Profibus诊断技术在锂电池隔膜生产线上的应用

黄玉彦徐　森王道凯　王永华

(郑州轻工业学院1，河南 郑州　450002；河南新平科烟草机械有限公司2，河南 新乡　453000)



Profibus诊断技术在锂电池隔膜生产线上的应用

黄玉彦1徐森2王道凯1王永华1

(郑州轻工业学院1，河南 郑州450002；河南新平科烟草机械有限公司2，河南 新乡453000)

生产线温度的精确度和运行速度的稳定性，将直接影响到锂电池隔膜产品质量。为了提高整条生产线的稳定性及可靠性，采用Profibus现场总线技术，实现了生产流程的监视与现场设备的控制。在生产线安装调试的过程中，综合使用多种Profibus现场总线诊断技术，开发了锂电池隔膜生产线实时网络诊断系统。结果表明，该系统能够使锂电池隔膜生产线更加稳定、可靠地运行，并能及时、准确定位Profibus现场总线故障，解析故障原因。

现场总线ProfibusProfinet 工业以太网诊断锂电池隔膜OPC Server

0　引言

随着智能手机、平板电脑的快速增长，锂电池市场不断扩大。同时我国也是电动自行车生产大国和主要消费市场，电动自行车升级换代，为锂电池在电动自行车上的应用提供了巨大的市场需求。在锂电池中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，将直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用[1]。

近年来，现场总线技术被广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他自动化领域。干法双向拉伸技术是一种重要的锂电池隔膜的生产工艺。为了提高整个生产线的稳定性及可靠性，生产线采用Profibus现场总线技术，完成锂电池隔膜生产线的监控和现场设备间的数据交互与设备控制。

1　锂电池隔膜生产工艺

锂电池隔膜是一种高附加值锂电池材料，约占锂电池成本的20%～30%。高性能的锂电池隔膜一直被日本和美国所垄断，其技术难点在于隔膜造孔的工程技术以及基体材料。基体材料包括聚丙烯、聚乙烯材料和添加剂[2]。

目前，聚烯烃隔膜生产工艺可分为干法和湿法两大类，同时干法又可细分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。

2　干法双向拉伸生产线

干法双向拉伸技术作为一种重要的锂电池隔膜生产工艺，通过在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改进剂，利用聚丙烯不同相态间密度的差异，在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔，用于生产单层聚丙烯膜。

2.1生产线流程

锂电池隔膜的主要性能有：厚度均匀性、力学性能(包括拉伸强度和抗穿刺强度)、透气性能、理化性能(包括润湿性、化学稳定性、热稳定性、安全性)等四大性能指标[3]。干法双向拉伸生产线对设备的自动化程度要求非常高，隔膜生产过程中有大量的温度、压力、速度、流量、湿度、料位、张力、卷经、位置、厚度、开关信号和模拟量信号需要控制和显示。在生产过程中，生产工艺对速度和温度的精度控制以及速度链的控制要求极高，速度和温度的控制直接决定了薄膜的成孔率和厚度均匀性。锂电池隔膜干法双向拉伸生产线示意图如图1所示。

图1　干法双向拉伸生产线示意图

2.2控制系统网络架构

锂电池隔膜干法双向拉伸生产线采用了常见的现场总线系统网络架构，锂电池隔膜干法双向拉伸生产线网络架构图如图2所示。

图2　干法双向拉伸生产线网络架构图

系统管理监控层采用服务器/客户机架构，服务器通过交换机与四个操作站以及控制层交换数据；同时，提供Web功能，方便管理层通过浏览器查看工厂信息。服务器和操作员站采用SIMATIC WinCC作为组态软件，主要功能是从温度控制站和速度控制站获取现场设备运行状态参数、查看和修改设备运行工艺参数、控制现场设备的启动/停止等，以及记录各种温度和速度工艺参数，并实现各种数据分析和报表输出。

温度控制站和速度控制站采用SIMATIC S7-300作为控制层核心控制器，根据生产工艺要求，完成对生产线温度和速度的精确控制。现场设备层为多个Profibus DP从站，通过Profibus总线，采集现场模拟量和开关量信号，与主站交换数据。

3　生产线实时网络诊断系统

Profibus现场总线具有高速、低成本等特点，非常适合于设备级控制系统与分散式I/O的通信，用于现场设备层的高速数据传送。主站周期性地读取从站的输入信息，并周期性地向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短[4]。除周期性用户数据传输外，Profibus还提供智能化设备所需的非周期性通信(以进行组态)、诊断和报警处理等功能。同时，有多种Profibus现场总线诊断技术得到应用。在生产线安装调试的过程中，综合使用这几种Profibus现场总线诊断技术。

3.1Profibus常用诊断技术

①PROFITrace。

PROFITrace是一款强大的移动式网络分析仪，是Profibus网络维护和故障诊断的基本工具，非常容易探测各种Profibus现场总线故障。同时，PROFITrace可以快速获取Profibus总线运行系统的站点信息、站点通信通道电压、信号通信波形、网络拓扑结构、系统报文等信息[5]。

②PNIODiag。

西门子公司开发有诊断软件包PNIODiag。通过该诊断软件包，可以对 Profibus DP主站系统和 Profinet I/O 系统进行诊断评估。PNIODiag能够提供以下功能：I/O系统的站状态总览；诊断中继器的诊断显示；站状态的详细显示；触发站的诊断事件等。在生产线调试过程中，PNIODiag结合STEP7软件可以实时监视生产线网络状态。

③TH SCOPE。

TH SCOPE是一款Profibus、Profinet和工业以太网诊断软件，需要通过TH LINK实现现场总线网络接入[6-7]。TH LINK提供了接入多种现场总线网络的通路，是TH SCOPE和TH OPC Server 的基础，实现了车间监控层和现场设备层之间的有效连接，同时可以实时访问Profibus和工业以太网网络以及基本的网络诊断信息。

TH SCOPE可以实时查看可接入的网络信息和网络中各自设备的状态，利用趋势面板，可以监测一段时间内的网络质量，分析所有网络的状态和变化，并根据累积的网络诊断信息，提供相应的诊断建议。TH SCOPE结合Profibus Scope软件，可以深度分析生产线调试期间的Profibus网络诊断信息，并细化网络故障诊断；提供全面的Profibus网络报文分析和错误记录；全面分析Profibus标准诊断和指定设备的诊断报文；搜索、过滤、触发、长期记录Profibus报文。

3.2生产线实时网络诊断系统

PROFITrace不能长时间实时在线监测系统总线，只能短时存储报文数据，而且功能复杂，需要掌握专业的Profibus通信协议，适用于现场设备出现非常严重的通信故障时，临时在线检测生产线Profibus网络故障。PNIODiag需要修改项目程序，常用于简单地、直观地显示监控生产线Profibus网络状态，无法统计和分析现场网络故障。PROFITrace和PNIODiag更适合解决生产线安装、调试过程中出现的现场总线故障。

而TH SCOPE可以用于所有Profibus网络的安装、调试和运行过程。同时，TH SCOPE和TH LINK结合了PROFITrace和PNIODiag的优势，无需掌握Profibus专业网络协议知识，也无需更改原有项目程序，即可实现Profibus网络的永久自我监测。因此，项目中以TH SCOPE软件为基础，开发了锂电池隔膜生产线实时网络诊断系统。

TH SCOPE作为诊断系统基础软件，安装在单独服务器上，与原有项目相隔离。在原有的Profibus网络物理线路上，分别安装TH LINK网络接入设备，然后TH LINK通过现场交换机与TH SCOPE服务器相连。为了最小化改动原有网络线路，只需要找到就近网络节点的Profibus总线连接器，并替换为带编程口的总线连接器，即可实现TH LINK网络接入设备的安装。这样TH SCOPE服务器就可以实时获取生产线中温度和速度，控制主站的Profibus网络状态。

同时，多条生产线也可以共用一个TH SCOPE服务器。在每条生产线Profibus网络的物理线路上，只需安装TH LINK网络接入设备，并连接到TH SCOPE服务器即可。这样既能最大程度地节省系统成本、降低用户投资，又能实现工厂车间级的生产线实时网络诊断。 生产线实时网络诊断系统配置如图3所示。

图3　生产线实时网络诊断系统配置图

3.3系统应用

在实际应用中，TH SCOPE服务器可以作为专用的诊断系统，只需要按照软件操作说明，即可快速实现现场网络运行状态监控。同时，TH SCOPE本身也可以作为OPC Server，这样TH SCOPE数据也可以很好地与组态软件相集成，方便其他用户查看现场数据和电气维护。

为方便车间生产线用户在操作员站查看现场网络数据，本项目中的TH SCOPE 服务器作为生产线实时网络诊断系统的OPC Server，为多条生产线提供了现场总线网络诊断与统计数据。在车间生产线系统中，WinCC服务器作为OPC Client，通过交换机与OPC Server相连接，即可实现两者之间的实时数据交互。

由于OPC Server和OPC Client安装在不同的计算机上，OPC Client要实现远程访问OPC Server，需要对TH SCOPE 服务器进行DCOM配置，开放WinCC服务器相应的访问权限[7]。同时，在生产线系统中，WinCC组态软件需要配置OPC驱动连接程序，添加需要监控的变量，并创建相应的诊断参数画面。

4　结束语

电动汽车是未来锂电池的大市场。2013年，美国特斯拉公司在电动汽车市场获得瞩目成绩。该公司预计2016年仅其一家公司需要的锂电池用量将会超过目前全球3C市场锂电池用量，全球电动车市场所需的锂离子电池规模空前。锂电池隔膜是一种高附加值锂电池材料，直接影响着锂电池的成本与价格。

干法双向拉伸技术作为一种重要的锂电池隔膜生产工艺，其生产线采用了Profibus现场总线技术。

Profibus总线稳定可靠运行，决定着生产线的温度和速度控制精度，将直接影响锂电池隔膜生产质量。本文介绍了几种Profibus现场总线诊断技术，并开发了锂电池隔膜生产线实时网络诊断系统。该系统能够及时、准确地定位生产线中Profibus总线出现的故障，给出故障的可能原因，以便快速排除故障，最大限度地降低损失。

[1] 刘会会，柳邦威.锂电池隔膜生产技术现状与研究进展[J].绝缘材料,2014,47(6):1-5.

[2] 刘春娜.锂电池隔膜行业发展动态[J].电源技术,2015(4):657-658.

[3] 巫晓鑫,吴水珠,赵建青,等.锂离子电池聚烯烃隔膜改性及功能化研究[J].合成材料老化与应用,2012,41(4):43-48.

[4] 王永华,VERWERA.现场总线技术及及应用教程[M].2版.北京：北京机械工业出版社,2012.

[5] 翟婉波,白焰.PROFIBUS现场总线在DCS中的常见故障分析与诊断方法[J].中国科技纵横,2013(20):68-69.

[6] 韩顺成,陈秋苑.统一监控、诊断、分析PROFIBUS、PROFINET和工业以太网[J].中国仪器仪表,2014(1):37-38.

[7] 田茂琴.OPC数据访问服务器研究与应用[J].现代电子技术,2015,38(21)：72-75.

上海市高新技术领域基金资助项目(编号：15111106800)；

上海市社会发展领域基金资助项目(编号：16DZ1202500)。

Application of Profibus-based Diagnostic Technology in the Production Line of Lithium Battery Separator

In the production line of Lithium battery separator,accuracy of temperature control and stability of running speed directly affect the quality of products.In order to improve the stability and reliability of the whole production line,the Profibus field bus technology is used to implement monitoring of the production line and control of the field equipment.During installation and commissioning stages,several kinds of Profibus field bus diagnostic technologies are comprehensively used,and on such basis,the real time network diagnostic system is developed for the production line.The results show that the system can make the production line running more stably and reliably; as well as timely and accurately locates the fault of Profibus field bus,and analyzes the cause of the fault.

FieldbusProfibusProfinet Industrial ethernetDiagnosticLithium batterySeparatorOPC server

黄玉彦(1987—)，男，现为郑州轻工业学院电气工程专业在读硕士研究生；主要从事工业控制网络与系统的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609011

修改稿收到日期：2016-01-05。