扣式电池组装生产线自动化控制系统的设计

王 昉，孙法炯

（珠海市至力电池有限公司，广东珠海 519002）

1 扣式电池组装生产线概述

1.1 组装流程分析

扣式电池开始组装前需要准备好组装所需的各种材料和部件，包括正极片、负极片、隔膜等。这些材料必须经过检验，并按照规定进行分类、储存和配送。具体组装流程包括：①正极与负极叠层。在组装线中，操作员根据预定的堆叠方式将正极片（含有阳极活性物质）和负极片（含有阴极活性物质）逐层叠放在一起。该步骤要求准确的位置对齐和合适的压力控制。②隔膜插入。一旦正负极片堆叠完成，需要将隔膜插入其中以分离正、负电极并避免短路。隔膜要确保平整无皱，并且正确地插入到正负极之间。③卷绕与折叠。完成隔膜插入后，组装线会将电池卷成圆筒形状，并进行折叠以形成电池的正常结构。这需要高精度的机器来控制卷绕和折叠过程，确保电极层次不松散且平均压缩。④连接与固定。在卷绕和折叠完成后，组装线会通过焊接或其他连接方式将电池端子与正负极片连接起来。同时，还需要对电池进行外壳、密封圈等附件的固定工序。⑤充放电测试。最后一步是对组装完毕的扣式电池进行充放电测试。这涉及使用特定设备对电池进行容量、内阻、性能等方面的测量和评估，以验证其质量是否符合要求[1]。

1.2 设备需求分析

扣式电池组装生产线的设备和设施是确保整个组装过程顺利完成的关键部分，常用设备设施包括以下几种：①扣式电池自动组装机。该设备为核心设备，用于自动化组装扣式电池，包括供应托盘、传送带系统、夹具，能够实现自动放置电池单体、贴合正负极片和封装。②视觉识别系统。视觉识别技术在电池组装中起着关键作用。通过摄像头和图像处理算法，该系统可以检测电极片位置、贴合质量以及封装密封情况，确保组件的正确性和质量。③气压控制系统。用于控制气压力度和时间，确保正负极片在紧固过程中得到适当的压力，并实现可靠的焊接。④清洗设备。清洗工艺在扣式电池组装后至关重要。清洗设备可以移除生产过程中产生的杂质、油脂等物质，确保最终产品符合标准要求。⑤检测仪器。用于检测电池组装后的特性和性能。例如，内阻测试仪、电压测试仪等可以对组装后的电池进行严格的品质检查，以确保其符合规定的标准[2]。

2 自动化控制系统设计原则

2.1 可编程逻辑控制器（PLC）的优点

可编程逻辑控制器是扣式电池组装生产线自动化控制系统的核心选择，会对整个系统设计产生重大影响：①PLC 具备稳定可靠的工业级硬件和软件平台，针对复杂的工业环境设计，其可以耐受高温、湿度和振动，并具备抗干扰能力，能够在恶劣条件下保持长时间稳定运行。②PLC 拥有强大的输入输出（I/O）处理能力，可以通过数字输入输出（DI/DO）模块连接各种传感器和执行器设备，并通过模拟输入输出（AI/AO）模块处理连续信号。这使得PLC 能够灵活地接口和集成不同类型的设备，在电池组装过程中实现准确而快速的数据采集与控制。③PLC 提供了多种编程语言和开发环境供程序员使用。其中包括易于理解且图形化的梯形图（ladder diagram）、结构化文本（structured text）等。这些编程语言使得工程师能够编写直观清晰、易于维护和调试的控制逻辑代码。④PLC具备高度集成和通信能力，可以与其他设备（如人机界面、计算机、传感器等）进行数据交换和协同操作，实现全面的系统集成与监控。并且还支持现代工业通信标准，如以太网和Modbus 等，实现与其他系统的无缝连接和信息共享[3]。

2.2 通信网络架构设计

在扣式电池组装生产线自动化控制系统的设计中，通信网络架构起着关键作用，其负责将各个子系统连接起来并实现数据交换和协调操作。为了实现高效的数据交换和协调操作，可以采用分布式控制系统（DCS）作为扣式电池组装生产线自动化控制系统的通信网络架构。DCS 由多个分散部署的控制器和节点组成，通过共享信息与协同工作，实现整个生产线的自动化控制和监控。在这种架构中，每个子系统（例如扣式电池自动组装机、视觉识别系统、气压控制系统等）都被赋予一个独立的控制器或节点。这些控制器之间通过以太网或其他合适的通信协议进行连接，并形成一个集中管理和协调各个子系统的网络。

对于数据交换，可以采用基于发布/订阅模型（Publish/Subscribe）或客户端-服务器模型（Client-Server）来实现。在发布/订阅模型中，每个子系统可以发布感兴趣的数据到总线上，并订阅其他子系统所发布的数据。这种模型支持实时数据传输和事件通知，使各个子系统能够及时获取所需的数据，并进行相应的控制操作。而客户端-服务器模型则适用于请求-响应方式，其中某些子系统充当服务器提供服务，其他子系统作为客户端发起请求并获取响应。此外，网络架构设计还需要考虑网络拓扑结构和安全性。对于网络拓扑结构，可选择星型、总线型或环形等布线方式，以满足具体生产线的需求。在确保数据传输安全的前提下，可以采取加密、身份验证和访问控制等措施来保护通信网络的安全性[4]。

3 扣式电池组装生产线自动化控制系统设计要点

3.1 控制系统硬件设计

3.1.1 传感器选择与布置

在扣式电池组装生产线自动化控制系统中，传感器的选择和布置至关重要。传感器能够实时采集环境和设备状态的数据，并将其转换为可用于控制系统决策和操作的信号。常用传感器包括以下几种。

（1）温度传感器。温度在电池组装过程中起着重要作用，因为合适的温度范围可以确保电池组件及材料在正常工作条件下运行。选择适当类型的温度传感器（例如热敏电阻、热电偶或红外线传感器）以及合适位置进行布置非常重要。在扣式电池组装生产线中，温度传感器可以安装在各个关键节点，如焊接工站或涂覆工站附近，以监测温度变化并及时采取必要措施。

（2）压力传感器。压力是另一个需要监测的重要参数，在扣式电池组装过程中具有关键意义。压力传感器可以被安装在液体注入站点、焊接工站或其他需要对压力进行控制和监测的位置上。通过实时检测压力变化，控制系统可以调整操作参数，确保正确的压力施加到扣式电池组件上，并且当压力不达标时及时发出警报。

（3）位置传感器。在自动化控制系统中，准确的位置信息对于实现精确的运动控制至关重要。在扣式电池组装生产线上，位置传感器可以安装在机械臂、输送带或其他移动部件上。通过追踪元件和设备的准确位置，控制系统可以执行精确的操作和协调行为，以实现高效率和可靠性。

在完成对传感器的选择后，需要对传感器进行正确布置，充分考虑到其灵敏度、可靠性、适用环境以及接口与控制系统之间的兼容性。此外应根据特定任务需求考虑合理而经济地放置传感器位置，并避免干扰或损坏风险。

3.1.2 执行器选择与配置

执行器在扣式电池组装生产线自动化控制系统中主要负责完成机械动作和力量传递，实现各种操作和任务。在选择和配置执行器时，需要考虑多个因素，包括性能需求、可靠性、精度要求以及所需的力量和速度范围等。常用执行器主要有电机和气缸，在扣式电池组装生产线中，选择合适的电机可以实现高效、精确的运动控制。根据具体的需求，可以选择步进电机或伺服电机。步进电机适合需要准确定位和较低速度运动的任务，而伺服电机具有更好的响应特性和速度调节能力。气缸是利用空气压力驱动进行线性运动的执行器。在扣式电池组装过程中，可能需要用到气缸来实现推压、夹持、定位等操作。气缸具有简单结构、易于控制和快速响应的优点，并且能够提供足够大的推力。根据所需推力大小、工作频率和空间要求，可以选择不同类型的气缸，如单向作用气缸、双向作用气缸和轴向承载气缸等。关于配置方面，执行器的布置和安装位置对系统性能至关重要。需要考虑机械结构设计、传感器位置以及执行器之间的协调配合。此外，在执行器选择和配置过程中也要充分考虑节能和环境友好因素，例如优化功率消耗、减少噪音污染等。

3.1.3 控制设备选型

（1）可编程逻辑控制器（PLC）。PLC 是工业自动化领域最常用的控制设备之一，其具有强大的计算和控制能力，并且可编程性强。通过PLC，可以实现对传感器和执行器的准确控制，并编写逻辑程序来实现自动化操作。在选型时，需要考虑PLC 的输入/输出数量、处理速度、编程灵活性以及与其他设备的通信接口。

（2）人机界面（HMI）。HMI 是操作员与自动化控制系统进行交互的界面，可以提供直观的图形界面，显示生产线状态、操作参数和故障信息等。选择适当的HMI 设备时，需要考虑屏幕尺寸和分辨率、触摸功能、通信接口以及易于使用和定制化的特性。

（3）传感器。在电池组装生产线中，传感器用于检测和测量各种参数，例如电池尺寸、位置、温度和质量等。选择传感器时，需要考虑其测量范围、精度、稳定性以及与控制系统的兼容性。例如，使用光电传感器进行物体检测，压力传感器进行力的测量，温度传感器进行温度监控等。

（4）执行器。执行器用于实现自动化操作，如机械臂、气缸、伺服驱动器等。选择执行器时，需要考虑其运动范围、精度、速度和负载能力，并确保其与控制系统的兼容性。根据具体需求，可以选择旋转式、直线式或其他类型的执行器。

（5）数据采集与通信设备。为了实现数据采集和实时监控，可能需要选择适当的数据采集设备和通信模块。这些设备可以将传感器数据传输至控制系统或上层管理系统，以支持生产数据分析和远程监控。在选型时，需要考虑数据采集的速率、通信协议、网络连接方式等因素。

（6）选型时还应考虑供应商的可靠性和技术支持，以确保设备的质量和可靠性。根据具体的生产需求和自动化要求，结合以上因素进行综合评估和选择合适的控制设备。

3.2 自动化控制

3.2.1 生产线布局

（1）流程优化。首先，需要分析电池组装的工艺流程，并将其转化为一系列连续的工作站或操作步骤。确定每个工作站所需的时间和资源，并尽量优化流程顺序，最大程度上减少物料和零部件在生产线上的运输距离和时间。

（2）设备布局。在确定工作站和操作步骤的顺序后，需要将相应的设备安排在合适的位置，确保设备之间的间距足够，以便操作员能够自由移动并进行维护和修理。同时，要考虑设备之间的物料传送方式，例如传送带、输送线等，以促进物料的高效流动。

（3）空间利用。优化空间利用是提高生产线效率的关键。要充分利用可用的空间，可以考虑使用垂直空间，例如在生产线上方安装悬挂式输送线或储存系统。此外，合理规划设备的布局，确保设备之间没有冗余的空隙，最大程度地减少生产线的占地面积。

（4）安全性考虑。在设计生产线布局时，必须始终将安全放在首位，确保设备和工作站之间有足够的空间，以防止操作员发生意外伤害。此外，考虑到扣式电池组装涉及使用化学物质和高压设备，应采取相应的安全措施，如安全隔离、可靠的防护装置和紧急停机系统等。

（5）可扩展性和灵活性。在进行生产线布局设计时，要考虑未来的扩展和变化需求。尽量设计一个灵活的布局，以便根据市场需求和技术进步对生产线进行调整和扩展，包括预留空间用于新设备的添加或调整工作站的顺序。

3.2.2 控制算法设计与优化

具体优化过程包括路径规划以及运动控制，路径规划算法是通过分析零件位置、工作站布局以及任务要求，确定机器人或传送带的最佳移动路径。该算法考虑到时间效率、工作负载均衡和避免碰撞等因素，以最小化整体组装周期并提高生产效率。常用的路径规划算法包括A*（A-Star）算法、Dijkstra 算法和遗传算法等。而动控制算法主要用于控制机器人或执行器的运动，确保其精准、稳定的完成各项运动。在此过程中，该算法基于物理模型和反馈控制原理，在满足安全性和准确度要求的前提下，控制机械臂或其他设备完成组装过程中所需的各种运动操作。常见的运动控制方法包括PID 控制、轨迹插补和状态机等。

4 结束语

综上所述，通过对扣式电池组装生产线自动化控制系统的设计，能够提高生产效率、优化质量控制并推动清洁能源应用。通过对传感器选择与布置、硬件选型和配置方案、控制算法设计与软件开发等关键环节的深入研究和优化，使自动化控制系统效果功能更加突出。为此需要提高重视程度，通过智能化的控制手段保持正确的工作状态，提升生产效率、降低人为失误风险，并确保产品质量的稳定性，使该技术在清洁能源产业中发挥重要作用，为可持续发展作出贡献。