（机械电子工程专业论文）基于dcs系统的limno2扣式电池生产线远程数据及视频监控研究.pdf

摘要 随着生产力的发展，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要 性正在逐渐被人们所认识和重视。通过监控系统，管理者可以快速有效地了解现 场设备的运行情况，及时做出改进和维护方案，同时提高企业的效益，监控系统 在现代企业生产中具有重要的意义。整个控制系统划分为现场d c s 系统和远端监 控系统两部分，同时开发了生产线远程视频监控系统作为这个控制系统的补充和 完善。 本文对直线型u m n 0 2 扣式电池生产线设计进行了介绍，对生产线的自动控 制系统也进行了深入的研究。生产线硬件采用模块化设计，通过各组装模块的调 节使得生产线获得较高生产效率。同时用p l c 作为电气系统的核心控制部件， 结合对触摸屏的人机界面设计，实现了生产线的自动化运行。i j m n 0 2 电池自动 化生产线现场监控的建立以欧姆龙p i j 2 通信协议为基础，利用欧姆龙的串行通 信单元构建出1 ：n 的上位机链接网络，由上位机对现场的多条生产线进行实时 监控，然后用国产组态软件组态王作为系统开发平台，开发了现场d c s 监控系 统的软件系统，实现了对多条生产线的实时生产状态显示、数据自动记录、故障 报警与记录、信息查询等功能。 利用组态软件和v b 6 0 ，远程客户机可以按照权限的大小通过i n t e r n e t 访问 现场计算机集中监控系统的实时监控信息，以客户机服务器的远程监控模式， 消除了地理位置带来的监控局限性，将远程监控系统与现场d c s 系统相结合， 得到一个开放的监控平台，经实验调试获得了成功。 作为生产线监控系统的补充，本文也对生产线远程视频监控技术进行了研 究。该系统基于t c p i p 网络协议，利用已有的视频硬件，采用客户服务器( c s ) 结构模式。在设计过程中作者论述了该远程视频监控系统的体系和整体设计方 案，以及模块化的结构设计，并详细介绍了各功能模块的设计和程序实现过程， 最终完成了一套比较完整的远程视频监控系统的设计。远程视频监控系统对及时 排除生产线故障和保证生产线系统长期、可靠地运行具有重要意义。 基于d c s 系统的l i m n 0 2 扣式电池生产线远程数据及视频监控研究，对提高 企业生产力和竞争力有重要意义，通过现场实验证明已经达到设计预期目标。 关键词：l i m n 0 2 扣式电池生产线，d c s 监控系统，远程视频监控，组态软件 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r n p r o d u c t i o n ，t h ei m p o r t a n c e o f m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sk n o w na n dt a k e ng r a d u a l l yb yt h ep e o p l e t h r o u g ht h e m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h em a n a g e rm a ye f f e c t i v e l yu n d e r s t a n dt h es i t u a t i o no fs c e n e e q u i p m e n t ，m a k et h ei m p r o v e m e n ta n dt h em a i n t e n a n c ep r o m p t l y , a n de n h a n c et h e b e n e f i to ft h ee n t e r p r i s es i m u l t a n e o u s l y t h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t ot w o p a r t s ，t h e s c e n ed c ss y s t e ma n dt h el o n g - d i s t a n c e m o n i t o r i n gs y s t e m t h e l o n g d i s t a n c e v i d e om o n i t o f i n g s y s t e m o fp r o d u c t i o nl i n ei s d e v e l o p e da st h e s u p p l e m e n to fe n t i r ec o n t r o ls y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dl i m n o zb a t t e r yp r o d u c t i o nl i n ed e s i g n ，a n da l s o r e s e a r c h e dt h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ep r o d u c t i o nl i n e t h ep r o d u c t i o nl i n ed e s i g nw a s m a d ew i t hm o d u l e s ，a n dt h eh i g he f f i c i e n c yo b t a i n e db ya d j u s t i n ge a c ha s s e m b l y m o d u l e m e a n w h i l ea u t o m a t i o nf o rt h el i m n 0 2b a t t e r yp r o d u c t i o nl i n ew a sr e a l i z e d b ym e a n so fp l c a n dh m is o f t w a r e a c c o r d i n gt oo m r o np l cc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n d1 ：ns e r i a lc o m m u n i c a t i o nu n i t , t h em a i nc o m p u t e rc a l lm o n i t o rs e v e r a l p r o d u c t i o nl i n e so nr e a l t i m e t h ed c sm o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r ew a sd e v e l o p e d w i t hu s eo fs o f t w a r e k i n g v i e w i tc a ns h o wr e a l - t i m ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n ，r e c o r d d a t a , r e p o r ta l a r ma n dc h e c k i n f o r m a t i o n t a k i n ga d v a n t a g eo fs o f t w a r ek i n g v i e wa n dv b6 0 ，t h el o n g - d i s t a n c ec l i e n tc a n a c c e s sr e a l t i m em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o no fs c e n ec o m p u t e rt h r o u g hi n t e m e tu n d e r a u t h o r i t y b yt h ec l i e n t s e r v e rl o n g d i s t a n c ep a t t e r n ，t h es y s t e mc a l le l i m i n a t et h e m o n i t o r i n gl i m i t a t i o nb e c a u s eo fg e o g r a p h i c a lp o s i t i o n s t h ee x p e r i m e n tf o rt h e s y s t e mr e v e a l e dt h a to u rd e s i g ni se f f i c i e n ta n ds u c c e s s f u l a st h es u p p l e m e n to ft h ep r o d u c t i o nl i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s o i n t r o d u c e dl o n g - d i s t a n c ev i d e om o n i t o r i n gt e c h n o l o g yf o rt h es y s t e md e s i g n i ti sv e r y i m p o r t a n tf o rt r o u b l es h u t t i n ga n dr e l i a b l eo p e r a t i n go fp r o d u c t i o nl i n e k e y w o r d s ：t h el i m n 0 2b a t t e r yp r o d u c t i o nl i n e ，t h ed c sm o n i t o r i n gs y s t e m ， l o n g - d i s t a n c ev i d e om o n i t o r i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 独创性声明 本人声明所望交的学位论文是本人在导师指导i - 1 1 行的研究j ：作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 魏国橼 签字日期： u o 年2 月2 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 蓥王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 魏1 虱栋 导师签名： 签字i i i i z 0 0 1 年2 月脔日 签字日期： 日 学位论文的主要创新点 本文研究的主要内容基于集散控制系统( d c s ) 系统的l i m n 0 2 扣式电池生产线远程数据及视频监控研究，其主要的创新点如下： 一、将自动化和模块化的设计理念应用到l i m n 0 2 扣式电池自动化 生产线控制系统，以提高产品的质量和系统的稳定性。 二、将基于d c s 理论的现场监控技术与l i m n 0 2 电池生产线相结合， 利用组态软件开发了计算机集中监控系统，通过r s 4 8 5 串行通 信实现数据采集站链接现场p l c ，然后与数据服务器和多台客 户机组成现场监控系统，由计算机通过组态画面对现场的生产 线进行集中管理，对现场数据信息进行记录及故障诊断并提供 解决方案。 三、利用组态软件自带的w e b 功能及利用编程软件实现远程客户机 通过i n t e m e t 访问现场计算机集中监控系统的实时监控信息，同 时基于t c p i p 网络协议，采用客户朋艮务器( c s ) 结构模式和 利用v b6 0 作为开发工具设计了生产线远程视频监控系统。此 系统作为远端数据采集监控系统的完善，客户端可以实时了解 到生产线现场运行情况，为生产线的维护、监控和厂家的生产 提供准确、全面的信息。 第一章绪论 1 1 远程监控系统概述 第一章绪论 从上个世纪8 0 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生 活方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的 重要性正在逐渐被人们所认识和重视。监控系统的演变，是一个从集中监控向网 络监控的发展历史。早期的监控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态 进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机监控系统是以监测控制计 算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成 的整体n 1 。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。在现 代企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进 行实时检测、监督管理和自动控制。由于工业生产过程控制要求的高环境适应性、 高实时性、和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展， 测控领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放，而且大多数系统 都是面向单台，或单一类型的设备。 随着生产力的进步，设备的分布越来越离散，单一的、各自独立的监控系统 已不能适应工业化的需求，于是便产生了分布式监控系统。这种系统以计算机网 络为基础，使系统资源分配趋于合理，但是由于目前运行的绝大多数分布式监控 系统还只是在局域网上，通常的监控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局 限性。i n t e r n e t 能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资 源下很难解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。远程监控是本 地计算机通过网络系统如i n t e r n e t i n t r a n e t ，对远端进行监视和控制，完成对 分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能，我们通常把能够实现远程监 控的通信媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监控系统。在现场设备分布广泛 或数据不易采集的场合，要能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制，利 用网络技术和工厂自动化( f a ) 技术实现生产线的远程检测，确保生产线安全正常 工作，并且能在发生故障的时候以最快的速度发现问题并及时解决，这就是远程 监控技术在工业生产上的价值嗍。 1 2 远程监控系统发展现状 1 2 1 远程监控系统功能分析 远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据 天津1 ：业人学硕+ 学位论文 采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大 的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相 同；另一种是基于客户端服务器( c s ) 的远程监控，一般是采用现场总线技术将 分布于各个设备的传感器、监控设备等连接起来构成，这后一种类型是集成单元 形式，各个管理站点用局域网连接起来就形成了企业内部网( i n t r a n e t ) 。将企业 内部的信息网( i n t r a n e t ) 与i n t e r n e t 有效地连接起来，由于建立了基本的网络 信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集成系统阶段，这样就实现了数据等 实时监控d 1 。 远程控制所实现的功能如下： ( 1 ) 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、 采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等， 为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。 ( 2 ) 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的 指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数 据和历史数据加以存储。 ( 3 ) 管理功能：利用己有的有效数据、图像、报表和视频等对工况进行分 析、故障诊断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警。 ( 4 ) 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略 形成控制输出，直接作用于生产过程。 基于c s 的远程监控系统是以网络作为通信平台的监控系统，以h t t p 技术 为基础，具有简单、高效等优点，已经成为信息网络的一种最普遍应用的信息交 互平台。利用网络通信技术、数据采集技术及面向对象等软件技术实现了整个系 统的系统管理、用户管理、设备监控数据显示及报警等功能，其优点是充分利用 了现有的局域网资源和广域网资源，以最高的性能价格比，以信息的实时获取和 实时控制为中心，实现信息、资源及任务的综合共享和全局一体化的管理。例如： 监控系统将设备运行情况提供给服务器，并由服务器发送到各个节点客户机，工 作人员在客户机端( 一般为远端) 便可了解整个系统的工作状态及运行情况1 。简 单地讲，对企业来说就是充分利用现代技术解决实时数据的采集、传输和处理以 及进行实时控制的问题。正是这些优点使得远程监控技术得以飞速发展。 随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地应用在企业生产过程的管理 中，专业技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高 设备的可用率，最终降低生产成本，提高效益。 1 2 2 远程监控系统所具备的优点 第一章绪论 借助于远程监控可以将企业内部的现场监控与网络有效地连接起来，实现对 生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业的经营管理策略紧密结合， 从而实现企业的综合自动化，建立网络范围内的监控数据和网上知识资源库。 通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数 据，为远程故障诊断技术提供了基础；通过远程监控，技术人员无须亲临现场或 恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，方便 地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常 运营，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效 的目的。 目前，越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势，利用网络技术实现远程监 控，对企业降低生产成本，提高劳动生产率，以及增强企业的综合竞争实力等方 面都具有十分重要的意义。 1 2 3 远程监控技术国内外研究动态 远程监控是国内外研究的前沿课题。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 的远 程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个公司 和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、 诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望， 由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发了基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断 示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、 b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公 司共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。另外，许 多大公司也在他们的产品中加入了i n t e r n e t 的功能，如b e n t l e y 公司的计算机 在线设备运行监测系统d a t a m a n a g e r 2 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e t d d e ) 的 方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也 在它的产品l a b w i n d o w s c v l 以及l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块，因而可 以通过w w w 、f t p 、e 2 m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国a l a r m 研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行 了应用。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究，目前，清华大学、华中科技大 学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等高校己取得了较为先进的研究成果，如西 安交通大学研制的大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d 、华 中科技大学开发的汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d 、哈尔滨工业大学的微计算 天津l ：业人学硕十学位论文 机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s 等。 1 2 4 远程监控的前景和展望 计算机领域经历了一场新的革命，它结合了现代控制技术、图形技术，其目 标是随时随地为人们提供无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息资源，使其能 真正进入人们的生活。计算机监控系统的技术水平也从初期的模拟信息传输与控 制飞速发展到了数字化、网络化信息传输与控制。 目前远程监控技术的发展方向是应用i n t e r n e t 技术，在t c p i p 协议和w w w 规范的支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取 自己权限下的所有信息并及时做出响应，嵌入式系统的发展会越来越迅速，越来 越成熟，这项新技术必将用于远程监控系统上，是监控系统未来发展方向之一。 嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善服务器性能，可以使每一个设 备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立进行服务，从而大大提高监控 的质量和范围。 网络通信技术在测控系统中的应用还渗透到了传感器领域，将网络接口芯片 与智能传感器集成起来，并把通信协议固化到智能传感器的r o m 中，导致了网络 传感器的产生。网络传感器继承了智能传感器的全部功能，并且能够和计算机网 络进行通信，因而在现场总线控制系统中得到了广泛的应用，成为现场级数字化 传感器。国外有不少仪器公司己研制出了各种各样的网络化传感器。国内在网络 传感器方面的研究尚处于原理研究阶段，还没有成型的网络化传感器出现。 监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，使用者不断对远程监控的 简便性及实时性提出了更高的要求。因此必须要更好地、更及时地应用最新技术， 这样才能使得远程监控不断地发展，不断地满足人们的需求。 监控系统是当今工业控制技术发展的主流和研究热点，更是未来工业控制中 的关键技术。工业控制的自动化程度要求越来越高以及人们对机械设备故障诊断 复杂性、准确性和及时性要求也逐渐增加，以往信息采集系统已经不能满足要求， 这就需要把计算机和工业装置相结合，来设计开发可满足控制要求的控制系统。 采用计算机集中监控系统可保证现场控制的实时性、准确性、稳定性。这不仅能 够达到我们的控制要求，而且还具有很好的可移植性，方便使用。现在嵌入式系 统的发展越来越迅速，越来越成熟，将这项新技术应用到监控系统上，使监控系 统更d 完善。 第一章绪论 1 3 本课题研究的目的意义和主要内容 1 3 1 本课题的研究意义和目的 随着科学技术尤其是微处理技术的迅速发展，自动化生产线正在逐渐取代过 去的手工操作，成为现代生产的主要应用平台。企业自动化信息系统迫切需要把 管理，计划，调度，过程优化，故障诊断和现场控制紧密地联系在一起在这种现 状下，企业管理者为了适应市场变化和有效管理企业生产，需要实时了解生产线 的运行情况和相关的反馈信息，因此现代企业生产需要一种能够对多条大规模自 动化生产线的运行情况进行集中远程监控的系统。这类多条自动生产线的集中监 控系统对提高企业生产率，增强企业的市场竞争力，减少人力财力支出，扩大生 产规模都有积极的作用。 本课题研究的目的在于设计针对大规模自动化生产线群的监控系统，实现对 生产线运行情况的远程监控，使管理者能够及时准确地了解生产并实施有效干 预。本课题以电池自动化生产线为研究载体，而就其处理监控的方式来说，一般 分为p l c 控制、分布式控制d c s ( d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 和现场总线 控制f c s ( f i e l d b u s e sc o n t r o ls y s t e m ) 等形式n 。本课题以d c s 系统为基础， 构成网络化控制系统，同时p l c 网络作为d c s 的子系统，然后与i n t e r n e t 连接 实现数据与视频监控。p l c 控制的最大优点是简单、可靠、编程方便( 无需知道 通讯协议) ，并且价格低廉，是小型控制系统中使用最为普遍的一种控制方式。 1 3 2 本课题需要实现的功能和对控制的基本要求 本课题研究要设计一种针对l i m n 0 2 扣式电池自动化生产线系统的d c s 及远 程视频监控系统。主要功能要求满足： ( 1 ) 在监控中心实时观测生产线的运行状态。 ( 2 ) 在监控中心实时查看和修改生产线的工艺参数设置。 ( 3 ) 能生成和打印生产统计报表。 ( 4 ) 利用c c d 摄像头将现场的工作情况通过网络视频进行实时传输。 整个系统对控制的基本要求： ( 1 ) 实现对各设备的自动控制，包含p l c 控制，可编程终端一触摸屏实现 现场控制的人一机对话和现场监控。 ( 2 ) 实现车间级主控站对系统运行状态的监测，包括异常报警与记录和历 史数据及视频文件记录和查看。 ( 3 ) 实现以远程方式与主控站的同步数据及视频监控。 天津= r = 业人学硕十学位论文 1 3 3 监控系统的总体结构 按上述的基本要求，将整个控制系统划分为现场d c s 系统和远端数据和视频 监控系统两部分，而对现场d c s 系统设为三层，方案结构如图卜1 所示。 图1 - 1 现场d c s 监控系统结构 第一层为现场仪表层，各检测仪表如接近开关，光电开关，传感器将大部分 数字信号传送给p l c 的数字输入模块。 第二层为现场控制层，由p l c 按系统设备状态，即现场各测试仪表传输的数 据，自动控制各部分电气设备的正常运行。操作者与控制系统的人一机交互则通 过现场可编程终端一触摸屏实现，包括对设备的运行控制、参数设定以及用于对 设备运行状态和参数的动态显示。 第三层为d c s 的集中监控层，完成对所有现场设备的监控，包括工艺流程、 设备运行状态、历史记录查询、现场监控视频，设备报警与记录、数据打印、修 改p l c 控制参数等。此层是远程监控体系中的主控( 服务器) 端。 而远端数据和视频监控系统则采用客户机服务器c s ( c l i e n t s e r v e r ) 方 式，通过t c p i p 协议将d c s 的集中监控层( 上述第三层) 与远程客户机进行数 据交换，由远程客户机来实现对现场参数和视频及运行状态的同步监测，以在线、 实时、准确地了解远程处理系统的运行状态n 2 儿协h 1 。其中通信方式如图1 2 所示。 图1 2 远端监控系统通信方式 第一章绪论 考虑生产现场的实际情况和远程监控中视频传输的通用性、可靠性和性价 比，本课题采用i n t e r a c t 的数据传输方式。 1 3 4 本课题软件平台的建立 本文所涉及的电池生产线监控系统是基于p l c 控制和m i c r o s o f tv i s u a l b a s i c6 0 及组态王软件实现现场d c s 系统和远程数据和视频监控。整个控制系 统所使用的软件包括：用于p l c 控制编程的c x - p r o g r a m m e r7 1 、用于触摸屏编 程的a d p 3 0 、用于监控编程和远程视频监控界面设计的m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 6 o 、视频监控厂商提供的驱动程序以及用于集中监控的组态软件一组态王。 实践证明该控制系统具有硬件成本低、软件设计简单、实现方便，特别适合 中、小规模的各类控制系统。 1 4 本章小结 本章简要分析了国内外远程监控系统发展现状和前景，并以l i m n 0 2 电池自 动化生产线为载体，去探讨基于d c s 系统的远端监控的方法、步骤和配置等问 题。简明介绍了本课题研究的主要内容、意义，并提出随着我们国家科学技术的 快速发展、工业自动化设备的采用以及计算机和工业装置相结合必将推动我国控 制技术快速发展。本课题把先进的监控理论和技术应用到实际生产过程中，对提 高企业生产效率和竞争力有很强的借鉴意义。 第二章直线型l i m n 0 2 扣式电池生产线方案设计 第二章直线型li m n 0 2 扣式电池生产线方案设计 2 1 l i m n 0 2 扣式电池的制造装配工艺 直线型l i m n 0 2 电池生产线根据生产工艺要求包含起始上料加锰片工序、隔 膜纸入壳工序、锰片入壳及注液工序、正极钢壳装配工序、封口工序等。由于 l i m n 0 2 元素和电解液的特殊性质，整条线的工作必须在密封的干燥箱内进行， 而且根据电池型号的不同还需要检测、剔除等工作，精度要求较高。以型号为 c r 2 0 3 2 电池作业组装工艺为例，需要在带有集流网、负极片的负极壳体内依次 加入隔膜和饱浸电解液的正极片，并在保证电解液完全渗透的前提下，加盖正极 壳体并封口n 引。装配流程如图2 1 所示。 负极 组件 装配 剪切 隔膜 纸，加 注电 解液 正极 锰片 渗透 电解 液 正极 组件 装配 上负极壳加锂片卜叫入隔膜纸卜一叫加正极壳卜叫盖正极壳体卜叫封口 图2 - 1l i m n 0 2 扣式电池装配流程 l i m n 0 2 扣式电池装配工艺简介： ( 1 ) 输送质量合格的负极壳进入生产线系统 负极片是直径为1 6 r a m ，厚度约为0 4 m m 的锂片，通过焊网机把集流网点焊 在负极壳底部，并把负极片压在集流网上，使其接触良好。 ( 2 ) 剪切隔膜纸，压入负极壳，然后加注适量电解液 一般采用聚丙烯隔膜，依靠剪切机构裁成直径约为1 8 m 的圆片，由压入机 构入壳，然后注入电解液使隔膜纸全部浸透。 ( 3 ) 加入以m n 0 2 为主要材料的正极片，并保证电解液浸透容量 正极片是直径约为1 6 m ，厚度约为2 m m 的复合材料圆片，其主要材料为二 氧化锰，正极片必须充分浸透电解液以保证放电时间及电池容量等性能参数。 ( 4 ) 覆盖正极壳体 用正极钢壳覆盖已完成渗透的负极壳。 ( 5 ) 调整规正后封口并退料 天津i ：业人学硕+ 学位论文 放入封口模具，完成封口动作，最后成品塑封打包。 2 2l i m n 0 2 扣式电池生产线控制系统的设计 要满足l i m n 0 2 扣式电池装配工艺要求，首先要考虑的问题是如何进行技术 系统分析，才能得到最优化的结果，应该遵循哪些设计方法的技术原理，才能获 得最合理的方案。为了解决这个问题，就必须对生产线的控制系统进行探讨。依 据生产线机械系统的特性，该生产线控制系统应选取可编程控制器( p l c ) 结合 触摸屏人机界面作为核心系统，工业现场标准要求程序的编制根据硬件设备的具 体情况而定。 2 2 1 控制系统的硬件设计 根据l i m n 0 2 扣式电池生产线的具体情况，选用了日本o m r o n 公司的可编程 控制器和扩展模块作为生产线的核心控制部分，采用h i t e c h 的p w c 系列触摸屏， 触摸屏和p l c 之间通过r s 2 3 2 进行通讯。触摸屏用于按键输入、参数设置，监控 画面显示以及故障原因显示等功能。直线型l i m n 0 2 扣式电池生产线控制系统框 图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 生产线控制系统流程图 针对使用触摸屏工业级人机交互界面的方案，对编写的p l c 梯形图进行了优 化，避免了大量按钮占用可编程序控制器输入点的情况。这样，在生产线控制系 统中，主要的检测元件有光电开关、接近开光、磁性开关、压力传感器、光纤传 感器等。执行部件主要有三相异步电动机、气缸、振动料斗、海霸泵等。系统通 第二章直线型i a m n 0 2 扣式电池生产线方案设计 过声光报警器以及触摸屏上的状态显示灯进行报警和监视。下面介绍控制系统硬 件的最优选择。 第一部分系统控制核心硬件与输入输出扩展模块搭配 根据设计分析，控制系统硬件如下： ( 1 ) 可编程控制器( p l c ) 欧姆龙( o m r o n ) 公司的p l c 拥有良好的性能和质量保证，服务和维护体系 比较健全，所以，选择他们的产品作中央信息处理单元，也为设备将来的稳定工 作打下了良好的基础。由于所需的点数均超过1 0 0 点，选用c p m l a 系列的可编程 均不能满足要求( 最多可达1 0 0 点) ，所以根据生产线的实际情况，经过综合考 虑选用欧姆龙公司的c j l m - c p u l l 型可编程控制器n 引。这种可编程控制器的主要 特性：直流2 4 v 电源供电、5 k 步程序存储器容量、3 2 k 数据存储器容量、l d 指 令处理速度为o 1 0 微秒和外置r s - 2 3 2 c 端口b t ) 。 ( 2 ) i o 扩展输入和输出模块 由于生产线上采用的传感器均采用直流供电，因此选用输入模块采用d c 模 块。该模块按连接方法不同分为端子板连接和连接器连接两种，考虑到接线方便， 选用端子板连接型。综合考虑i o 扩展输入模块确定选用c j l w - i d 2 6 1 型。因为 转盘电机、皮带电机、收纸电机、蜂鸣器、指示灯、排风扇等工作次数较少且需 要启动电流大，所以控制的输出模块采用继电器输出。其余的控制电磁阀的输出 模块必须使用晶体管输出，因此继电器i o 扩展输出模块选用c j l w - o c 2 1 1 型 “叭驯，它的特性：1 6 点，电源电压直流2 4 v 时驱动能力均为2 a 。晶体管i 0 扩 展输出模块选用c j i w - 0 d 2 3 1 型，它的特性：3 2 点晶体管输出单元；电源电压 4 5 v 直流时，驱动能力为5 0 m a 。 ( 3 ) 触摸屏模块 采用h i t e c h 公司的p w s 一6 a o o t 型触摸屏，这是一种1 0 4t f l i ( 6 4 0 h x 4 8 0 v ) l c d 及类比式触控彩色面板，是一种适用于各种恶劣环境的高功能人机界面嘲。 该型号触摸屏与外接设备的通信为9 针的r s 2 3 2 串口通信，分别为c o m l 和c o m 2 口，在该控制系统中选用c o m l 作为下载程序的通信口，c o h 2 口作为与p l c 的通 信端口。 第二部分信号输入部分元件 输入信号元件在生产线中采集信息并随时检测运转情况，必须选用耐用、抗 干扰性强的产品。本生产线系统的输入信号部分元器件全部选用质量可靠的名牌 产品，稳定性和寿命可以保证。根据设计分析，输入信号部分硬件如下： ( 1 ) 接近开关 选用了两种类型的接近开关，一种是电感式接近开关，另一种是电容式接近 天津“l ：业人学硕士学位论文 开关。其中电感式的接近开关线型选三线型、n p n 、常丌型的，主要采用的是施 克e 2 e - c r 8 c l 型，检测距离为0 8 m m 、直流三线式n p n 、集电极开路、常开型的 接近开关。电容式的传感器是用于检测薄膜等绝缘物体，使用数量相对较少。 ( 2 ) 光电开关 选用直流2 4 v ，对射式光电开关。共有两种光电开关，一种光电开关型号为： e 3 t s t l l 型透过型光电开关，该光电开关为超小型，长距离检出，透过型，n p n ，常 开型，检测距离为1 m ，可以检测2 m m 直径以上的不透明物体，若配置狭缝板可以检 测直径为0 5 哪的微小物体，光源为6 7 0 n m 的红光，电源电压为d c l 2 2 4 v ，受光器 消耗电流1 2 m a 。另一种光电开关型号为：e 3 t - f d i i 型扩散反射型光电开关，该 光电开关为超小型厚度只有3 5 m m ，扩散反射型，n p n ，常开型，检测距离为5 - 3 0 r a m ， 可以检测直径为0 1 5 m m 的微小物体( 检测距离为l o m m ) ，光源为6 7 0 n m 的红光， 电源电压为d c l 2 2 4 v ，受光器消耗电流2 0 m a 。 第三部分输出信号部分元件 本系统输出执行机构元件，内置抑制浪涌二极管，可以避免反电动势窜进可 编程序控制器，干扰程序或烧坏输出口，其中继电器来自o m r o n 公司，电磁阀则 来自m a c 和s m c 公司。根据设计分析，输出部分硬件如下： ( 1 ) 中间继电器 型号为m 1 一2 c ，直流线圈，即m 1 型，两对触点，内置动作显示灯，内置抑制浪涌 二极管，线圈额定电压d c 6 - 1 0 0 v ，额定功耗1 ) c0 9 w ，触点额定电压为a c 2 2 0 v ，5 a 、 使用次数2 0 万次以上。 ( 2 ) 直流电磁阀 型号为s y 3 1 2 0 - 5 l z d - - m 5 ，直流线圈，内置动作显示灯，内置抑制浪涌二极 管，额定功耗d c5 4 w 。 2 2 2 控制系统强电部分元件 根据设计分析，主线路强电部分硬件如下： ( 1 ) 直流电源 直流电源的型号为：$ 8 2 k - 1 0 0 2 4 ，参数为：输入电压a c i o o 2 0 0 v 切换式， 输出电压d c 2 4 v ，输出电流4 2 a ，功率5 0 w ，带杂波滤波器。 ( 2 ) 空气开关( 断路器) 空气开关型号：s a 3 3 b ，s a 3 2 b ，各1 个，参数为：三相单相，最大电流6 0 a ， 三相空气开关带漏电保护。 ( 3 ) 振动料斗 在这个控制系统中，料斗的控制是关键技术环节，它是影响产品质量的一个 重要因素，另外各个工序之间的协调一致也是通过料斗来控制的，它是保证生产 第二章直线型u m n 0 2 扣式电池生产线方案设计 线正常工作的关键。 负极壳、正极片和正极盖均采用振动料斗进行自动上料。若正极片和正极盖 在料斗中反复运动，则会损坏正极片和正极盖划伤，因此在振动料斗的料道上增 加了料满检测传感器，一旦料满则停止振动料斗，当料道上的料不满时振动料斗 开始振动。振动料斗控制框图如图2 3 所示。 图2 - 3 自动送料振动盘控制流程图 2 2 3 控制系统p l c 程序设计 作为一个比较复杂的控制系统，必须采用模块化的思路，规划出一个合理的 方案，然后使用梯形图来设计编程控制系统，这样程序的条理性增强，通用性好， 修改程序方便。在系统中充分利用触摸屏的优势，除了完成按键的输入功能以外， 还可以显示生产线的工作情况，若工作中出现故障，除了进行声光报警外，在触 摸屏上显示故障种类、原因以及解决方法，方便了操作乜订嘲。以下简要介绍一下 p l c 的程序设计通信： ( 1 ) 可编程控制器编程 根据选型结果，选择日本o m r o n 公司的c j l m c p u l l 型p l c 作为系统核心控 制单元。c x p r o g r a m m e r 7 1 是o i r o n 公司自带的可编程序控制器梯形图编程软 件，可以方便地进行梯形图设计和助记符设计的双向转换，同时支持公司各种型 号p l c 的编程、上传、下载等操作，提供各类型p l c 的指令系统，并支持中文名 丕竖土些盔堂塑竺盟堡兰 变量直接调用，可以进行在线调试，并且可队十分方便地对p l c 的内部存储器进 行操作，使得编程人员只需要进行数据及逻辑关系的把握，不必关心控制实现的 底层问题，大大简化了程序量和编程人员的劳动强度。 在c x p r o g r a m m e r 中，显示屏墓被分为三个部分：上部左边为工程信息显示 区，其中包含如图所示的各种项目：上部右边为项目具体内容显示区，用来显示 程序或符号表等等；下部为编译、调试、报警信息显示区，还包含一些功能按键 c xp r o g r a m m e r 软件还可以方便地进行助记符和梯形图的转换咖。“。生产线p l c 程序如图2 - 4 所示。 d t qm b ，：。 t t e 二一。二：”i 5 - 。 60f5ib i l l “ 一 ”；：“n ：fo i f 口。= j 、：i i 一o # 口tlk “i ，q t 。 - - _ it “。 图2 4 生产线p l c 梯形图 ( 2 ) 基于c x p r o g r a m m e r 的p l c 与p c 机通信 叮1 m - c p u i l 型p l c 有两个串口，一个供与上位p c 机相连，另一个与触摸屏 相连。上位机与p l c 按照r s 2 3 2 c 标准串行通讯协议相连。其通信方式如下； 上位机( i b mp c ) 一适配器( c i f o i ) 一p l c ( c j l m c p u l l ) 2 24 控制系统人机界面设计 人机界面是人与计算机之问传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系 统的重要组成部分。它实现信息的内部形式与用户可以接受形式之间的转换。凡 参，人机信息交流的领域都存在着人机界面。这里的“交互”定义为一种通信， 剐信息交换，而且是一种双向的信息交换，可由人向计算机输入信息，也可由计 第章i 线掣l i m n o z 扣式电池生产线方案蹬计 算机向使用者反馈信息，擐终将人的意志转化为设备的动作或反馈信息。触换屏 作为人机交互的窗口起到桥梁沟通作用。通过触摸屏，使我们可以直脱地r 解 p l c 的运作情况，可| 三i 对p l c 的运行参数进行修改可以确认= _ | 三产线的产造，同 时和蜂呜器结合将报警声音和报警信息协调起束，即肖蜂呜器报警时，触摸群界 面将自动跳转到报警信息界面，显示发生故障的可能原因，可以更快地解决各种 问题1 。 在现场监控和操作可编程触摸屏的过程中，必须进行触摸屏与p l c 通信的软 件设计。在触摸屏的主界面内，将整个控制系统分为5 个部分，包括系统设胃区， 设备运行区，整机调试区，报警预览区和在线帮助，点击不同的按钮就会转到相 应的操作界面。主界面如图25 所示。 镪抵桃自动性p 缴浏张 天晕工业大学工程撞术研究中c 型号p w s 一6 a 0 0r 版本 d p 6 1 幽2 - 5 主界面r 画面 系统设置区