新能源电池生产线控制系统软硬件设计

随着社会的快速发展以及社会主要矛盾转化，新能源电池和新能源汽车逐渐走进我们的日常生活。本文主要针对某新能源电池生产线，结合生产实际状态及工艺生产需求，基于西门子PLC对新能源电池生产线进行了设计，系统中的每个工作单元都可以组成一个独立的系统，可以单独进行分析和设计，通过硬件和软件的交互作用，能够使产线完成自动上料、自动堆叠、自动焊接、自动下线等功能。同时，本文着重介绍了如何利用传感器、步进电机、伺服系统、气动和PLC的知识来设计自动化生产线控制系统的硬件模块，如何根据要求设计本系统的软件模块,以及如何利用通讯来实现各模块间的交互，从而实现新能源电池生产线在生产过程中的有条不紊。

1新能源电池生产线控制系统方案设计

1.1新能源电池生产线系统需求分析

对于电池制造企业来说，电池的生产和客户订单的及时交付是企业生存的关键，而生产线是实现上述要求的基础。新能源电池生产线采用了模块化的设计方式，单元间可以实现安装便捷，并能够独立工作，通过各工序的来料单元化、模块化的工艺，在生产过程中便于模组生产快速换型。以某新能源电池生产商为例，该新能源电池生产线为模组装配线体，有多个工序组成，每个工序需要完成不同的生产任务，其主要的生产工序大致可分为电芯分选工序、物料上线工序、模组堆叠工序、组装工序、静置工序、下料工序。

1.2功能需求

本系统旨在提高电池生产线的自动化管理水平，打造监控系统平台，打造人性化的操作界面，操作人员可以通过触摸屏的报警进行故障识别，并及时了解实际生产状况，间接的控制了生产过程，并能够便捷的通过程序提示的报警做出快速响应。通过监控系统，以往人工传输的记录数据将被通过高速计算机网络传输的系统报告所取代，在一定程度上提高了各部门人员的工作效率。该系统具有以下主要功能：用户登录、数据采集、数据查询、数据处理、数据集成。

1.3性能需求

由于本系统属于基于PLC的自动化生产线控制系统，实时性是衡量本系统好坏的关键因素，其好坏将直接决定操作人员的体验，因此有必要提高系统实时性。决定实时系统性能的因素有两个：数据采集和数据传输。在数据采集方面，不仅提供生产数据实时PLC信号，客户端还需精确的读取PLC存储的数据，并提供服务器端的数据监控；数据传输需要通过多网段的网络传输，包括现场设备的内部网络和局域网，所以或多或少都会有延迟，且导致延迟的因素很多。

1.4安全需求

任何一套软件系统或是硬件系统都是必须考虑其安全性。由于系统是在局域网络运行，因此，只需知道网络端口以及所对应的IP地址，即可通过互联网或是局域网进行访问，存在一定的安全隐患。同时，数据在传输过程中，也是有可能无法精确的传输，或是无法及时、快速的传输。因此无论是从网络安全角度来考虑，还是从信息安全的角度来考虑，安全性在信息传输的过程中都是需要加强管控的。

2系统总体方案设计

2.1控制系统组成

自动生产线由供料单元、输送单元、装配单元、加工单元、搬运单元五大单元组成。五大单元之间由PLC通信控制，彼此之间相互独立，又相互联系，通过PLC控制系统实现自动生产线的控制功能。

2.2控制系统主要功能

（1）供料单元主要功能

供料单元是整个生产线控制系统中的起始单元，在整个控制系统中能够给其他单元提供物料。按照物料需求，将放置在上料位的物料输送至生产线，以便于输送单元的机械手将其自动抓取，并准确有序的输送至其他的工作单元。

（2）输送单元主要功能

输送单元是整个生产线的“血液”，该单元通过供料单元所触发的信号，上料台进行精准定位，并在上料台进行物料抓取动作，通过机械手或物流线将物料输送至指定的位置后放下。同时输送单元能够接收来自感应器、按键等模块的系统指令信号，通过PLC传输信号感应物料状态，加以综合后，向各个从站发出控制要求，从而达到协调整个生产线系统的工作。

（3）装配单元主要功能

装配单元能够对模组电池侧板、端板、绝缘罩、缓冲垫这些物料与新能源电池进行组装成型，不仅能够独立工作，还能够和其他的工作单元实现联动，从而使生产线的整个运行过程中形成一个整体。

（4）加工单元主要功能

加工单元是对模组进行整形后的整体加工，通过侧缝焊接从而使模组完成初成型。加工过程中通过传感器对模组到位信号进行自动识别，并通过与工业机器人、模组焊接平台等配合，实现模组的自动焊接以及计数管理。加工单元具备各种自动测量和过程监控功能，确保在进行加工成型的同时保证产品的精度及良率。

（5）搬运单元主要功能

搬运单元主要是指KUKA机器人的工作流程，KUKA机器人能够在整个生产过程中改变电池、物料的空间位置和存放状态。搬运单元是整个生产线自动控制过程中不可或缺的重要组成部分，是各个生产工序的物流枢纽，影响着生产线的物流活动和物流速度，在整个搬运过程中关系到直接关系到产品的质量及产品的安全。

五大生产单元在整个新能源电池制造中，通过PLC进行信号交互及控制，彼此之间紧密配合、相辅相成，每个单元都是缺一不可的。

3新能源电池生产线自动控制系统硬件设计

新能源电池生产线控制系统硬件设计是控制系统的重要组成部分，主要是为完成硬件平台的搭建工作，就像人的神经系统、运动系统、感官系统等。

3.1新能源电池生产线自动控制系统组成

针对新能源电池生产线的现状，为提高系统兼容性，在对新能源电池生产过程的研究和生产管理人员需求分析的基础上，开发了PLC监控系统。本电池生产线自动控制系统中引入分层系统结构设计理念，根据功能和硬件结构的不同，采用三层结构开发电池生产线监控系统。

3.2生产线自动控制系统硬件构成

通过对现场设备和工艺流程的考察，模组电池生产线是通过接收各工序间的感应信号对模块进行有效的监控和控制。从控制系统的规模来看，模组生产线属于较大型的控制系统，因此在产线设计中应综合考虑节约设计的成本。为此，选择西门子PLC控制系统作为模组电池生产线的主控系统，PLC控制系统具有较高的稳定性，能够稳定的在不同的环境下运行，并且PLC的操作流程相对较为简单，能够与现场总线、上位组态软件等相互结合。

4新能源电池生产线控制系统软件设计

新能源电池生产线自动控制系统的软件设计在整个控制系统设计中也是十分重要的一个板块。在设计控制系统软件时，考虑到软件系统的可靠性、兼容性、界面的易用性和软件系统功能的完备性。

4.1用户程序结构设计

编程语言可以依据操作人员的习惯，对语句表、功能块图和梯形图三者进行转换。因为在进行新能源电池生产线自动控制系统的设计中，梯形图能够更加直观的展现程序逻辑，因此，在进行系统设计时选用梯形图的形式进行程序编写。SIMATICSTEP7V16在编写程序的过程中具有模块统一化、结构统一化的特点。它能够将不同功能的程序在一个模块中进行封装，在后续使用或编写时能够实现快速调用，从而快速对工艺路线进行编写设置，因此在进行程序测试、程序更新时就会变繁为简，实现产线的快速更新换型。新能源电池生产线自动控制系统部分程序的组织块（OB）、函数块（FB）、函数（FC）、数据块（DB）。

4.2全局界面设计

新能源电池生产线监控系统的全局画面可以展现整个生产线的模组电池生产流程，现场人员可以通过全局画面所反馈的信息掌握生产状态。首先，电池通过物流线输送至生产车间，通过OCV测试对电池的内阻和电压进行测试，选取状态OK的电池进行投料，KUKA机器人通过上料台对生产物料进行抓取，与清洗、涂胶后的电池一同放置在堆叠台进行模组电池的堆叠。其次，经侧缝焊接工艺将模组电池至于模组静置区域进行模组静置，待静置20分钟后，完成模组下线。在生产过程中现场操作人员可以通过触摸屏下方的各个功能块切换不同的组态画面，利用事先设置好的三级权限，登录对应权限可实现工艺参数的修改。另外，生产线控制系统具有手动模式和自动模式，通过点击界面中“自动”按钮，可以进入手自动切换画面。出于安全考虑，系统默认手动方式为原始状态，必须点击屏幕中的“自动”才能够实现系统的正常运行，在“自动”模式下，界面内的手动按钮均无法进行操作。反之，在“手动”模式下，设备的状态能够通过点击屏幕实现动作。

4.3生产工序界面设计

在设计的全局界面点击相应的虚拟图标，即可进入对应工序界面，如点击“1#焊接图标”，组态界面会进行跳转，使得操作人员可以对模组电池的焊接过程进行操作及实时监控。

5新能源电池生产线控制系统调试

在完成程序及组态界面设计后，需要对系统进行调试，以满足产线所需，新能源电池生产线的控制系统调试流程包括四个步骤：

系统硬件连接：在对系统硬件连接前，首先需要按照规划图将对应的硬件设备放置于对应区域。硬件连接时，要确保设计的接线图准确无误，避免误接、错接发生，连接完毕后，对数据采集设备与I/O点、生产设备与PLC控制器的接线进行检查，确保连接正确且牢固。

软件程序下载：选中设计好的新能源电池生产线项目，打开博途V16，将预先设计好的IP地址进行设置，最后将控制程序及组态下载到S7-1200PLC中。

系统通讯测试：确保PLC通信模块与上位机的IP在一个网段，通过以太网连接成功后，通过“ping”检查通讯建立是否正常。

系统综合调试：由于在对生产线改造时存在更换设备位置及引入新设备的情况，所以在生产之前要对KUKA机器人的点位进行重新调整，完成对点后，以手动本地状态的方式对产线进行试运行，经过设备点位精调及元器件排查后，再以自动方式进行试运行，运行无异常后即可将设备运行速度提升至100%，以满足产能所需。

6结论

本次设计的新能源电池生产线在硬件方面将上料及堆叠板块改造为双工位，焊接板块在原有逻辑基础上增加了长度方向上的防呆，提高了产线节拍及安全系数；在软件方面涂胶计量系统中，采用了BP神经网络PID控制算法，设计了BP神经网络PID控制器，实现了涂胶计量系统的出胶稳定性和精确性，有效提高了产品的良率。