石浩然，胡 劍，方孟堃，林福興

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.深圳永興業(yè)裝備科技有限公司，廣東 深圳 518107)

隨著科技的發(fā)展，移動(dòng)電池在人類生活中得到廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)電池和電容器等電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)是存儲(chǔ)并利用電能的主要方式之一[1]?；瘜W(xué)電池由于能量密度高而在能量存儲(chǔ)方面起著至關(guān)重要的作用，然而它的壽命短、功率密度低，無法應(yīng)用于重要的裝備和苛刻的工作環(huán)境中。電容器功率密度較高，但能量密度較低，無法應(yīng)用在能量要求較高的場(chǎng)合[2]，超級(jí)電容器的出現(xiàn)解決了這一難題。超級(jí)電容器在工業(yè)生產(chǎn)和電子產(chǎn)業(yè)中扮演著越來越重要的角色，其生產(chǎn)制造也向著高速、自動(dòng)化、智能化和柔性化方向發(fā)展[3]。實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器電芯自動(dòng)化裝配能夠有效提升產(chǎn)品的質(zhì)量及合格率[4]，其裝配線控制系統(tǒng)的開發(fā)尤為重要。

1 某型超級(jí)電容器電芯裝配線及其控制系統(tǒng)方案

1.1 某型超級(jí)電容器電芯裝配線的工藝流程

某型超級(jí)電容器由正極蓋、正匯流片、電芯、殼體、負(fù)匯流片和負(fù)極蓋裝配焊接而成，超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)

某型超級(jí)電容器裝配過程主要包括電芯整形、正負(fù)匯流片焊接、正負(fù)極蓋焊接與入殼和氦質(zhì)譜檢漏4個(gè)階段。某型超級(jí)電容器電芯裝配中電芯的形態(tài)變化如圖2所示。

圖2 某型超級(jí)電容器電芯形態(tài)變化

某型超級(jí)電容器電芯裝配工藝流程如圖3所示。

圖3 某型超級(jí)電容器電芯裝配工藝流程圖

1.2 某型超級(jí)電容器電芯裝配線設(shè)備布局

某型超級(jí)電容器電芯裝配線是一種全自動(dòng)化的生產(chǎn)線，設(shè)備數(shù)較少且產(chǎn)品無需回到起點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)線布局原則和布局形式[5-7]，采用產(chǎn)品布局原則和L型布局形式對(duì)某型超級(jí)電容器電芯裝配設(shè)備進(jìn)行布局，某型超級(jí)電容器電芯裝配線設(shè)備布局如圖4所示。

圖4 某型超級(jí)電容器電芯裝配設(shè)備布局

1.3 某型超級(jí)電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)方案

裝配線控制系統(tǒng)的功能包括：產(chǎn)線信息控制、現(xiàn)場(chǎng)信息獲取、產(chǎn)線啟?？刂?、產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控及設(shè)備動(dòng)作控制。某型超級(jí)電容器電芯裝配線生產(chǎn)要求裝配效率應(yīng)達(dá)到平均每小時(shí)30件且成品率不低于90%。

根據(jù)控制系統(tǒng)功能需求，將控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為3層：人機(jī)交互層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)層，如圖5所示?？刂茖右怨た貦C(jī)作為控制系統(tǒng)主站，現(xiàn)場(chǎng)層以其他設(shè)備作為控制系統(tǒng)從站，形成主從結(jié)構(gòu)。工控機(jī)為控制系統(tǒng)核心，所有控制指令均由工控機(jī)發(fā)出，其他設(shè)備接收和執(zhí)行控制指令，并將現(xiàn)場(chǎng)信息傳給控制層。控制層和現(xiàn)場(chǎng)層通過EtherCAT協(xié)議傳輸控制指令和現(xiàn)場(chǎng)信息。人機(jī)交互層中工作人員通過交互設(shè)備可寫入控制參數(shù)、監(jiān)控產(chǎn)線運(yùn)行和選擇控制指令。

圖5 某型超級(jí)電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，工作人員通過可視化界面與主控軟件交互，主控軟件和設(shè)備控制軟件按照控制邏輯下發(fā)控制指令到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備執(zhí)行指令并回傳現(xiàn)場(chǎng)信息。主控軟件和設(shè)備控制軟件按照控制邏輯循環(huán)運(yùn)行，直至工作人員發(fā)出停止指令?？刂葡到y(tǒng)軟件運(yùn)行示意圖如圖6所示。

圖6 某型超級(jí)電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行示意圖

2 某型超級(jí)電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

某型超級(jí)電容器電芯裝配線由旋壓機(jī)、模壓機(jī)、匯流片焊接機(jī)、正極蓋焊接機(jī)、負(fù)極蓋焊接機(jī)、氦質(zhì)譜檢漏機(jī)和多臺(tái)上料臺(tái)組成。各設(shè)備涉及不同的裝配動(dòng)作，根據(jù)裝配工藝要求，選取伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選取直線氣缸和三爪氣缸作為輔助驅(qū)動(dòng)裝置。某型超級(jí)電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)硬件由工控機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、I/O端口擴(kuò)展板、電控氣缸、繼電器、各類傳感器和檢測(cè)儀器等組成?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖7所示。其中，工控機(jī)作為控制系統(tǒng)主站，EtherCAT主站運(yùn)行于工控機(jī)中。伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)器和I/O端口擴(kuò)展板為控制系統(tǒng)從站，各設(shè)備根據(jù)動(dòng)作流程不同包含不同數(shù)量的從站設(shè)備。

圖7 控制系統(tǒng)硬件組成

2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)中，可安裝的交換機(jī)和集線器的級(jí)聯(lián)數(shù)量是有限的，這限制了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而EtherCAT無需交換機(jī)或集線器，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫鏇]有任何限制。EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提升了網(wǎng)絡(luò)布線的靈活性，使其可以適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合如圖8所示。其中，線型拓?fù)淇梢酝卣篂榄h(huán)形拓?fù)?，從而?shí)現(xiàn)線纜冗余。通過將最后一個(gè)從站節(jié)點(diǎn)與主站以太網(wǎng)端口連接，將線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)線路中有設(shè)備故障時(shí)，主站設(shè)備可通過軟件檢測(cè)到故障，并通過環(huán)型線路保證其他設(shè)備通過冗余線路正常運(yùn)轉(zhuǎn)[8-10]。EtherCAT環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合

圖9 EtherCAT環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)中，使用工控機(jī)作為EtherCAT主站，從站設(shè)備包括伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和I/O端口擴(kuò)展板，使用雙絞線連接，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 控制系統(tǒng)I/O端口分配

控制系統(tǒng)通過EtherCAT協(xié)議與I/O端口擴(kuò)展板通信，I/O端口擴(kuò)展版發(fā)送/接收數(shù)字信號(hào)控制現(xiàn)場(chǎng)硬件與獲取現(xiàn)場(chǎng)信息。為配套WMX3軟件使用，選用SoftServo公司生產(chǎn)的IX-320 EtherCAT數(shù)字輸入輸出模塊。IX-320外形如圖11所示。IX-320數(shù)字信號(hào)輸入輸出模塊接口為40Pin接口，1～8接口為電源和節(jié)點(diǎn)接口，9～40為I/O接口，可提供32對(duì)I/O接口。通過EtherCAT主站設(shè)置，可修改各I/O端口擴(kuò)展板在控制系統(tǒng)中的識(shí)別地址。

圖11 IX-320外形

根據(jù)設(shè)備硬件需求分配I/O地址。由于設(shè)備較多，僅列出旋壓機(jī)的I/O端口擴(kuò)展板地址分配表，如表1所示。

表1 旋壓機(jī)I/O端口擴(kuò)展版地址分配表

3 某型超級(jí)電容器電芯裝配線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

控制系統(tǒng)軟件主要由主控軟件、設(shè)備控制軟件和WMX3軟件組成。通過調(diào)用WMX3軟件中WMX3引擎、API(application program interface)功能庫(kù)和WMXPLC工具，實(shí)現(xiàn)主控軟件對(duì)設(shè)備控制軟件的控制、I/O和內(nèi)存地址的映射以及設(shè)備控制軟件對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制和設(shè)備信息的獲取?？刂葡到y(tǒng)軟件架構(gòu)如圖12所示。

圖12 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.2 控制系統(tǒng)主控軟件開發(fā)

控制系統(tǒng)主控軟件采用Microsoft Visual Studio開發(fā)軟件。配置WMX3軟件開發(fā)環(huán)境，添加API功能庫(kù)以實(shí)現(xiàn)不同功能。開啟Microsoft Visual Studio，創(chuàng)建CJHJ控制臺(tái)應(yīng)用程序工程，設(shè)置工程方案平臺(tái)為X64，在解決方案資源管理器中添加各API功能庫(kù)對(duì)應(yīng)的DLL文件。

控制系統(tǒng)主控軟件開發(fā)主要流程為：設(shè)備創(chuàng)建、設(shè)備通信、內(nèi)存地址設(shè)置、報(bào)錯(cuò)程序設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、界面按鈕功能綁定和設(shè)備關(guān)閉。

(1)主界面設(shè)計(jì)。主界面為程序啟動(dòng)界面。點(diǎn)擊界面按鈕可切換到其他界面；點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕將啟動(dòng)產(chǎn)線，開啟WMX3引擎和設(shè)備管理界面；點(diǎn)擊操作按鈕可以根據(jù)選項(xiàng)打開網(wǎng)絡(luò)管理工具、WXM3控制臺(tái)和信息文件等；點(diǎn)擊I/O按鈕可切換到I/O界面；點(diǎn)擊信息錄入按鈕可切換到信息錄入界面。

(2)設(shè)備管理界面。產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)通過設(shè)備管理界面監(jiān)控產(chǎn)線生產(chǎn)，通過按鈕可以選擇不同設(shè)備的管理界面，以旋壓機(jī)管理界面為例，其設(shè)備管理界面如圖13所示。

圖13 旋壓機(jī)設(shè)備管理界面

旋壓機(jī)設(shè)備管理界面主要分為4部分，A部分為設(shè)備總體控制，包括聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)、啟動(dòng)和停止控制，氣缸和旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行控制；B部分為設(shè)備參數(shù)輸入界面，可實(shí)時(shí)更改運(yùn)行參數(shù)；C部分為電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示和點(diǎn)動(dòng)控制；D部分為全局電機(jī)使能控制及急停按鈕。

(3)I/O界面設(shè)計(jì)。I/O界面分為輸入地址界面和輸出地址界面，如圖14所示。選擇起始輸入或輸出地址，獲取I/O地址信息函數(shù)程序段獲取I/O地址信息，將0～7各點(diǎn)位信息顯示于對(duì)應(yīng)文本框中，I/O點(diǎn)位為未觸發(fā)時(shí)顯示淺灰色，I/O點(diǎn)位觸發(fā)時(shí)顯示綠色，I/O點(diǎn)位不存在時(shí)顯示深灰色，其中輸出界面中，點(diǎn)擊ON/OFF按鈕可對(duì)應(yīng)I/O點(diǎn)位狀進(jìn)行操作。

圖14 I/O界面

(4)信息錄入界面設(shè)計(jì)。信息錄入界面用于錄入產(chǎn)線信息和生產(chǎn)計(jì)劃，如圖15所示。在對(duì)應(yīng)文本框中輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊錄入按鈕，對(duì)應(yīng)程序段將獲取文本框內(nèi)容，轉(zhuǎn)化為該參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，并存入該參數(shù)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址中，選擇數(shù)據(jù)表可將設(shè)置好的生產(chǎn)參數(shù)統(tǒng)一錄入。

圖15 信息錄入界面

(5)操作記錄界面設(shè)計(jì)。人工點(diǎn)動(dòng)操作和手動(dòng)操作的操作記錄將通過操作記錄函數(shù)記錄保存，顯示于操作記錄界面。

3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)備控制軟件開發(fā)

控制系統(tǒng)設(shè)備控制軟件通過Multiprog Express軟件使用FBD程序塊語(yǔ)言編寫，通過調(diào)用WMXPLC工具中特殊的程序塊實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的動(dòng)作控制、I/O和內(nèi)存地址的映射以及與WMX3引擎的通信。

控制系統(tǒng)設(shè)備控制軟件由14個(gè)程序組織單元(programming organisation unit, POU)組成，每個(gè)POU對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備的邏輯控制程序，其中6個(gè)為設(shè)備邏輯控制程序，8個(gè)為上料臺(tái)邏輯控制程序。

3.4 控制系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)，安裝某型超級(jí)電容器電芯裝配線樣機(jī),其實(shí)物如圖16所示?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行調(diào)試，主控軟件監(jiān)控界面和設(shè)備控制軟件調(diào)試界面如圖17所示。

圖16 某型超級(jí)電容器電芯裝配線樣機(jī)實(shí)物

圖17 控制系統(tǒng)軟件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試界面

某型超級(jí)電容器電芯經(jīng)過裝配線不同設(shè)備裝配完成后的電芯狀態(tài)變化如圖18所示。

圖18 電芯狀態(tài)變化

通過對(duì)樣機(jī)的生產(chǎn)測(cè)試，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)滿足控制系統(tǒng)功能需求。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)某型超級(jí)電容器電芯裝配工藝流程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了某型超級(jí)電容器電芯裝配線工藝流程；通過分析某型超級(jí)電容器電芯裝配線設(shè)備布局，按照控制需求，基于軟件控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)總體方案。

(2)依據(jù)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)方案，結(jié)合控制需求，完成了控制系統(tǒng)硬件選型；通過研究EtherCAT協(xié)議，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；根據(jù)EtherCAT協(xié)議物理層和控制系統(tǒng)硬件組成，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行I/O端口地址分配。

(3)依據(jù)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)方案，結(jié)合控制需求，基于軟件控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備自動(dòng)控制流程，開發(fā)了控制系統(tǒng)主控軟件和設(shè)備控制軟件；通過在樣機(jī)上進(jìn)行了生產(chǎn)測(cè)試，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)軟件可滿足生產(chǎn)需求。