干货 | 动力电池自动生产线的控制系统

【前言】新能源电池尤其是动力锂电池产业是近些年非常火爆的新兴产业，市场发展前景非常富有想象力。相对于传统的不管是铅酸蓄电池，还是镍氢电池，甚至燃料电池，锂电池无论是在寿命、环保、安全方面，还是高容量、体积小、重量轻等方面有很大的优越性及发展潜力。新行业，新产品往往是百花齐放，也有鱼目混珠。目前这个行业，不管是电池本身的设计,还是其生产工艺，还是制造它的生产线及设备都还缺乏比较完善的规范化、标准化指导，尤其是其产品线的后段。这样导致的现状是产品线设计及调试周期长，投入资源大，而最后产品品质得不到保证，生产效益低也是目前行业普遍现象。

我们知道自动化线及设备设计的成功与否或者好坏，不但取决于自动化技术水平：包括设计理念、控制架构、元器件选型、作业方式等的把握及其标准化、规范化；而且也取决于产品结构及其生产工艺的标准化、规范化。对于后者，自动化设备提供是无法准确把握的，而电池生产厂家往往又对自动化产线及设备的技术缺乏足够的理解。实践证明：要实现生产自动化线及设备的高效化需要产品开发与设备开发两者的高度融合。也就是说，面向客户、面向产品、面向工艺才是自动化行业的根本目的和设计落脚点；而方案、技术、选型等只是实现的方法和手段。

本文主要是探讨动力锂电池自动化产线控制系统设计及相关设备、仪器、工具的选型的一些思路。

一、锂电池生产过程中的现状

目前市场上采用较多的锂电池主要为磷酸铁锂电池和三元锂电池，首先二者正极原材料差异就大，因而虽然整个生产工艺流程比较接近但各阶段工艺参数还是有差异，而且不同应用厂家有不同的材料的使用和配比，工艺的变化、相应的设备选择也就有差异。

另外，锂电池从外形上分方形电池、圆柱电池和软包电池；而从应用的角度，又分数码电池、动力电池、储能电池。其中动力电池和储能电池是将众多单个的电芯通过串、并联的方式连接起来的电池组及电池包，并综合了动力和热管理等电池管理系统。相比于数码电池，电芯的配组、组装是动力电池系统生产、设计应用的关键，是连接上游电芯生产和下游（如整车生产）应用的核心环节。相比电池的前段相对标准化的电芯生产、组装工艺，后段电芯的配组、组装工艺，目前还缺乏成熟的行业标准。

本文将主要以方形电芯动力锂电池为例，探讨其后段的生产控制系统。

二、电池生产的工艺及其特征

锂电池生产牵涉到一套很长、复杂的生产链，从整个生产链来看锂电池生产是典型的流程式生产，即工艺过程基本上是连续进行的，生产顺序几乎不变。根据标准化成熟度及工序的相关度，电芯生产段即动力电池生产的前段已发展了十多年，基本上工艺、设备标准化成熟度比较高，适用于离散式流程生产方式。而后段动力电池组装段是近些年才发展起来的产业，行业标准还处于探索阶段，相比则其自动化生产适用流水线式流程生产方式。整个流程一般分几段，中间通过成品/半成品缓存库连接。

消费领域的数码电池是锂电池行业发展最早也最成熟的应用产品，其生产工艺及设备基本标准化。主要由上游电芯生产厂家生产，其“电芯”也是构成动力电池生产最基本的原料。电芯生产段主要涉及的设备有：

1，极片制作段：搅拌机，涂布机，辊压机，分条机，制片机。

2，电芯制作段：卷绕机，叠片机，入壳、注液、封口等预装设备。

3，电芯组装段：充电化成设备，分容测试柜，电芯测试仪，电芯封装设备。

电芯生产段主要应用到的控制技术包括：同步控制，纠偏技术，张力控制等；牵涉到的主要仪器及专用设备主要有电芯的电压、内阻测试仪器，分容测试柜，超声波焊接,中低功率激光焊接机等等。这些不是本文需要探讨的重点，电池生产的后段：动力电池组装段才是本文探讨的重点。

三，动力电池组装工艺及产线配置

动力电池组装自动化生产主要包括：电芯处理段，模组组装段，模组框架焊接段，汇流排焊接段，PACK装配段。某方形动力电池生产流程如下图：

从图中可见动力电池组装流程基本是从头到尾连续进行的，一般在模组组装与电池包组装段之间通过模组缓存库来连接，也就是说，整个生产过程可以分成两段流程型自动线。

一般而言，不管是软包电池、硬壳电池还是圆柱电池。模组的自动化组装工艺流程都是从电芯上料开始的，这个来料可以是原供应商提供的包装，也可以是厂家经过检测后统一整理好的专用料框。上料可以是人工操作，也可以通过传送带自动上料，然后通过机器手臂抓取。上料的同时会进行电芯的读码、电芯极性检测、电芯分选、电芯厚度检测、电芯电性能OCV等检测，并将不良品剔除。来料通过初检和分选之后，根据模组和工艺要求的不同会分别进行诸如等离子清洁、涂胶贴胶、电芯堆叠、模组组装、极耳裁切整形、模组框架焊接、模组打码扫码、模组检测、汇流排焊接、BMS系统连接、模组最终检测、模组下料等工序。

这一序列工序是完成从单个电芯配组成模组的组装工艺过程，从模组配组成电池包过程也基本类似。也就是说所有的工序、处理动作都是围绕单个电芯配组成模组再配组成电池包而进行的，如：只有经过一序列检测、处理合格，满足所谓“同一性”要求的电芯才能参与配组；电芯堆叠与模组框架组装好，符合成组要求，满足组装精度才能进行电芯串并联的焊接作业；电芯组装成模组后合不合格要通过测试才能确定等等。当然不同电池生产厂家，同一厂家不同的规格型号有不同的生产流程，但大的流程方向上差不多。主要差别是电芯、模组、电池包有不同的尺寸、规格，也有不同分档、配组原则，至于测试参数、电源管理、温度监控等等基本上是各公司的核心数据。

因此，由于电芯及侧板、端板、绝缘片、连接片等投入物料差异；模组及电池包的结构和组装差异；行业标准化的缺位等因素，所以设计时要着重注意产线的兼容性、整线的节拍，也就是说目前生产线设计要定位于多规格小批量混线生产方式。这也从一个角度说明：产线的控制架构设计，数据采集和处理方式从技术层面看是设计自动化产线控制系统的关键，围绕MES（制造执行系统）设计才是设计控制系统的指导核心。

基于以上分析，尽量配置机器人参与电池组装生产是明智选择，配合输送线、视觉定位、专用设备（如高功率激光焊接机）和专用检测仪器等完成整个电池生产过程。

如上图所示电芯处理段，比较适合用同步带输送线（相比电芯尺寸小且变动也不大），各工位同步运行，各工序间状态和参数的连接、转换稳定可靠。模组堆叠、组装则更适合用选用机器人。如下图，模组框架外壳的焊接牵涉到焊接、视觉定位，同样应用机器人更方便灵活；至于把不同来料组装在一起，半成品/成品生产工位的转移就更能发挥机器人的灵活方便优势，这也是多规格小批量混线生产方式的最佳选择。

四、动力电池生产线控制系统分析

由前文对动力电池组装产线生产工艺流程特点的分析，从控制系统角度看：PLC，机器人、扫码、物料传输、检测、测试、焊接、自适应、MES（制造执行管理系统）是整条产线中需要解决的关键技术，也是适用多规格小批量生产形态的重要技术支撑。正如前文说的：产线的控制架构设计，数据采集和处理方式从技术层面看是设计自动化产线控制系统的关键，围绕MES（制造执行系统）设计才是设计控制系统的指导核心。

MES（制造执行系统）是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES侧重于车间作业计划的完成，可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。它是所谓工业3.0数字化工厂背景的产物，经过近2、30年的发展，其广度、深度已发生很大变化。它所包含的十几项目功能，在不同应用领域，不同的生产环境，侧重点会所不同。

一般商用MES系统虽然提供二次开发功能，但在实际应用，尤其是与设备层的连接上，因为实际的生产领域、环境、形态、工艺，甚至客户要求等各方面差异很大，应用起来并不是很顺手，最好的方式还是根据MES的原理根据实际的应用量身定做开发专用的MES系统。

对于动力电池自动生产线，MES需要的功能及特征包括但不仅限于：

设备管理：设备和工艺操作模式，状态、参数及配置的管理，也包括产线及设备运行性能、产能的评估：uptime，downtime，yield，efficiency等。

数据采集：在线、实时采集或处理各种原始数据，生成各种数据库并保存。这些数据配合条码、料号及仓储等，是进行物料追踪、品质管控、生产监控、生成各种报表的基础。

质量管理：通过在线测试或离线抽检，对产线、部件或工艺的稳定性、可靠性管控，如SPC,SQC,CPK,R&R,K&K等分析。

配方管理：配合计划排配、生产调度，新品导入。

生产监控：生产过程中的各种实时数据，设备运行状态，报警信息。

报表生产：各种记录、生成、查询报表，由后端处理。

由此可见，控制系统的核心其实就是数据处理，控制系统的不同源自于数据深度和广度的差别，这也是工业自动化发展到数字化工厂，再到未来的智能化工厂的基础。从电控和IT的角度，上面这些功能可以分成前端数据和后端数据。实时性的，原始的数据由前端电控处理，包括数据的采集，设备及运行状态的监控等；而数据的转换、生成及储存由后端IT处理。前后端数据通过控制系统高度合作、统一，通过同一平台，同一格式各自运行、相互联系、互相影响。

五，动力电池生产线的控制模型

方法学认为构造系统：应该围绕对象而不是功能；而面向对象划分问题：应该以功能而不是以步骤。

基于前文对动力电池生产线的分析，在保证安全的基础上，为了实现最少硬件配置，操作简单化（包括远程上电，初始化，设备基本处理等），就近配线原则。可以采用整线操作，区域集中控制，现场分布式总线连接控制方式来设计整个控制系统。这也是基于模块化、标准化的设计原则，无论是机构还是电控，是电气还是控制，要以能实现功能站可单独调试、打包、转运、组装等一体化、模组化为设计目标。整线的控制网络参考实例见文后附页图示。

整线（Line）可分成几个区（Zone），每一个区或由若干模组(Module)组成。模组是指能完成产线生产中一个工作区段的模块（如：机器人配组、激光焊接等），模组由若干工站（Station）组成。工站分两类：基础站（Base Station）和制程站（Process Station,也包括Test站）。制程站可以完成一道具体生产工序，它可能是一个独立设备。Test站是特殊的Process站，一般是指独立系统处理的测试工站，如嵌入式CCD检测。基础站连接各工序站，可能是输送线或是中间站，也可能是虚拟的工站。进一步地，工站还可以分成段（Segment），一个工段可以完成一个基本的工艺过程。

分层结构如下图。电气方面符合：线→区→模组（或站）的三层基本结构；控制方面符合：线→区→站（或模组）→段（可选层）的三（或四）层基本结构。从安全的角度看，可上电层：区或模组（站）；可操作层：线或区或模组（站）。

越是底层优先级别越高，所以工站是电气和控制结构的基础，所有定义或结构围绕工站展开。同一层结构的不同模块间需实现独立封装设计，编写程序用数据须与实际物理输入/出地址独立。层之间、同层不同模块间、I/O链接等最好由配置来完成。

基于以上原则，整线操作由整线配置站处理，配置站可采用大尺寸的工业平板电脑及总操作台。配置站除了完成整线的监控外，还是承担MES前后端数据的连接平台。总操作台完成整线的启动/停止，相关状态显示及复位等基本功能。下图就是线一级的人机操作界面实例（下同），基本的按钮及指示与整线有关，运行于平板电脑的组态软件可对各区甚至各工站进行配置、操作、设置及显示，同时也是MES运行的平台。

根据工艺及产线走向，整线可分几个控制区域，每一个区域配一个PLC及1个或多个操作台（包括HMI，保证安全的基础上以操作简单为原则），每一个控制区域既可以单独启停也可以通过整线启停。下图是区一级的人机操作界面，基本按钮及显示与整区有关，专用的HM可以对本区各模组或工站负责，操作、设置、显示等都可在此进行。除非特殊需求，区内各模组或站不再配专用HMI。

各站点通过网络或总线相互连接，现场传感器、执行器也可通过位总线连接。下图就是站一级操作盒，分2类。左边与安全相关，原则上必须配备；右边主要用于调试（选配）用，也即需要用时再连接上。

上面一些图中的按钮及灯指示的定义并没有严格的规定，可以根据实际应用而定义。但需符合2个基本原则：1，保证安全的基础上，操作要简单。2，线、区、站三级的定义要统一。现场只需配置常用的按钮及指示灯，无论是操作、状态显示、报警，还是参数设置，数据采集等等，主要在区HMI中处理。

对应MES中设备的管理，实际应用中可分操作和工艺两部分。

1，操作模式：指设备运行方式，包括命令和状态。

一个字的命令定义（上层到下层，比如：Line to Zone toModule/Station。注意定义的并非必须，要根据实际应用而取舍，如下表高字节只是工站级才可能有的，但顺序要统一、一致，而且低层包含上一层的定义。也就是说，越到低层定义越复杂，功能也越多。下同）：

一个字的状态定义（下层到其它同层模块和上层的应答或状态参考，一般地，下层优先。）：

2，机械模式：指工艺运行方式，也包括命令和状态。一般地，除了维修模外各模式具有排它性，在自动运行时有效。

一个字的命令定义

一个字的状态定义（下层模块也可以选择自己的机械模式，但上层优先）：

1），正常：正常生产运行机械模式，以下机械模式以外。

2），省略：模块不参与工艺运行，仅有物理上的存在。

3），忽略：模块参与工艺运行，但不采集数据，只是经过。

4），空运行：没有物料或工具投入模拟自动运行过程，用于调试。

5），排空：清空物料或工具，忽略工艺数据。

6），维修：指一般进行的手动维修处理，比如异常导致自动暂停可能需要人工干预处理。

下表是以三菱Q系列PLC为例，如何划分模块及定义接口。

不同区是通过IP地址来区分，不同区的工站模块结构定义完全相同。上表中应用到的L5000-6999,M5000-7999, D5000-8999范围内数据区保留作为控制网络、区间、上位机等之间交换状态和数据用，设置参数、采集数据、报警提示具体定义可根据实际应用进一步配置细化。

借助对象化设计原理，由上我们可以定义如下结构的标准控制模型（见下图）：标准控制模块是属性及操作的封装体，假如标准控制模型是类的话，那么线模块、区模块、站模块，甚至段模块对象就是标准控制模型的实例。属性值的取舍根据实际应用而定，但类结构，尤其是属性值的定义顺序要统一。

六，动力电池生产线的控制方案及选型进一步思考

前面探讨控制模型时，便于理解是以三菱PLC控制平台为参照；但这并不是重要的，参照模型原理选用其它控制系统平台当然同样也是可以。理想的模型数据是封装的，控制尤其是模块化编程时应该不依耐于实际的物理地址，这样也有利于电气与控制的分开作业。相对于西门子、罗克韦尔、欧姆龙等平台，三菱控制系统并不是很好的平台选择：软件寻址相较依耐于硬件，网络功能也比较落后，兼容性不好，三菱近些年推出iQ平台也是为了改变这种窘境。

当然应用那个控制平台并不仅取决于技术本身，还与成本、采购周期、工程师的个人能力，甚至客户的偏好等因素有关。但不管怎么样选择，笔者觉得无论是硬件还是软件，平台的统一是控制系统的发展方向。

如果以“一网到底，无缝连接”标准来衡量，罗克韦尔的Logix控制平台，NetLinx开放网络是最接近这种思想。从设备层网络DeviceNet，到控制层网络 ControlNet再到工业以太网EtherNet/IP，这三种不同的网络的物理层和数据链路层虽说不一样，但它们的应用层都是使用同一个协议，即CIP通用工业协议。不同网络间的转换也比较简单，基本上标签数据可以寻址到底。尤其是其工业以太网EtherNet/IP支持商用的集线器。相反三菱，甚至西门子控制平台在不同网络间转换、连接时往往需要复杂的配置处理。当然西门子在产品覆盖、稳定性、市场成熟度、兼容性等方面还是有优势的。另外，欧姆龙Sysmac平台也是一个很好选择。

虽然自动化发展趋势在往几大系统控制平台方向聚集，但市场中的各种网络、总线标准还是很多。降低成本，提高效率是任何行业发展的趋势。笔者相信自动化行业控制平台将往商用IT平台靠拢是未来的必然趋势：PLC编程语言将往结构化的文本和梯形图语言集中；人机界面将统一到平板电脑+组态软件平台；网络、总线将统一到工业以太网及相关总线。随着规模化应用，成本的降低，甚至按钮、传感器、电磁阀等都统一到工业以太网及总线平台上。但目前IO-Link、AS-I、Modbus、DeviceNet、CC_Link、Profibus、Profinet、EtherNet/IP、EtherCAT、TCP/IP等各种总线或网络还是必须的选择。但不管怎样选择，一套控制系统网络形态不能太多；除非牵涉到实时性要求非常严格的伺服同步控制，即使是伺服控制最好也统一到同一个网络平台上。