扣式電池組裝生產線自動化控制系統的設計

王 昉，孫法炯

（珠海市至力電池有限公司，廣東珠海 519002）

1 扣式電池組裝生產線概述

1.1 組裝流程分析

扣式電池開始組裝前需要準備好組裝所需的各種材料和部件，包括正極片、負極片、隔膜等。這些材料必須經過檢驗，并按照規定進行分類、儲存和配送。具體組裝流程包括：①正極與負極疊層。在組裝線中，操作員根據預定的堆疊方式將正極片（含有陽極活性物質）和負極片（含有陰極活性物質）逐層疊放在一起。該步驟要求準確的位置對齊和合適的壓力控制。②隔膜插入。一旦正負極片堆疊完成，需要將隔膜插入其中以分離正、負電極并避免短路。隔膜要確保平整無皺，并且正確地插入到正負極之間。③卷繞與折疊。完成隔膜插入后，組裝線會將電池卷成圓筒形狀，并進行折疊以形成電池的正常結構。這需要高精度的機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，組裝線會通過焊接或其他連接方式將電池端子與正負極片連接起來。同時，還需要對電池進行外殼、密封圈等附件的固定工序。⑤充放電測試。最后一步是對組裝完畢的扣式電池進行充放電測試。這涉及使用特定設備對電池進行容量、內阻、性能等方面的測量和評估，以驗證其質量是否符合要求[1]。

1.2 設備需求分析

扣式電池組裝生產線的設備和設施是確保整個組裝過程順利完成的關鍵部分，常用設備設施包括以下幾種：①扣式電池自動組裝機。該設備為核心設備，用于自動化組裝扣式電池，包括供應托盤、傳送帶系統、夾具，能夠實現自動放置電池單體、貼合正負極片和封裝。②視覺識別系統。視覺識別技術在電池組裝中起著關鍵作用。通過攝像頭和圖像處理算法，該系統可以檢測電極片位置、貼合質量以及封裝密封情況，確保組件的正確性和質量。③氣壓控制系統。用于控制氣壓力度和時間，確保正負極片在緊固過程中得到適當的壓力，并實現可靠的焊接。④清洗設備。清洗工藝在扣式電池組裝后至關重要。清洗設備可以移除生產過程中產生的雜質、油脂等物質，確保最終產品符合標準要求。⑤檢測儀器。用于檢測電池組裝后的特性和性能。例如，內阻測試儀、電壓測試儀等可以對組裝后的電池進行嚴格的品質檢查，以確保其符合規定的標準[2]。

2 自動化控制系統設計原則

2.1 可編程邏輯控制器（PLC）的優點

可編程邏輯控制器是扣式電池組裝生產線自動化控制系統的核心選擇，會對整個系統設計產生重大影響：①PLC 具備穩定可靠的工業級硬件和軟件平臺，針對復雜的工業環境設計，其可以耐受高溫、濕度和振動，并具備抗干擾能力，能夠在惡劣條件下保持長時間穩定運行。②PLC 擁有強大的輸入輸出（I/O）處理能力，可以通過數字輸入輸出（DI/DO）模塊連接各種傳感器和執行器設備，并通過模擬輸入輸出（AI/AO）模塊處理連續信號。這使得PLC 能夠靈活地接口和集成不同類型的設備，在電池組裝過程中實現準確而快速的數據采集與控制。③PLC 提供了多種編程語言和開發環境供程序員使用。其中包括易于理解且圖形化的梯形圖（ladder diagram）、結構化文本（structured text）等。這些編程語言使得工程師能夠編寫直觀清晰、易于維護和調試的控制邏輯代碼。④PLC具備高度集成和通信能力，可以與其他設備（如人機界面、計算機、傳感器等）進行數據交換和協同操作，實現全面的系統集成與監控。并且還支持現代工業通信標準，如以太網和Modbus 等，實現與其他系統的無縫連接和信息共享[3]。

2.2 通信網絡架構設計

在扣式電池組裝生產線自動化控制系統的設計中，通信網絡架構起著關鍵作用，其負責將各個子系統連接起來并實現數據交換和協調操作。為了實現高效的數據交換和協調操作，可以采用分布式控制系統（DCS）作為扣式電池組裝生產線自動化控制系統的通信網絡架構。DCS 由多個分散部署的控制器和節點組成，通過共享信息與協同工作，實現整個生產線的自動化控制和監控。在這種架構中，每個子系統（例如扣式電池自動組裝機、視覺識別系統、氣壓控制系統等）都被賦予一個獨立的控制器或節點。這些控制器之間通過以太網或其他合適的通信協議進行連接，并形成一個集中管理和協調各個子系統的網絡。

對于數據交換，可以采用基于發布/訂閱模型（Publish/Subscribe）或客戶端-服務器模型（Client-Server）來實現。在發布/訂閱模型中，每個子系統可以發布感興趣的數據到總線上，并訂閱其他子系統所發布的數據。這種模型支持實時數據傳輸和事件通知，使各個子系統能夠及時獲取所需的數據，并進行相應的控制操作。而客戶端-服務器模型則適用于請求-響應方式，其中某些子系統充當服務器提供服務，其他子系統作為客戶端發起請求并獲取響應。此外，網絡架構設計還需要考慮網絡拓撲結構和安全性。對于網絡拓撲結構，可選擇星型、總線型或環形等布線方式，以滿足具體生產線的需求。在確保數據傳輸安全的前提下，可以采取加密、身份驗證和訪問控制等措施來保護通信網絡的安全性[4]。

3 扣式電池組裝生產線自動化控制系統設計要點

3.1 控制系統硬件設計

3.1.1 傳感器選擇與布置

在扣式電池組裝生產線自動化控制系統中，傳感器的選擇和布置至關重要。傳感器能夠實時采集環境和設備狀態的數據，并將其轉換為可用于控制系統決策和操作的信號。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，因為合適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行。選擇適當類型的溫度傳感器（例如熱敏電阻、熱電偶或紅外線傳感器）以及合適位置進行布置非常重要。在扣式電池組裝生產線中，溫度傳感器可以安裝在各個關鍵節點，如焊接工站或涂覆工站附近，以監測溫度變化并及時采取必要措施。

（2）壓力傳感器。壓力是另一個需要監測的重要參數，在扣式電池組裝過程中具有關鍵意義。壓力傳感器可以被安裝在液體注入站點、焊接工站或其他需要對壓力進行控制和監測的位置上。通過實時檢測壓力變化，控制系統可以調整操作參數，確保正確的壓力施加到扣式電池組件上，并且當壓力不達標時及時發出警報。

（3）位置傳感器。在自動化控制系統中，準確的位置信息對于實現精確的運動控制至關重要。在扣式電池組裝生產線上，位置傳感器可以安裝在機械臂、輸送帶或其他移動部件上。通過追蹤元件和設備的準確位置，控制系統可以執行精確的操作和協調行為，以實現高效率和可靠性。

在完成對傳感器的選擇后，需要對傳感器進行正確布置，充分考慮到其靈敏度、可靠性、適用環境以及接口與控制系統之間的兼容性。此外應根據特定任務需求考慮合理而經濟地放置傳感器位置，并避免干擾或損壞風險。

3.1.2 執行器選擇與配置

執行器在扣式電池組裝生產線自動化控制系統中主要負責完成機械動作和力量傳遞，實現各種操作和任務。在選擇和配置執行器時，需要考慮多個因素，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。常用執行器主要有電機和氣缸，在扣式電池組裝生產線中，選擇合適的電機可以實現高效、精確的運動控制。根據具體的需求，可以選擇步進電機或伺服電機。步進電機適合需要準確定位和較低速度運動的任務，而伺服電機具有更好的響應特性和速度調節能力。氣缸是利用空氣壓力驅動進行線性運動的執行器。在扣式電池組裝過程中，可能需要用到氣缸來實現推壓、夾持、定位等操作。氣缸具有簡單結構、易于控制和快速響應的優點，并且能夠提供足夠大的推力。根據所需推力大小、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。關于配置方面，執行器的布置和安裝位置對系統性能至關重要。需要考慮機械結構設計、傳感器位置以及執行器之間的協調配合。此外，在執行器選擇和配置過程中也要充分考慮節能和環境友好因素，例如優化功率消耗、減少噪音污染等。

3.1.3 控制設備選型

（1）可編程邏輯控制器（PLC）。PLC 是工業自動化領域最常用的控制設備之一，其具有強大的計算和控制能力，并且可編程性強。通過PLC，可以實現對傳感器和執行器的準確控制，并編寫邏輯程序來實現自動化操作。在選型時，需要考慮PLC 的輸入/輸出數量、處理速度、編程靈活性以及與其他設備的通信接口。

（2）人機界面（HMI）。HMI 是操作員與自動化控制系統進行交互的界面，可以提供直觀的圖形界面，顯示生產線狀態、操作參數和故障信息等。選擇適當的HMI 設備時，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。在電池組裝生產線中，傳感器用于檢測和測量各種參數，例如電池尺寸、位置、溫度和質量等。選擇傳感器時，需要考慮其測量范圍、精度、穩定性以及與控制系統的兼容性。例如，使用光電傳感器進行物體檢測，壓力傳感器進行力的測量，溫度傳感器進行溫度監控等。

（4）執行器。執行器用于實現自動化操作，如機械臂、氣缸、伺服驅動器等。選擇執行器時，需要考慮其運動范圍、精度、速度和負載能力，并確保其與控制系統的兼容性。根據具體需求，可以選擇旋轉式、直線式或其他類型的執行器。

（5）數據采集與通信設備。為了實現數據采集和實時監控，可能需要選擇適當的數據采集設備和通信模塊。這些設備可以將傳感器數據傳輸至控制系統或上層管理系統，以支持生產數據分析和遠程監控。在選型時，需要考慮數據采集的速率、通信協議、網絡連接方式等因素。

（6）選型時還應考慮供應商的可靠性和技術支持，以確保設備的質量和可靠性。根據具體的生產需求和自動化要求，結合以上因素進行綜合評估和選擇合適的控制設備。

3.2 自動化控制

3.2.1 生產線布局

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

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

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

（4）安全性考慮。在設計生產線布局時，必須始終將安全放在首位，確保設備和工作站之間有足夠的空間，以防止操作員發生意外傷害。此外，考慮到扣式電池組裝涉及使用化學物質和高壓設備，應采取相應的安全措施，如安全隔離、可靠的防護裝置和緊急停機系統等。

（5）可擴展性和靈活性。在進行生產線布局設計時，要考慮未來的擴展和變化需求。盡量設計一個靈活的布局，以便根據市場需求和技術進步對生產線進行調整和擴展，包括預留空間用于新設備的添加或調整工作站的順序。

3.2.2 控制算法設計與優化

具體優化過程包括路徑規劃以及運動控制，路徑規劃算法是通過分析零件位置、工作站布局以及任務要求，確定機器人或傳送帶的最佳移動路徑。該算法考慮到時間效率、工作負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效率。常用的路徑規劃算法包括A*（A-Star）算法、Dijkstra 算法和遺傳算法等。而動控制算法主要用于控制機器人或執行器的運動，確保其精準、穩定的完成各項運動。在此過程中，該算法基于物理模型和反饋控制原理，在滿足安全性和準確度要求的前提下，控制機械臂或其他設備完成組裝過程中所需的各種運動操作。常見的運動控制方法包括PID 控制、軌跡插補和狀態機等。

4 結束語

綜上所述，通過對扣式電池組裝生產線自動化控制系統的設計，能夠提高生產效率、優化質量控制并推動清潔能源應用。通過對傳感器選擇與布置、硬件選型和配置方案、控制算法設計與軟件開發等關鍵環節的深入研究和優化，使自動化控制系統效果功能更加突出。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，提升生產效率、降低人為失誤風險，并確保產品質量的穩定性，使該技術在清潔能源產業中發揮重要作用，為可持續發展作出貢獻。