源電池尤其是動力鋰電池產業(yè)是近些年非常火爆的新興產業(yè)，市場發(fā)展前景非常富有想象力。相對于傳統(tǒng)的不管是鉛酸蓄電池，還是鎳氫電池，甚至燃料電池，鋰電池無論是在壽命、環(huán)保、安全方面，還是高容量、體積小、重量輕等方面有很大的優(yōu)越性及發(fā)展?jié)摿ΑＰ滦袠I(yè)，新產品往往是百花齊放，也有魚目混珠。

       目前這個行業(yè)，不管是電池本身的設計,還是其生產工藝，還是制造它的生產線及設備都還缺乏比較完善的規(guī)范化、標準化指導，尤其是其產品線的后段。這樣導致的現(xiàn)狀是產品線設計及調試周期長，投入資源大，而最后產品品質得不到保證，生產效益低也是目前行業(yè)普遍現(xiàn)象。

       我們知道自動化線及設備設計的成功與否或者好壞，不但取決于自動化技術水平：包括設計理念、控制架構、元器件選型、作業(yè)方式等的把握及其標準化、規(guī)范化；而且也取決于產品結構及其生產工藝的標準化、規(guī)范化。

       對于后者，自動化設備提供是無法準確把握的，而電池生產廠家往往又對自動化產線及設備的技術缺乏足夠的理解。實踐證明：要實現(xiàn)生產自動化線及設備的高效化需要產品開發(fā)與設備開發(fā)兩者的高度融合。也就是說，面向客戶、面向產品、面向工藝才是自動化行業(yè)的根本目的和設計落腳點；而方案、技術、選型等只是實現(xiàn)的方法和手段。

       本文主要是探討動力鋰電池自動化產線控制系統(tǒng)設計及相關設備、儀器、工具的選型的一些思路。

       目前市場上采用較多的鋰電池主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，首先二者正極原材料差異就大，因而雖然整個生產工藝流程比較接近但各階段工藝參數(shù)還是有差異，而且不同應用廠家有不同的材料的使用和配比，工藝的變化、相應的設備選擇也就有差異。

       另外，鋰電池從外形上分方形電池、圓柱電池和軟包電池；而從應用的角度，又分數(shù)碼電池、動力電池、儲能電池。其中動力電池和儲能電池是將眾多單個的電芯通過串、并聯(lián)的方式連接起來的電池組及電池包，并綜合了動力和熱管理等電池管理系統(tǒng)。

       相比于數(shù)碼電池，電芯的配組、組裝是動力電池系統(tǒng)生產、設計應用的關鍵，是連接上游電芯生產和下游（如整車生產）應用的核心環(huán)節(jié)。相比電池的前段相對標準化的電芯生產、組裝工藝，后段電芯的配組、組裝工藝，目前還缺乏成熟的行業(yè)標準。

       本文將主要以方形電芯動力鋰電池為例，探討其后段的生產控制系統(tǒng)。

       鋰電池生產牽涉到一套很長、復雜的生產鏈，從整個生產鏈來看鋰電池生產是典型的流程式生產，即工藝過程基本上是連續(xù)進行的，生產順序幾乎不變。

      根據(jù)標準化成熟度及工序的相關度，電芯生產段即動力電池生產的前段已發(fā)展了十多年，基本上工藝、設備標準化成熟度比較高，適用于離散式流程生產方式。而后段動力電池組裝段是近些年才發(fā)展起來的產業(yè)，行業(yè)標準還處于探索階段，相比則其自動化生產適用流水線式流程生產方式。整個流程一般分幾段，中間通過成品/半成品緩存庫連接。

      消費領域的數(shù)碼電池是鋰電池行業(yè)發(fā)展最早也最成熟的應用產品，其生產工藝及設備基本標準化。主要由上游電芯生產廠家生產，其“電芯”也是構成動力電池生產最基本的原料。電芯生產段主要涉及的設備有：

      1，極片制作段：攪拌機，涂布機，輥壓機，分條機，制片機。

      2，電芯制作段：卷繞機，疊片機，入殼、注液、封口等預裝設備。

      3，電芯組裝段：充電化成設備，分容測試柜，電芯測試儀，電芯封裝設備。

      電芯生產段主要應用到的控制技術包括：同步控制，糾偏技術，張力控制等；牽涉到的主要儀器及專用設備主要有電芯的電壓、內阻測試儀器，分容測試柜，超聲波焊接,中低功率激光焊接機等等。這些不是本文需要探討的重點，電池生產的后段：動力電池組裝段才是本文探討的重點。

      動力電池組裝自動化生產主要包括：電芯處理段，模組組裝段，模組框架焊接段，匯流排焊接段，PACK裝配段。某方形動力電池生產流程如下圖：

      從圖中可見動力電池組裝流程基本是從頭到尾連續(xù)進行的，一般在模組組裝與電池包組裝段之間通過模組緩存庫來連接，也就是說，整個生產過程可以分成兩段流程型自動線。

      一般而言，不管是軟包電池、硬殼電池還是圓柱電池。模組的自動化組裝工藝流程都是從電芯上料開始的，這個來料可以是原供應商提供的包裝，也可以是廠家經過檢測后統(tǒng)一整理好的專用料框。上料可以是人工操作，也可以通過傳送帶自動上料，然后通過機器手臂抓取。

      上料的同時會進行電芯的讀碼、電芯極性檢測、電芯分選、電芯厚度檢測、電芯電性能OCV等檢測，并將不良品剔除。來料通過初檢和分選之后，根據(jù)模組和工藝要求的不同會分別進行諸如等離子清潔、涂膠貼膠、電芯堆疊、模組組裝、極耳裁切整形、模組框架焊接、模組打碼掃碼、模組檢測、匯流排焊接、BMS系統(tǒng)連接、模組最終檢測、模組下料等工序。

      這一序列工序是完成從單個電芯配組成模組的組裝工藝過程，從模組配組成電池包過程也基本類似。也就是說所有的工序、處理動作都是圍繞單個電芯配組成模組再配組成電池包而進行的，如：只有經過一序列檢測、處理合格，滿足所謂“同一性”要求的電芯才能參與配組；電芯堆疊與模組框架組裝好，符合成組要求，滿足組裝精度才能進行電芯串并聯(lián)的焊接作業(yè)；電芯組裝成模組后合不合格要通過測試才能確定等等。

      當然不同電池生產廠家，同一廠家不同的規(guī)格型號有不同的生產流程，但大的流程方向上差不多。主要差別是電芯、模組、電池包有不同的尺寸、規(guī)格，也有不同分檔、配組原則，至于測試參數(shù)、電源管理、溫度監(jiān)控等等基本上是各公司的核心數(shù)據(jù)。

      因此，由于電芯及側板、端板、絕緣片、連接片等投入物料差異；模組及電池包的結構和組裝差異；行業(yè)標準化的缺位等因素，所以設計時要著重注意產線的兼容性、整線的節(jié)拍，也就是說目前生產線設計要定位于多規(guī)格小批量混線生產方式。這也從一個角度說明：產線的控制架構設計，數(shù)據(jù)采集和處理方式從技術層面看是設計自動化產線控制系統(tǒng)的關鍵，圍繞MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）設計才是設計控制系統(tǒng)的指導核心。

      基于以上分析，盡量配置機器人參與電池組裝生產是明智選擇，配合輸送線、視覺定位、專用設備（如高功率激光焊接機）和專用檢測儀器等完成整個電池生產過程。

      如上圖所示電芯處理段，比較適合用同步帶輸送線（相比電芯尺寸小且變動也不大），各工位同步運行，各工序間狀態(tài)和參數(shù)的連接、轉換穩(wěn)定可靠。模組堆疊、組裝則更適合用選用機器人。如下圖，模組框架外殼的焊接牽涉到焊接、視覺定位，同樣應用機器人更方便靈活；至于把不同來料組裝在一起，半成品/成品生產工位的轉移就更能發(fā)揮機器人的靈活方便優(yōu)勢，這也是多規(guī)格小批量混線生產方式的最佳選擇。

      由前文對動力電池組裝產線生產工藝流程特點的分析，從控制系統(tǒng)角度看：PLC，機器人、掃碼、物料傳輸、檢測、測試、焊接、自適應、MES（制造執(zhí)行管理系統(tǒng)）是整條產線中需要解決的關鍵技術，也是適用多規(guī)格小批量生產形態(tài)的重要技術支撐。

      正如前文說的：產線的控制架構設計，數(shù)據(jù)采集和處理方式從技術層面看是設計自動化產線控制系統(tǒng)的關鍵，圍繞MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）設計才是設計控制系統(tǒng)的指導核心。

      MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產信息化管理系統(tǒng)。MES側重于車間作業(yè)計劃的完成，可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

      它是所謂工業(yè)3.0數(shù)字化工廠背景的產物，經過近2、30年的發(fā)展，其廣度、深度已發(fā)生很大變化。它所包含的十幾項目功能，在不同應用領域，不同的生產環(huán)境，側重點會所不同。

      一般商用MES系統(tǒng)雖然提供二次開發(fā)功能，但在實際應用，尤其是與設備層的連接上，因為實際的生產領域、環(huán)境、形態(tài)、工藝，甚至客戶要求等各方面差異很大，應用起來并不是很順手，最好的方式還是根據(jù)MES的原理根據(jù)實際的應用量身定做開發(fā)專用的MES系統(tǒng)。

      對于動力電池自動生產線，MES需要的功能及特征包括但不僅限于：

      設備管理：設備和工藝操作模式，狀態(tài)、參數(shù)及配置的管理，也包括產線及設備運行性能、產能的評估：uptime，downtime，yield，efficiency等。

      數(shù)據(jù)采集：在線、實時采集或處理各種原始數(shù)據(jù)，生成各種數(shù)據(jù)庫并保存。這些數(shù)據(jù)配合條碼、料號及倉儲等，是進行物料追蹤、品質管控、生產監(jiān)控、生成各種報表的基礎。

    質量管理：通過在線測試或離線抽檢，對產線、部件或工藝的穩(wěn)定性、可靠性管控，如SPC,SQC,CPK,R&R,K&K等分析。

      配方管理：配合計劃排配、生產調度，新品導入。

      生產監(jiān)控：生產過程中的各種實時數(shù)據(jù)，設備運行狀態(tài)，報警信息。

      報表生產：各種記錄、生成、查詢報表，由后端處理。

      由此可見，控制系統(tǒng)的核心其實就是數(shù)據(jù)處理，控制系統(tǒng)的不同源自于數(shù)據(jù)深度和廣度的差別，這也是工業(yè)自動化發(fā)展到數(shù)字化工廠，再到未來的智能化工廠的基礎。從電控和IT的角度，上面這些功能可以分成前端數(shù)據(jù)和后端數(shù)據(jù)。

      實時性的，原始的數(shù)據(jù)由前端電控處理，包括數(shù)據(jù)的采集，設備及運行狀態(tài)的監(jiān)控等；而數(shù)據(jù)的轉換、生成及儲存由后端IT處理。前后端數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)高度合作、統(tǒng)一，通過同一平臺，同一格式各自運行、相互聯(lián)系、互相影響。

      五，動力電池生產線的控制模型

      方法學認為構造系統(tǒng)：應該圍繞對象而不是功能；而面向對象劃分問題：應該以功能而不是以步驟。

      基于前文對動力電池生產線的分析，在保證安全的基礎上，為了實現(xiàn)最少硬件配置，操作簡單化（包括遠程上電，初始化，設備基本處理等），就近配線原則。可以采用整線操作，區(qū)域集中控制，現(xiàn)場分布式總線連接控制方式來設計整個控制系統(tǒng)。

      這也是基于模塊化、標準化的設計原則，無論是機構還是電控，是電氣還是控制，要以能實現(xiàn)功能站可單獨調試、打包、轉運、組裝等一體化、模組化為設計目標。整線的控制網(wǎng)絡參考實例見文后附頁圖示。

      整線（Line）可分成幾個區(qū)（Zone），每一個區(qū)或由若干模組(Module)組成。模組是指能完成產線生產中一個工作區(qū)段的模塊（如：機器人配組、激光焊接等），模組由若干工站（Station）組成。工站分兩類：基礎站（Base Station）和制程站（Process Station,也包括Test站）。

      制程站可以完成一道具體生產工序，它可能是一個獨立設備。Test站是特殊的Process站，一般是指獨立系統(tǒng)處理的測試工站，如嵌入式CCD檢測。基礎站連接各工序站，可能是輸送線或是中間站，也可能是虛擬的工站。進一步地，工站還可以分成段（Segment），一個工段可以完成一個基本的工藝過程。

      分層結構如下圖。電氣方面符合：線→區(qū)→模組（或站）的三層基本結構；控制方面符合：線→區(qū)→站（或模組）→段（可選層）的三（或四）層基本結構。從安全的角度看，可上電層：區(qū)或模組（站）；可操作層：線或區(qū)或模組（站）。

      越是底層優(yōu)先級別越高，所以工站是電氣和控制結構的基礎，所有定義或結構圍繞工站展開。同一層結構的不同模塊間需實現(xiàn)獨立封裝設計，編寫程序用數(shù)據(jù)須與實際物理輸入/出地址獨立。層之間、同層不同模塊間、I/O鏈接等最好由配置來完成。

      基于以上原則，整線操作由整線配置站處理，配置站可采用大尺寸的工業(yè)平板電腦及總操作臺。配置站除了完成整線的監(jiān)控外，還是承擔MES前后端數(shù)據(jù)的連接平臺。總操作臺完成整線的啟動/停止，相關狀態(tài)顯示及復位等基本功能。下圖就是線一級的人機操作界面實例（下同），基本的按鈕及指示與整線有關，運行于平板電腦的組態(tài)軟件可對各區(qū)甚至各工站進行配置、操作、設置及顯示，同時也是MES運行的平臺。

      根據(jù)工藝及產線走向，整線可分幾個控制區(qū)域，每一個區(qū)域配一個PLC及1個或多個操作臺（包括HMI，保證安全的基礎上以操作簡單為原則），每一個控制區(qū)域既可以單獨啟停也可以通過整線啟停。

      下圖是區(qū)一級的人機操作界面，基本按鈕及顯示與整區(qū)有關，專用的HM可以對本區(qū)各模組或工站負責，操作、設置、顯示等都可在此進行。除非特殊需求，區(qū)內各模組或站不再配專用HMI。

      各站點通過網(wǎng)絡或總線相互連接，現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器也可通過位總線連接。下圖就是站一級操作盒，分2類。左邊與安全相關，原則上必須配備；右邊主要用于調試（選配）用，也即需要用時再連接上。

      上面一些圖中的按鈕及燈指示的定義并沒有嚴格的規(guī)定，可以根據(jù)實際應用而定義。但需符合2個基本原則：1，保證安全的基礎上，操作要簡單。2，線、區(qū)、站三級的定義要統(tǒng)一。現(xiàn)場只需配置常用的按鈕及指示燈，無論是操作、狀態(tài)顯示、報警，還是參數(shù)設置，數(shù)據(jù)采集等等，主要在區(qū)HMI中處理。

      對應MES中設備的管理，實際應用中可分操作和工藝兩部分。

      1，操作模式：指設備運行方式，包括命令和狀態(tài)。

      一個字的命令定義（上層到下層，注意定義的并非必須，要根據(jù)實際應用而取舍，如下表高字節(jié)只是工站級才可能有的，但順序要統(tǒng)一、一致，而且低層包含上一層的定義。也就是說，越到低層定義越復雜，功能也越多。下同）：

      一個字的狀態(tài)定義（下層到其它同層模塊和上層的應答或狀態(tài)參考，一般地，下層優(yōu)先。）：

      2，機械模式：指工藝運行方式，也包括命令和狀態(tài)。一般地，除了維修模外各模式具有排它性，在自動運行時有效。

      一個字的命令定義

      一個字的狀態(tài)定義（下層模塊也可以選擇自己的機械模式，但上層優(yōu)先）：

      1），正常：正常生產運行機械模式，以下機械模式以外。

      2），省略：模塊不參與工藝運行，僅有物理上的存在。

      3），忽略：模塊參與工藝運行，但不采集數(shù)據(jù)，只是經過。

      4），空運行：沒有物料或工具投入模擬自動運行過程，用于調試。

      5），排空：清空物料或工具，忽略工藝數(shù)據(jù)。

      6），維修：指一般進行的手動維修處理，比如異常導致自動暫停可能需要人工干預處理。

      下表是以三菱Q系列PLC為例，如何劃分模塊及定義接口。

      不同區(qū)是通過IP地址來區(qū)分，不同區(qū)的工站模塊結構定義完全相同。上表中應用到的L5000-6999,M5000-7999, D5000-8999范圍內數(shù)據(jù)區(qū)保留作為控制網(wǎng)絡、區(qū)間、上位機等之間交換狀態(tài)和數(shù)據(jù)用，設置參數(shù)、采集數(shù)據(jù)、報警提示具體定義可根據(jù)實際應用進一步配置細化。

      借助對象化設計原理，由上我們可以定義如下結構的標準控制模型（見下圖）：標準控制模塊是屬性及操作的封裝體，假如標準控制模型是類的話，那么線模塊、區(qū)模塊、站模塊，甚至段模塊對象就是標準控制模型的實例。屬性值的取舍根據(jù)實際應用而定，但類結構，尤其是屬性值的定義順序要統(tǒng)一。

      六，動力電池生產線的控制方案及選型進一步思考

      前面探討控制模型時，便于理解是以三菱PLC控制平臺為參照；但這并不是重要的，參照模型原理選用其它控制系統(tǒng)平臺當然同樣也是可以。理想的模型數(shù)據(jù)是封裝的，控制尤其是模塊化編程時應該不依耐于實際的物理地址，這樣也有利于電氣與控制的分開作業(yè)。相對于西門子、羅克韋爾、歐姆龍等平臺，三菱控制系統(tǒng)并不是很好的平臺選擇：軟件尋址相較依耐于硬件，網(wǎng)絡功能也比較落后，兼容性不好，三菱近些年推出iQ平臺也是為了改變這種窘境。

      當然應用那個控制平臺并不僅取決于技術本身，還與成本、采購周期、工程師的個人能力，甚至客戶的偏好等因素有關。但不管怎么樣選擇，筆者覺得無論是硬件還是軟件，平臺的統(tǒng)一是控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

      如果以“一網(wǎng)到底，無縫連接”標準來衡量，羅克韋爾的Logix控制平臺，NetLinx開放網(wǎng)絡是最接近這種思想。從設備層網(wǎng)絡DeviceNet，到控制層網(wǎng)絡 ControlNet再到工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP，這三種不同的網(wǎng)絡的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層雖說不一樣，但它們的應用層都是使用同一個協(xié)議，即CIP通用工業(yè)協(xié)議。

      不同網(wǎng)絡間的轉換也比較簡單，基本上標簽數(shù)據(jù)可以尋址到底。尤其是其工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP支持商用的集線器。

      相反三菱，甚至西門子控制平臺在不同網(wǎng)絡間轉換、連接時往往需要復雜的配置處理。當然西門子在產品覆蓋、穩(wěn)定性、市場成熟度、兼容性等方面還是有優(yōu)勢的。另外，歐姆龍Sysmac平臺也是一個很好選擇。

      雖然自動化發(fā)展趨勢在往幾大系統(tǒng)控制平臺方向聚集，但市場中的各種網(wǎng)絡、總線標準還是很多。降低成本，提高效率是任何行業(yè)發(fā)展的趨勢。

      筆者相信自動化行業(yè)控制平臺將往商用IT平臺靠攏是未來的必然趨勢：PLC編程語言將往結構化的文本和梯形圖語言集中；人機界面將統(tǒng)一到平板電腦+組態(tài)軟件平臺；網(wǎng)絡、總線將統(tǒng)一到工業(yè)以太網(wǎng)及相關總線。隨著規(guī)模化應用，成本的降低，甚至按鈕、傳感器、電磁閥等都統(tǒng)一到工業(yè)以太網(wǎng)及總線平臺上。

      但目前IO-Link、AS-I、Modbus、DeviceNet、CC_Link、Profibus、Profinet、EtherNet/IP、EtherCAT、TCP/IP等各種總線或網(wǎng)絡還是必須的選擇。但不管怎樣選擇，一套控制系統(tǒng)網(wǎng)絡形態(tài)不能太多；除非牽涉到實時性要求非常嚴格的伺服同步控制，即使是伺服控制最好也統(tǒng)一到同一個網(wǎng)絡平臺上。