1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 锂电池生产线涂布模块电气控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 涂布是锂电池生产技术中最重要的环节，而涂布机的稳定运行以及极片最终的工艺要求，都直接和涂布机的电气控制系统有关，所 以本文主要研究涂布机的电气控制系统。 本课题来源于宁波惠康国际工业有限公司，将锂电池生产线中的涂布模块的电气控制系统设计作为我的研究内容。按照动力设备部的设计要求，对锂电池生产线涂布模块进行了电气控制系统的设计，完成了电路原理图、 I/O 地址分配表、梯形图、 PLC 选型及外部接线图、伺
2、服控制模块、步进控制模块、变频控制模块和温度控制模块的设计。 本系统按照企业设计规范进行设计，设计严谨，方案合理。该系统对速度和位置等参数的控制要求很高，故选用变频器对放卷、牵引和收卷电机在整个前进过程的速度进行控制，使得极片前后 端都保持一样的速度，避免因速度不一而导致张力不均，最终使得薄膜带断带。选择伺服驱动器来完成背辊、涂辊、推动和调刀电机的定位控制和速度控制，使得极片的涂布参数符合技术规格。选用步进驱动器来控制纠偏电机，使得极片在整个前进过程中都不会走偏。通过以上方法来实现锂电池涂布设备的电气控制系统的有效运行。 关键词： PLC；电气控制系统；伺服驱动模块；步进驱动模块；变频模块 -
3、 2 - Abstract Coating is the most important part of the production technology of Li-ion Battery, the stable operation and the technological requirements of the final pole piece of Coating machine are directly depend on the electrical control system of Coating machine. Therefore, we are research the
4、electrical control system of Coating machine in this paper. This topic comes from Hicon International Industrial Co.Ltd of Ningbo, the electrical control system design of Coating module of the Li-ion battery production line as my research. In accordance with the design requirements of the Ministry o
5、f Power Equipment, we finished design the electrical control system of Li-ion battery module production line, a circuit diagram, I/O address assignment table, ladder, selection and external wiring of PLC, servo control module, stepper control module, frequency changer control module and temperature
6、control module. This system design proceed on the IMS Enterprise Specification accordance with enterprise design rigorously, the program is reasonable. The system make high control requirements of speed and position parameters, so choose frequency changer to control the speed of unwinding, traction
7、and rolling motor in the whole progress, to make sure the speed of front and back of the pole piece maintaining same, to avoid different rates result in uneven tension, Ultimately makes film with broken belt. Select the servo driver to complete the position and speed control of back roller, coating
8、roller, promote and tool setting motor, to make the coating parameters of pole piece correspond the Technical specifications. Using stepper driver to control a rectify deviation motor, to ensure the pole piece will not go wrong way in the whole process. Through the above methods, we achieve an effec
9、tive electrical control of the Li-ion battery coating equipment. Key Words: PLC; Electrical Control system; servo drive module; step drive module; - 3 - frequency conversion module; touch screen - 4 - 目 录 1 引言 .1 2 总体 设计 .3 2.1 工艺流程介绍 .3 2.2 电气控制系统总体框图 .5 2.3 电气控制系统技术参数要求 .7 3 硬件设计 .9 3.1 系统的电源及主电路设
10、计 .9 3.2 控制电路设计 .13 3.3 PLC 外围电路设计 .14 3.4 I/O 地址分配表 .16 3.4.1 主 PLC I/O 地址分配表 .16 3.4.2 主 PLC 扩展 1 I/O 地址分配表 .17 3.4.3 主 PLC 扩展 2 I/O 地址分配表 .18 3.4.4 主 PLC 扩展 3 I/O 地址分配表 .18 3.4.5 纠偏 PLC I/O 地址分配表 .19 3.4.6 调刀 PLC I/O 地址分配表 .20 3.5 电器元件清单 .20 3.6 PLC 选型 .21 3.6.1 主 PLC.21 3.6.2 主 PLC 扩展模块 .22 3.6.
11、3 纠偏 PLC.22 3.6.4 调刀 PLC 及扩展模块 .23 3.7 A/D、 D/A 转换模块 .23 3.7.1 FX2N-4AD.23 3.7.2 FX2N-4DA.23 3.8 伺服模块 .23 3.9 步进模块 .25 3.10 变频模块 .26 4 软件设计 .28 4.1 系统总体程序流程图 .28 4.2 触摸屏界面设计 .31 4.2.1 操作监控 .31 4.2.2 涂布参数 .32 4.2.3 加热操作 .35 4.2.4 系统参数 .36 4.2.5 推动参数 .38 4.2.6 调刀参数 .40 4.2.7 故障诊断 .41 4.2.8 重要说明 .44 4.
12、3 温度控制 .45 - 5 - 5 系统布局 .49 5.1 设备结构布局 .49 5.2 电气控制柜布局设计 .49 6 制作和调试 .51 7 总结与展望 .53 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .54 附录 1 系统实物图 .56 附录 2 系统电气图 .58 - 1 - 1 引言 本课题来自于宁波惠康国际工业有限公司，该公司 是 “ 中国制冷空调工业协会 ” 最早的成员之一 ， 中国十大中央空调专业生产厂家之一 ， 中国民营百强企业，浙江省百强企业，浙江省外贸出口优秀企业，宁波市高新技术企业。 该公司主要经营制冷产业，产品长期出口 到 欧美地区的 三十多个国家 ，其自主研
13、发的户式中央空调被中国制冷工业协会评为 推荐 产品，此外该公 司在房地产、新能源领域也有涉及。 由于电子信息学院和该单位有合作关系，经学院的介绍， 2010 年暑假本人在宁波惠康国际工业有限公司动力设备部实习。锂电池生产线涂布模块电气控制系统设计这个课题源自于该公司新涉及的新能源项目，这条生产线主要生产用于矿下照明的小容量锂电池。由于该公司采购的锂电池生产线为半自动化设备，所以整个生产流水线有十几个环节，每一个环节都有专门的生产设备，系统都很复杂，故选择众多环节中最重要的一个环节 涂布环节进行分析和研究。本课题的设计完全根据锂电池生产设备的要求来进行，切合实际。 锂 离子电池是目前理想的新一代
14、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。 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
15、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、镍酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。 - 2 - (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
16、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。 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还很少，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
17、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。 - 3 - 2 总体设计 2.1
18、 工艺流程介绍 在涂布生产工艺过程中，主要关注速度、张力、温度等几个至关重要的参数。首先，放卷机构和收卷机构要保持同步速度运行，速度不一样就会造成整条金属薄膜张力不均而出现断带现象；其次，在长达十几米的生产线上，如 何保证金属薄膜在过辊的牵引作用下，到最后收卷机构将金属薄膜精确的层与层盘卷在收卷辊上，而不至于变得参差不齐，这中间就要在牵引金属薄膜前进的生产线上安装位置纠偏传感器，从而使得不会走偏；然后，在将浆料涂到金属薄膜上之后，金属薄膜面上是湿的，而烘箱总长度为十五米，要保证涂过的极片在出烘箱的时候已经被烘干，这样才不至于在极片收卷成卷筒后，浆料粘附在金属薄膜的反面，最终影响电池的使用寿命和
19、性能，所以需要进行温度控制；最后，张力在整个系统的控制过程当中显得尤为重要，从将金属薄膜套到收卷辊后，将套在收卷辊上的金属薄膜和 在流水线上的金属薄膜用锡箔胶布粘合，就要调整金属薄膜卷筒的位置，使得宽度为三十几公分的金属薄膜左右两边的张力一致，这样才不至于出现浆料涂的不均匀、断带等显现，从而导致技术参数不合格，浪费浆料和材料。以下内容是对工艺流程的具体描述，涂布机完整的工艺流程图如下图 2-1 所示。 先将金属薄膜卷筒套装到放卷辊上，再将金属薄膜拉出一层，与放卷工作台上由压杆压着的金属薄膜对接好，用锡箔胶布将两条金属薄膜粘好，然后手动调整金属薄膜卷的左右张力，使之张力均衡，避免前进过程中因为张
20、力不均而出现断带现象，影响生产。 放 卷U 型传 感 器定 位控 制涂 布涂 辊 / 背 辊正 转左 右 调 刀光 纤 定 位左 右 推 动浆 料 搅 拌烘 烤温 度 控 制U 型传 感 器定 位控 制收 卷加 料热 电 偶图 2-1 工艺流程图 放卷机构由一台步进电机驱动工作。放卷开始后，薄膜前进到半米左右位置，- 4 - 有一个 U 型传感器，对薄膜进行位置检测，检测薄膜是否出现偏移，如果出现偏移，则由传感器给 PLC 一个信号，然后由 PLC 输出一个信号驱动步进电机改变工作台的位置，从而使薄膜保持笔直的路线前进。同样，在薄膜完成涂布，经烤箱烘烤后出来也有一个 U 型纠偏器，另外在薄膜到
21、达收卷机构前还有一个纠偏器，这些纠偏器都是用来纠正金属薄膜的位置的。 当金属薄膜经过一些过辊，到达涂布工作台时，按 照之前就已经在触摸屏里设置好的涂布参数，按下涂布按钮就可以进行涂布了。这时候涂辊开始正转，浆料装在一个紧紧挨着涂辊的槽内，涂辊转动的同时将浆料带到涂辊上，然后通过一些机械机构，由左右两个伺服电机推动背辊靠向涂辊，而金属薄膜是通过背辊前进的，薄膜随着背辊靠向涂辊，浆料就这样涂在金属薄膜上，等涂到设定的长度时，左右两个伺服电机推动背辊迅速弹开涂辊，留下一段空白，然后又再一次推动背辊靠向涂辊，完成接下去的第二片极片的涂布。涂布后，对涂过的极片进行测量，如极片不符合技术参数时，设备就要暂
22、停，将测量计算后的改正值输入触摸屏，然后再重新涂布，再进行测量，如果所测得的参数符合技术规格，那就不用做调整，如果不符合，就要重复上述步骤。 开始涂布前，凭调试经验给刀口设定一个高度位置，待涂了几片极片后，对这些极片进行测量。先用仪器取一块圆形的极片下来，然后用千分尺测量极片左、中、右的厚度，再用真空测重仪测量极片的重量，通过这些计算出面密度。如果左右厚度不一致，就要重新设定刀口位置。假设一开始的刀口位置为 380mm，再分别采样单面和双面的极片面密度，而实际的刀口位置值就是双面极片的面密度除以单面极片的面密度，再乘以刚开始给定的刀口位 置高度值所得的结果。 金属薄膜正面涂布涂好之后，要涂反面。之前涂好的极片已经都收卷好，此时要将放卷和收卷工作台上的压杆都压下，然后用刀片将金属薄膜割断，分别取下放卷薄膜卷筒和收卷好的金属薄膜卷筒，将两者调换，把手绢好的薄膜卷筒安装到放卷端，把放卷薄膜装到收卷端，用锡箔胶带将割断的地方粘好，确保不会断带后，然后开机进行反面间涂。触摸屏一端，首先涂布模式要选择反面间涂，然后按牵引按钮，让薄膜前进一段距离，待到快要到涂布工作台时，按下涂布按钮，在工作台下方有一个光纤定位传感器，当光纤传感器检测到正面涂好的第一片极 片时，马上给 PLC 一个信号，此时 PLC 就输出信号驱动背辊电机开始涂布了。
