1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化锂电池生产线涂布模块电气控制系统的设计一、课题研究意义及现状锂离子电池是目前理想的新一代绿色能源，它具有储能比能量高、循环寿命长、不会产生污染等优点。由于锂电池有着显著的优越性，世界各国都很重视，尤其是动力锂电池更备受关注。我国现在已是世界上的电池制造大国，目前的电池产量和出口量都位居世界第一。但需要知道的是，国内目前涉足动力锂电池的企业，无论是材料生产商，电芯制造企业，还是其他配套的企业，多数对行业、市场缺乏深刻了解，在技术上也存在着各种瓶颈，并且一时难以找到有效解决方案。此外，由于锂电技术发展迅速，随着锂电池材料、型号、质量要求以及工艺需求的不断改
2、变，国内还没有建立一套统一的锂电池行业标准。由此可见，我国的整体技术比国外要落后的多，要想在国际市场上占有一席之地，必须要有自己的核心技术。今后，国内各大锂电池生产企业必须以全自动化、高精度设备为发展方向，生产出具有自主产权的高性能专用生产设备，保证产品的高品质，不断扩大市场需求，走向世界。目前，中国锂电已经进入自足时代，量产能力迅速成长，在性价比上拥有外资品牌暂时无法比拟的优势。不过，在保证电池一致性方面，半自动生产方式显然无法企及全自动化生产。因此不少厂商在市场上初步站稳脚跟之后，不惜投入大量资金引进全自动生产线。由于国内在该行业的落后，技术上的瓶颈得不到解决，国内很多专门生产锂电池设备的
3、大公司也只能先通过引进国外的先进设备，然后经过一段时间的调试和熟悉，摸透生产设备的设计原理和机器性能之后，然后由工程师模仿人家的技术做出自己的设备来。锂电池属于一个新兴的绿色能源行业，锂电池生产技术也是一门新兴科技。目前，国内从事锂电池设备研究和生产的企业为数很少，主要以深圳雅康、浩能、鸿宝、锂易安等几家公司为主。这几家公司主要以生产间歇式涂布机、连续涂布机、连续分条机、微电脑裁切机、全自动卷绕机、半自动卷绕机等设备为主。在锂电池生产工艺过程中，包含以下环节：搅料、涂布、对辊、剪裁、焊接、卷绕、封装、注液、高温老化、检测、包装。其中，涂布环节显得尤为重要。锂电池的性能和使用寿命等优越性是通过每
4、一道生产工艺过硬的技术参数和生产技术体现出来的，而在涂布这个生产工艺要求最高，极片的厚度、致密度、粘稠度、留白都是随时要调节的重要参数，还有张力、速度、温度等方面的控制，这一系列的技术参数都要求设备具备高精准、高精度的特性，而这一系列动作都要依靠于电气控制，而国内从事于锂电池生产设备研发的相关人员又很少，所以把涂布模块的电气控制系统的研究作为我的毕业设计相当有意义。二、课题研究的主要内容和预期目标1.课题研究的主要内容1) 进行 PLC 点数的确定、PLC 的选型，初步选用三菱 、3UFX-64MR、 型 PLC。32ETNFX14MR2N2) 先完成电动机型号大小的选定，再对变频器、伺服驱动
5、器、步进驱动器进行选型。主电路的设计与绘制、外部电路接线图的设计及梯形图的设计。3) 计算设备的总功率，再根据功率大小来选择断路器的容量、电源线的大小。4) 对各个小断路器、接触器、继电器、滤波器、触摸屏、传感器等一些电气元件进行选定。5) 完成主电路的设计与绘制、外部电路接线图的设计及梯形图的设计。6) 完成触摸屏的设计与绘制。7) 最后在 PLC 实验室进行调试，完成整个设计方案。2.预期目标通过对涂布机整个生产工艺过程的了解，先根据技术要求完成 PLC、变频器、伺服驱动器、步进驱动器、伺服电机、步进电机以及其它电气元件的选型，再根据所有设备的总功率来选择断路器的容量，从而决定电源线的大小
6、，然后完成主电路和触摸屏的设计与绘制、I/O 地址分配，外部电路接线图的设计，梯形图的设计等。根据要求完成符合动作顺序、温度控制、定位控制、速度控制要求的电气控制系统方案，最后在实验室进行模拟调试。三、课题研究的方法及措施1涂布工艺在锂电池生产工艺过程中，包含以下环节：搅料、涂布、对辊、剪裁、焊接、卷绕、封装、注液、高温老化、检测、包装。其中，涂布环节显得尤为重要。所谓涂布就是将搅拌好的浆料涂到一层十几个毫米的金属薄膜上去（称之为极片） ，而涂布过程中随时要调整涂布参数以及极片的宽度、留白等。涂布模块包括放卷机构、涂布机工作台、烘箱和收卷机构。其中放卷、牵引和收卷电机用三台变频器来控制，三者运
7、行速度要保持一致，否则就会造成局部张力不均而导致断带或者带子太松使系统报警、停止运行。涂辊、背辊、左右推动、烘箱过辊、左右调刀七台伺服电机通过伺服驱动器来控制，它们的分别如下：涂辊、背辊、左右推动电机都用于控制极片的涂布；给系统设定好极片的长度、留白等参数后，系统进入运行，带子通过背辊和其它圆辊前进，当光纤传感器检测薄膜时，左推动电机和右推动电机一起推动背辊向涂辊上靠，旋转中的涂辊将浆料涂到薄膜上，当涂到设定好的长度后，左右推动电机又推动背辊很快弹开涂辊，就有一段距离的留白，等留白距离也够了之后，左右推动电机又推动背辊向涂辊上，涂好一片后又弹开，这样一片一片涂下去；烘箱过辊电机用于烘箱内薄膜带
8、的传输；左右调刀电机是用来控制刀口位置的，当涂好的极片经仪器检测之后就知道其厚度是否达标，如果厚度偏大或者偏小了，就可以当即给系统重新设定一个刀口高度，然后再检测重新设置后的极片厚度，如还不合格，再根据需要增大或者减小，如此调试几次之后使极片的规格符合技术标准。另外，系统的定位由三个步进电机来控制，分别是放卷纠偏电机、行程纠偏电机和收卷纠偏电机，电机根据AB6800 纠偏器反馈回来的数据，进行位置调整，从而使薄膜不会走偏。根据气动原理，用一个步进电机借助一个机械结构来控制浆料的搅拌。烘箱内，将两台鼓风机放置成一上一下的形式，从而形成一个循环热风来维持烘箱的温度基本不变。涂布环节的生产工艺好坏直
9、接关系到锂电池生产出来之后的性能和使用寿命。因此，研究涂布模块电气控制系统的意义非常重要。2系统总体框图放卷纠偏传感器涂布光纤传感器行程纠编传感器收卷纠偏传感器电机光电编码器光栅A/D 转换PLC触摸屏控制工作台输出模块鼓风电机抽风电机放卷电机牵引电机收卷电机背辊电机涂辊电机左右推动电机烘箱过辊电机左右调刀电机放卷纠偏电机行程纠偏电机收卷纠偏电机放卷前压杆电磁阀放卷后压杆电磁阀收卷压杆电磁阀搅拌电磁阀温控器烘箱温度传感器烘箱温度传感器用来向温控制传递烘箱实时的温度信息，如过高则温控器报警，从而提醒操作人员可以降低烘箱温度，如果过低就做出相应的提高。放卷、行程、收卷纠偏器都用于薄膜前进时位置的定
10、位，使薄膜不会走偏。涂布光纤传感器用于检测薄膜是否到到位，第一个作用是：如果薄膜经牵引到达光纤传感器的位置，光纤传感器一经检测到此信息，马上给系统一个信号，然后系统就可以命令其它机构可以运行了；另外一个用途是，当薄膜涂完正面，将涂好的薄膜卷放置回放卷机构进行反面间涂时，光纤传感器用于检测正面的极片，当光纤传感器检测到正面涂好的第一片极片时，同样给系统一个信号，然后系统进入运行，开始反面间涂。系统采用光电编码器来反馈各电机的实时速度，使各个电机能够以同样的速率运行，保持薄膜带的张力均匀，避免断带等现象的发生。A/D 模块用于采样各个传感器反馈回来的信息，然后经过转换之后送到 PLC，PLC 读取
11、A/D 模块的信息之后，根据程序设计的那样，如需做出调整，则输出一个信号，然后输出模块会驱动电机动作，从而达到所预期的目的。PID 控制器以其结构简单、易实现、稳态误差小、控制精度高等优点被广泛应用于控制过程中，并取得较好的控制效果，但实际控制过程中由于微分作用的效果不是很明显，故在此系统中采用 PI 控制来控制温度。对于烘箱内温度这种多变量、非线性、大滞后时变性的特性系统，常规的 PI 控制往往不能得到令人满意的效果，需要对 PI 的参数进行整定才能获得最佳的控制效果。而参数的的手动整定要求运行管理人员有丰富工程控制经验，故采用用参数自整定的方法才是保证 PI 控制效果的有效方法。PLC 的
12、选择：主 PLC 选用 FX3U-64MT，主 PLC 还有三个扩展模块，选用 FX2N-32ET,副 PLC 选用 FX3U-32MT，用 FX1S-14MT 用于纠偏信号的处理，A/D 转换选用 FX2N-4AD 和FX2N-4DA。该机型具有强大的多种集成功能和实时特性，配有功能丰富的扩展模块。I/O口及地址的分配：按照三菱 PLC 使用说明分配好主机 CPU，加上两个开关量的扩展模块和一个模拟量模块，然后按照工艺的要求参照三菱 PLC 使用说明来分配输出信号及地址。控制系统原理图：配置一个温度检测传感器件，将其输出信号输入一个温度变送器，再将稳定变送器的输出信号送到 PLC 的模拟量模
13、块中。画出具体系统控制原理图。主 PLC 用来完成系统的初始化，自动/手动选择、张力和速度控制、温度控制等；副 PLC 用来调刀。四、课题研究进度计划2010 年 11 月 17 日11 月 25 日:分析任务，收集课题相关资料2010 年 11 月 27 日12 月 20 日：完成开题报告、文献综述和外文翻译，进行开题答辩。2010 年 12 月 20 日2010 年 1 月 20 日:绘制主电路及输入输出 I/O 地址表及 PLC 梯形图设计。2011 年 1 月 15 日2 月 15 日: 完成触摸屏的设计与绘图。2011 年 2 月 19 日2 月 24 日：完成系统软件设置及调试。2
14、011 年 2 月 26 日3 月 20 日:完成接线图的绘制，撰写论文，并进行完善与修改。2011 年 4 月 1 日4 月 30 日:总结设计过程，继续撰写和修改完善毕业论文，上交论文终稿，制作答辩 PPT。2011 年 4 月 30 日:进行答辩。五、参考文献1杨振宇,何佳兵,桂祖平.国内锂电装备行业发展现状和趋势J.电子工业专用设备.2010,7(186)：29-31.2裘妙云,黄锦文.锂电池讲座J.北京：冶金工业出版社.1991,(4)：41-43.3主荣.锂电产业,引领动力电池未来EB/OL.2009,11.4主荣.锂离子动力电池产业亟待抢占制高点及提高安全性EB/OL.2009,
15、11.5主荣.浅谈我国锂电池行业的发展现状及存在问题EB/OL.2009,11. 6主荣.锂电行业产业链全观察EB/OL.2009,11. 7肖艳军等.基于ARM9的锌空电池生产线调速控制系统的设计J.微计算机信息.2009,25(4)：147-149.8 关玉明等.干嵌法锌空电池生产线张力控制系统设计J.机械设计与制造.2009,(8)：226-228.9孙立新,林树忠等.锂锰扣式电池生产线控制系统设计J.2004,4(2):102-103. 10齐坤坤,林树忠,孙立新,李其苏,魏国栋.PLC 结合触摸屏在锂锰扣式电池生产线中的应用J.装备制造技术.2008,9:81-83.11孟长流.LR
16、6碱性电池自动生产线控制系统J.西南交通大学学报.1998,33(2):193-196.12李卫星,张龙,郭龙.PT与PLC在碱锰电池生产线上的应用J.电池工业.2001,6(4):161-164.13 KUO-Ming CHANG and Chien-Pin WENG,Modeling and Control for a Coating MachineJ.2001,3:656-661.14Utkin,V.I,Modes and Their Application in Variable Structure System,(1978),Mir Publishers.毕业论文文献综述电气工程及自
17、动化锂电池生产线概述摘要：介绍锂电池作为新一代的理想能源，它在全球能源危机情况下，相比于其它新型能源所体现出来的优越性，以及它在国内外的发展趋势和现状，锂电池所涉及的产业链、锂电池的优点、锂电池的生产工艺过程和电气控制。关键词：锂电池产业；发展现状；优点；生产工艺过程1. 引言面对日益严重的环境污染和能源危机，世界各国都在出台了相关政策，制定新的能源战略，在节省现有能源的同时大力发展新型能源 1。由于锂电池有着储能比能量高、循环寿命长、不会产生污染等显著优点，所以引起了世界各国的高度重视，以锂电池为主导的锂电池产业在全球得以快速发展。2国内锂电池产业的发展、现状以及存在的问题早在 19 世纪六
18、十年代，美国就在开展军用锂电池的研制工作 2。1971 年，日本首先推出了实用型的锂一聚氟化碳电池，这一举动引发了世界各国竞相开发锂电池的热潮。近几十年来，以锂离子电池生产为主导的锂电产业在全球取得飞速发展。锂离子电池是目前理想的新一代绿色能源，它具有储能比能量高、循环寿命长、不会产生污染等优点 3。由于锂电池有着显著的优越性，世界各国都很重视，尤其是动力锂电池更备受关注。随着手机、笔记本电脑、数码相机等的消费和便携式电子产品的持续走强，锂离子电池的市场需求一直保持相当高的增长速度，市场对于锂离子电池的巨大需求也引导着锂离子电池行业的继续走强，整个锂电产业在全球正处于良好发展机遇。近些年来，很
19、多外资企业调整全球战略，将中国作为锂电池的生产基地 4-5。再加上我们国家 2008 年提出了新能源政策及其发展规划之后，国内的锂电池生产企业开始大量涌现，据 2009 年电池行业统计数据，我国已注册的锂电池生产企业有 1500 多家，整个行业呈现出蓬勃发展的姿势 1。但需要知道的是，国内目前涉足动力锂电池的企业，无论是材料生产商，电芯制造企业，还是其他配套的企业，多数对行业、市场缺乏深刻了解，在技术上也存在着各种瓶颈，并且一时难以找到有效解决方案。此外，由于锂电技术发展迅速，随着锂电池材料、型号、质量要求以及工艺需求的不断改变，国内还没有建立一套统一的锂电池行业标准。由此可见，我过的整体技术
20、比国外要落后的多，要想在国际市场上占有一席之地，必须要有自己的核心技术。今后，国内各大锂电池生产企业必须以全自动化、高精度设备为发展方向，生产出具有自主产权的高性能专用生产设备，保证产品的高品质，不断扩大市场需求，走向世界。目前，中国锂电已经进入自足时代，量产能力迅速成长，在性价比上拥有外资品牌暂时无法比拟的优势。不过，在保证电池一致性方面，半自动生产方式显然无法企及自动化生产。因此不少厂商不惜投入大量资金引进全自动生产线。目前，比亚迪、比克、邦凯等中国锂电企业以其特有的生产工艺，大幅度降低了锂电池的生产成本，改变了锂电产品日本企业一统天下的局面，但是在高端锂电市场，中国仍处于起步阶段，与跨国
21、大企业相比还有很大差距。3.锂电池产业概述 6按照锂电生产及其运用的地位划分，锂电产业链组成大致可划分为以下四个部分：(1)上游产业锂电上游产业主要是天然矿产资源，包括钴、镍、锰、磷、铁、锂及各种化合物，其中尤以钴和锂用量最大，但它们在自然界中储量有限，属于稀缺资源。(2)中游产业的材料环节研发新品种的核心锂电产业链第二环节属于锂电产业中最核心环节，决定了锂电技术进步的关键。电芯的原材料如下：正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电剂、粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜等。其中市场容量最大、附加值较高的是正极材料，大约占到锂电池成本的 30%，目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、
22、镍酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。(3)中游产业的规模化制造环节锂电产业链中游环节是电芯制造和 PACK 组装。相对来说属于劳动密集型的大规模制造产业，国内外涉足该领域的企业众多。而尤以大企业竞争优势明显，行业地位很难撼动，其中不乏像索尼、三洋、三星、LG 化学等跨国知名锂电业巨头；国内近些年上规模的企业也不断增长，现整体产业主要分布在日本、韩国、中国大陆及其台湾地区。中游厂商的共性特点是资本实力强、品牌知名度高、技术工艺成熟且有能力生产各种锂电池，除传统钴酸锂电池外，还能生产新型磷酸铁锂电池。(4)下游产业锂电产业链下游是指应用环节，包括低端的手机、笔记本电脑、数码相机、电动工具、矿灯市场，中
23、端的风电和太阳能储能市场，以及高端的电动自行车、电动摩托车、电动代步车、电动轮椅、电动轿车及电动客车市场等。在军事航天领域如坦克、潜艇、火箭、月球车等方面，锂电也大有用武之地。4.锂电池的优点 2（1 ）电压高。锂电池以电势最负的金属锂作负极，一般锂电池开路电压都在 3V 以上，而普通电池开路电压一般只有 1.5V，前者是后者的两倍。（2 ）比功率高，锂电池的比功率超过 200Wh/kg 和 400Wh/L，为普通电池的 4-10 倍。（3 ）工作温度范围宽，可在环境温度-55 +75范围内工作。具有耐低温特点，故其在极低温度下（-20C）电量不变。普通锂电则不耐低温，在-10时电量仅为 5%
24、。（4 ）放电电压平稳，平稳的放电曲线是大多数锂电池的共有特性。（5 ）适用范围大。目前已商业化的锂电池，容量最小的仅只 3mAh,而大已达101000Ah,从微电流到大电流放电都可以找到合用的锂电池。（6 ）贮存和使用寿命长, 锂电池贮存寿命可长达十年。由于锂电池采用的电解液正负极活性物质都很稳定, 虽然金属铿很活泼, 但在电解液中很快生成一层保护膜, 阻止了金属锂进一步反应, 从而提高了锂电池的湿搁置寿命, 在密封良好的条件下可贮存长达十年。5锂电池生产线工艺锂电池生产工艺过程包含以下环节：搅料、涂布、对辊、剪裁、焊接、卷绕、封装、注液、高温老化、检测、包装。锂电池最重要的前三个环节就是搅
25、料、涂布和对辊。首先是搅料，对照技术部制定的技术规格，将正极极片的所有材料按照一定的比例顺序配置好，然后放在一个几百升大的真空搅拌机内搅拌，搅拌时间一般为十个小时以上（负极浆料搅拌时间要比正极短很多） ，期间要保证这个容器的密封性和真空度。搅拌好之后，可以用粘度计测量浆料的粘稠度，从而得知浆料是否达到技术规格，经验老道的技术员一看就知道粘稠度大致是多少。浆料过稀或过稠都会影响极片涂出来的效果，最终也直接影响到电池的性能和使用寿命。解决好了浆料的问题，接下来就是涂布环节了。涂布机分为放卷机构、涂布机构和收卷机构。系统采用的涂布方式为：正面先涂布后留白，反面先留白后涂布。故在反面间涂时特别注意设置
26、参数，正面第一段留白对应反面第一段留白，正面第二段留白对应反面第二段留白。涂布涂好之后，再烘烤十二小时，然后拿出来对辊。对辊机同样分为三个部分，放卷机构、对辊机构和收卷机构。其中最重要的是对辊机构，由上下两个重达一吨的大辊筒组成，当极片由放卷机构慢慢传递过来时，下辊筒根据设定值上升到一定高度，和上辊筒一起将极片辊轧，辊轧之后的极片比之前要平滑，厚度会变小。如果极片厚度检测出来不符合技术规格，可以通过修正定位参数，将下辊筒下降后再抬起，逐次调试，最终达到所要求的技术参数。对辊之后要对极片进行裁片切片。同样在裁片机和切片机设备中输入合适的技术参数，然后再对极片进行操作。经过这两道工序之后，再用激光
27、点焊机把极耳焊到极片在涂步时预留的留白处。焊接好的极片就可以卷绕成电芯了。将负极极片放在上方槽内，正极放在下方槽内，两个极片经过一个传送带之后由卷轴卷成方形电芯，两片极片之间都隔着隔膜。卷绕好之后再将电芯装到铝塑模壳里，用封装机将它侧封和顶封，这样子一个电池就差不多成型了。接着再注入电解液，对它进行化成和分容，检测三十六个小时没有问题之后，就是一块成品电池了。6锂电池生产线控制系统由于锂电池生产设备的电气控制和其它一般的电池的控制原理是相似的，所以通过描述其它几种电池生产线控制系统来阐述锂电池生产线涂布控制模块的工作原理。6.1 锌空电池生产线控制系统(1)速度控制 7该系统采用新的运动设计和
28、控制方法，以实现极片制造的平稳、快速、高质。加料上采用飞洒漂浮式布料，旋转铣削式刮平，连续辊轧式干嵌，从而保证极片的致密度和较高的制造效率。在电池生产线中，首先由送卷机构将网状集流体输送到布料装置中进行布料，这里通过控制送料电机的转速来实现布料的均匀性，同时传送带电机把布好料的网状集流体输送到加热装置中进行加热，最后由轧制电机进行滚压成型。在锌空电池“干嵌法”生产中，对于送料电机、皮带传送电机、轧制电机的速度匹配控制有着很高的要求，在此，论文中提出了以 ARM9 为核心元件的速度匹配控制系统的设计。该系统用传感器采集电池极片的厚度、致密度、主电机转速信号，通过信号调理后输入主控制器，主控制器经过模糊计算来控制三台伺服电机动作。针对电机速度高精度匹配的要求，设计控制系统的总体方案如下：该系统选用交流伺
