采用PLC和PWS系列触摸屏实现锂锰扣式电池生产线系统的软硬件设计

目前国内锂锰电池大部分的生产设备还停留在手工或半机械化程度，对于扣式电池来说，这样的生产效率十分低下，研制具有自主知识产权的锂锰扣式电池自动组装生产线是非常必要的，也是我国工控自动化的一大进步。

1、锂锰扣式电池生产线的组成及其功能

本锂锰扣式电池生产线是用于组装CR2032电池的，根据锂锰扣式电池的生产工艺，其主要任务是：在带有集流网、负极片的负极壳体内，依次加入隔膜和饱浸电解液的正极片，并补充正极片中挥发的电解液，并在保证电解液完全渗透的前提下，加盖正极壳体并封口。为此生产线主要由剪切隔膜纸工序、注电解液及上正极片工序、正极壳体装配工序以及封口工序等4个工序组成。

2、PLC控制系统的硬件设计

由于PLC具有控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等优点，能适应工业现场的恶劣环境，所以采用PLC作为生产线的主控制系统，能满足生产的需要。

根据锂锰扣式电池生产线的具体情况，选用了日本Omron公司的可编程控制器和扩展模块作为生产线的核心控制部分；采用PWS系列触摸屏（台达电子），触摸屏和PLC之间通过RS2232C进行通讯。触摸屏用于按键输入、参数设置、监控画面显示以及故障原因显示等功能。锂锰扣式电池生产线控制系统框图如图1所示。

在PLC控制系统中，主要的检测元件有对射光电开关、漫反射光电开关、接近开关、磁性开关、压力传感器、行程开关等；执行部件主要有电机、气缸、振动料斗、海霸泵、冲床、声光报警器以及状态显示灯等。

在这个系统中，关键技术环节是料斗的控制，它是影响电池表面质量的一个关键因素；各道工序之间的协调一致，也是保证生产线正常工作的关键。

图1 控制系统框图

2.1 振动料斗的控制

负极壳、正极片和正极盖均采用振动料斗进行自动上料。

若正极片和正极盖在料斗中反复运动，则会损坏正极片和将正极盖划伤，因此在振动料斗的料道上增加了料满检测传感器，一旦料满则停止振动料斗；当料道上的料不满时，振动料斗开始振动。振动料斗控制框图如图2所示。

图2 振动料斗控制框图

2.2 各道工序之间的协调

由于电池组件的尺寸非常小，给生产线的上料和输送带来了很大困难，再加上某些工序可能会产生次品，中间还会有次品剔除的情况，电池组装生产线的4个工序之间很难做到完全同步。在生产线的输送线上安装了检测传感器，当输送线上的料较少（少于传感器的安装位置）时，下一个工序的转盘就自动停止工作；当前面的料输送过来，超过了传感器的安装位置时，转盘自动开始转动，恢复工作。这样就可以保证某道工序的连续运行。在输送线上还装有堵料检测传感器，一旦发生堵料现象，将进行报警并自动停车，工序协调框图如图3所示。

图3 工序协调控制框图

3、PLC控制系统的软件设计

该生产线中执行元件和状态检测元件的种类和数量较多，是一个比较复杂的控制系统，我们采用模块化的思路，使用梯形图来设计控制系统的软件，将整个系统的控制程序根据所处的位置分成4个模块，即剪切隔膜纸模块、注电解液及上正极片模块、正极壳体装配模块以及封口模块，前3个模块以3个转盘为主线，协调彼此的动作，而第4个模块以封口压力机作为主线，来协调彼此的动作。这样程序的条理性增强，可读性好，修改程序方便。

在系统中充分利用触摸屏的优势，除了完成按键的输入功能以外，还可以显示各工序和整条生产线的监控画面；若工作过程中出现故障，除了进行声光报警外，还在触摸屏上显示故障的种类、原因以及解决办法，方便了操作；在触摸屏上还显示生产的产品数量。

为了提高锂锰扣式电池生产线的可靠性，保证设备和人员的安全，除了选用优质元件之外，还采取了许多有效保护措施，例如，为了防止由于气压降低或气路出现故障而使转动盘损坏气缸，设置了压力检测传感器，一旦压力低于给定值，则自动停止转盘并报警；为了防止封口冲床在工作时出现人身事故，在冲床上安装了光电检测传感器，一旦人手接近冲头，则设备自动停机并发出报警信息；为了防止由于调整失误而损坏转盘上的气缸，特地增加了机动互锁装置，从而有效地保护机械和气动装置；此外控制软件中还在多处使用了冗余控制，从而保证了设备的正常安全运行。

4、结语

为了提高系统的可维护性，在触摸屏和设备上设置了许多状态信息的指示和故障显示以及声光报警。在PLC系统内部设置了故障诊断功能，当出现故障时就自动停车，实现自我保护。为了便于用户的操作，缩短维修时间，在PLC控制软件中，巧妙地运用了HR型保持继电器和计数器的保持性，使得生产线在任意时刻停机，在排除故障后，不必手动调整，就可继续正常工作。经实际使用表明：该控制系统具有结构简单、成本低、可靠性高、使用灵活方便、便于维护等优点，在实际生产使用中效果很好。

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