產流程，對事故隱患進行預警，對故障報警并具有急停功能;

(4)在滿足生產線控制要求的前提下，應該盡可能使系統簡單經濟、易于維護，控制系統各參數可調。

3 控制系統硬件設計

負極片自動化生產線控制系統是由上位機監控系統、下位機控制系統和相關外圍設備結合的計算機監控系統，總體分監控房和控制現場兩個部分，其硬件結構如圖2所示。

3.1 上位機監控系統

上位機監控系統又分為現場觸摸屏控制系統和計算機控制系統兩部分。

3.1.1 觸摸屏控制系統

現場控制采用臺達DOP－B07S211彩色觸摸屏。觸摸屏界面主要設計了手動操作和自動操作界面，其中，自動操作界面可以通過自動工作參數設置實現生產線的自動化運行;手動操作界面可以實現生產線各個模塊的單工位、單工序的運行。另外現場觸摸屏還設置了故障隱患預警以及故障報警等功能。

3.1.2 計算機控制系統

計算機采用研華610L工控機(IPC)，加配一塊MOXA CP－168U多串口卡，另配DELL 17英寸彩色顯示器。工控機(IPC)上裝有組態軟件“組態王KINGVIEW 6.53”，它是亞控公司開發的工業通用組態控制軟件，其自帶多種設備的驅動程序，可很好地與下位機PLC進行通訊。

3.2 下位機控制系統

下位機控制系統主要由1個三菱公司生產的FX2N－48MR－001型PLC、6個FX1S－30MT型 PLC和外圍設備組成，包括CPU基本單元、擴展I/O架、I/O連接電纜等，PLC內插H52107A CPU型通訊模塊。下位機PLC通過自帶的COM口(RS－232)與組態王進行有線通訊，通過內插通訊模塊COM口(RS－422)與上位機觸摸屏通訊。

FX2N－48MR－001型PLC作為主站PLC，它主要控制各個子站PLC(PLC0－PLC5)之間的協調與配合、報警輸出、元件執行以及傳感器、限位開關的檢測等，實現對系統整體流程控制;FX1S－30MT型PLC構成的子站PLC主要用于控制各個工位具體動作的實現。具體是:PLC0控制主副線運行，PLC1控制脫模機械手，PLC2控制取放網機械手，PLC3控制取放模機械手，PLC4控制取放紙機械手，PLC5控制揭布機。另外，除各子站PLC與主站PLC有通訊外，各子站PLC之間也有相互通訊。

3.3 重要的外圍設備

電動機驅動器和繼電器為系統重要的外圍設備。由于取放紙機械手和取放網機械手移動距離較長，且要求速度可調，故選用了YAKO電機公司制造的YKA2404MA型兩相步進電動機驅動器。該驅動器為一種采用雙極性恒流斬波驅動技術的高性能步進電動機驅動器，廣泛用于2.0 A/相電流以下兩相步進電動機，當電動機處于停止狀態時，輸出電流可設置降至較低值，從而可以減少機械手電動機和驅動器連續長時間運行的發熱。主流水線驅動電動機起動頻繁且動作要求準確、可靠性高，故選用了Schneider電氣公司生產的LCI－D接觸器和LRZ－D熱過載斷路器作為低壓控制電器。由于使用了TE的專用技術，接觸器的電氣壽命和機械壽命兩大指標均達到最高標準，其性能優良可靠，元件壽命長，故障率極低，并在接觸器兩端并接阻容吸收電路以吸收浪涌電流，減少觸頭起弧，使用效果十分理想。

4 控制系統軟件設計

4.1 程序設計過程

該控制系統中輸入輸出、檢測反饋元件和執行元件種類和數量較多，是一個較為復雜的自動控制系統。因此，先對系統進行整體分析，將系統分為各個不同模塊單獨進行邏輯設計，然后對各個模塊進行邏輯整合。整個設計過程大致包括系統分析階段，通訊區、I/O分配階段，總體設計階段，模塊設計階段，程序編制階段和程序調試階段。

系統分析階段，主要考慮負極片自動化生產線控制系統采用何種解決方案以及采用何種PLC進行控制;通訊區、I/O分配階段，主要將系統工藝各輸入、輸出量分配給PLC的各I/O，定義各I/O的作用，并據此填寫變量表，在主站和子站之間設置通訊區，將以上配置組態并下載到PLC中;總體設計階段，將程序大致劃分為主站程序和子站程序，并分別將其劃分為若干模塊，每個模塊對應一個功能，并定義通訊區各字段的大致含義;模塊設計階段，主要是在總體設計劃分的各個模塊內部，根據相應部分生產工藝的要求，分析各輸入、輸出量與各操作之間的邏輯關系，確定進行檢測的內容和控制的方法，并設計出各設備的操作內容和操作順序，進而根據結果設計出程序流程，這是程序設計過程中最為復雜的一環，需要對工藝流程深刻理解;程序編制階段，按照細化設計，選擇合適的編程語言進行編程，確保語法和文檔的正確;程序調試階段，重點要注意程序能否按設計的要求運行，各種必要的功能是否具備，發生意外情況時能否及時作出正確的響應等問題。

經過測試、修改之后，如果程序基本正確，下一步就可到現場試運行，進一步看系統的整體效果還有哪些地方需要完善。經過一段時間運行之后，如果系統穩定、可靠，就證明程序已達到設計要求。

4.2 程序設計

按照上述設計過程，將控制系統運行方式分為手動運行和自動運行兩部分。其中，手動運行方式可以通過對上位機上簡單設置實現各個模塊的單獨手動控制操作;自動運行方式采用順序控制方法，能對各邏輯關系、順序等進行精確控制，使各道工序有條不紊互相協調運行。控制系統程序流程如圖3所示。

負極片自動化生產線由主流水線和副流水線兩部分構成，主流水線各個工位依次安裝有取紙機械手、取放模機械手、壓機1、取放網機械手、壓機2、脫模機械手;副流水線上取放模機械手和壓機1間裝有涂膏機械手1，取放網機械手和壓機2間安裝涂膏機械手2，在流水線兩端分別放有模切機和包裝機。負極片自動化生產線實物運行圖如圖4所示。

系統啟動運行時，為了實現第一片極片的完整，模切機先模切一片包裝紙，接著再啟動主線、副線、機械手等;系統停止時，首先模切機模切紙停止，接著各個工位按工序順序依次停止，有效地避免了半成品留在生產線上。

為了保證動作的順序性，系統在軟件設計上采用了前后動作互鎖功能，使前后動作不能錯位，前一個動作未完成后一個動作不予啟動，具體為只有當放紙、放模、放銀網、脫模這4臺機械手全部動作完畢主輸送線才開始動作。

5 結語

PLC具有控制能力強、高精度、高可靠性以及復雜的邏輯能力和運算能力等特點。該基于PLC的控制系統實現了負極片的自動化生產，有效地提高了負極片的生產效率和產品質量，改善了工人勞動條件;該控制系統經過一年的實際運行，具有穩定性高、易操作、易維護等優點，已取得了較好的經濟效益，有著廣泛的應用前景。

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