【毕业学位论文】（Word原稿）蓄电池极群全自动极板装配控制系统设计-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 蓄电池极群全自动极板装配控制系统设计 姓 名：黄继业 学 号： 1134899 所在院系：软件学院 职业类型： 专业领域：软件工程 指导教师：刘依 张晨曦 副 指导教师 ：黄观仁 二 一 三 年 八 月 in 2010 2013 1134899 i, s 电池极群全自动极板装配控制系统设计 黄继业 同济大学 I 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同 济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年 月 日 年 月 日 济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 随着电动自行车、纯电动汽车、混合动力车的迅速发展，蓄电池的使用量越来 越 大， 其铅酸 蓄电池 的 产量 也 迅速提升。 但传统的铅酸蓄电池极群生产工艺 仍依靠劳动密集型 、高生产污染 的生产方式 ，需要进行自动化改造。蓄电池极群全自动 极板 装配系统应运而生，可 在生产环节中减少高污染岗位，提高生产效率，减少生产污染 。该 系统 还带有 程管理功能，便于进行生产车间的信息化改造，提高生产管理效率。 本文 描述 了一个 我们开发的 基于 嵌入式系统的蓄电池极群全自动极板装配控制 系统 。 首先我们 以 铅酸蓄电池极板极板装配 全自动生产流程 的需求 为背景 ，完成了对该系统 的主要功能分析与软件 需求分析 ，并绘制了相关操作的用例图。系统分为基于 核处理器的主控显示板、基于 个工位板和 基于 C#的 远程管理 个部分 。 然后， 我们 进行了该系统的总体设计和详细设计 ， 完成 了 主控显示板、工位板的硬件 设计以及 主控显示板的 我们进行了 主控显示板上的 用户 界面 和 远程管理 设计，进行了 工位板流程控 制软件 的 详细设计， 并画 出 了 相应的 时序图 。结合控制流程 ， 定义了一套高效的 分布式 线 协议 ，给出相应设计 图表 。设计 了 远程管理的以太网 议 ,定义了一套简单有效的 在本文最后，给出了该系统的具体编程实现，给出 了部分界面与部分核心代码。 主控显示板软件采用 S、 术，远程管理 件采用 C#编程而工位板软件采用 该系统已在蓄电池极群生产车间试用 ， 运行平稳，工作状态良好 。 试用结果表 明 ，该系统可以极大提升蓄电池极群的生产 效率 ，减少 高 污染生产岗位 。远程管理功能可以提高生产 管理的效率。 如与其他蓄电池生产设备连接构成全自动流水线，可以进一步提高自动化水平。 关键字 : I， 蓄电池极群 ， 极板装配 ， I of in is on s It is an s we is on we a is #C in we of in a on on C,on We a of AN a of DP In of of S C # in I, 同济大学 硕士学位论文 目录 录 第 1章 引言 .题背景 .内外研究现状 .课题的目的和意义 .文的组织结构 . 2章 相关技术 .C/.#编程技术 .太网 .I 与 .章小结 . 3章 系统功能要求与软件需求分析 .件需求分析 .软件总分析 .主控显示板的用户界面分析 . .工位板的控制流程分析 . .以太网协议模块分析 . 主控显示板的 . 4章 系统硬件设计 . 27 件总体结构 . 27 .济大学 硕士学位论文 目录 基于 主控显示板硬件框图 . 基于 . .基于 . . 以太网驱动电路设计 .触摸屏电路设计 .章小结 . 5章 系统软件的设计 . 37 件的总体架构 . 37 . 启停控制界面 . 设备状态界面 . 手动调试界面 . 纸带参数界面 . 报警提示界面 . 44 障汇总界面 . 产量统计界面 . 网络设置界面（设备端） . 47 位板实时控制软件设计 .于 C#的 远程管理界面设计 . 主界面（设备状态） . 远程故障信息界面 . 网络设置界面（设备 . 远程产量统计界面 . 52 . 自定义分布式控制 . 主控显示板端 . 工位板端 .太网远程管理协议设计 . 基于 自定义以太网协议设计 . 主控显示板端以太网软件模块设计 . 同济大学 硕士学位论文 目录 V 于 程的 .控显示板 .章小结 . 6章 系统软件的实现 . 启停控制界面实现 . 设备状态界面实现 . 手动调试界面实现 . 纸带参数界面实现 . 报警提示界面实现 . 故障汇总界面实现 . 71 量统计界面实现 . 72 络设置界面实现 . 动程序的实现 . 极板装配流程总控制的实现 . 76 纸步进电机控制模块实现 . 77 动电磁阀控制模块的实现 . 78 关量输入采集模块的实现 .于 C#的 远程管理软件的实现 . 主界面（设备状态）实现 . 远程故障信息界面实现 . 设备 置界面实现 . 远程产量统计界面实现 .章小结 . 7章 总结与展望 .论 .一步的工作方向 .谢 . 87 参考文献 .人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果 . 第 1章 引言 1 第 1 章 引言 题背景 随着电动自行车、纯电动汽车、混合动力车的迅速发展，蓄电池的使用量越来 越 大，带来蓄电池产量的迅速提升。 在我国 产业结构调 整指导目录 中蓄电池产业是鼓励类产业。蓄电池作为能量的储存的载体，在应用时，是一种绿色清洁能源。随着社会的发展， 新型蓄电池 大量被需要 ， 极大 促进蓄电池及配套领域的科技和产业的快速发展。常用的新型蓄电池中包括铅酸蓄电池、镍氢动力蓄电池、锂离子动力蓄电池。由于铅酸蓄电池成本较低， 其 占比非常大。 铅酸 蓄电池生产的工序包括：板栅铸造、铅粉制造、铅膏搅拌、铅膏涂板、极板固化、极板化成（外化成）、极板分片、极板称重分选、 极群 极板 装配 、极群焊接、电池封装、电池充电（内化成）、电池配组、印刷包装等。虽然铅酸蓄电池的技术工艺水 平已很成熟，但由于铅酸蓄电池有其产品的工艺特殊性，造成目前机械化、自动化水平不高，仍依靠劳动密集型的生产方式。因铅酸蓄电池原 材料之 铅 ，是一种重金属， 对人体有较大毒性，在铅酸蓄电池的 的极群生产 过程中， 铅还有以粉末状形态出现， 如果管理不当，就会有产生污染的可能 22。 极群是铅酸蓄电池的一个基本单元，常见的电动车用蓄电池的极群由一个极群盒中 7 个正极板与 8 个负极板，加正负极板间的隔板纸构成。极群合里面填了铅粉，加酸后封装而成 21。 蓄电池极群全自动极板装配系统就是为铅酸蓄电池，尤其是产量较大的电动车用铅酸蓄电 池生产工艺改进而设计，把铅酸蓄电池生产中的极群极板装配这个工序，用机械全自动来完成。以替代原有工序中，需要工人用手来 把 沾了铅粉的电池正负极板，加上隔板纸，放入极群盒的工作过程，由电控机械自动来完成这个极板装配过程。监管蓄电池极群全自动极板装配系统的工人，也 不 需要长期呆在充满重金属粉尘的环境中，可以在隔离的监控室中，使用 生产设备进行远程管理。 同时，蓄电池极群全自动极板装配系统是蓄电池极群全自动生产线中的一个工序设备。蓄电池极群全自动生产线可以来完成铅酸电池极群装配的相关工序，有更高的生产效率。 同济大学 硕士学 位论文 蓄电池极群全自动极板装配控制系统设计 2 本文中 的 蓄电池极群全自动 极板 装配 控制 系统 是 蓄电池极群全自动 极板 装配 系统的电子控制部分， 由一个主控显示板、 8 个工位板与一台远程 成，主控显示板与 8 个工位板采用基于 线的分布式控制架构；远程管理 控显示板基于 S 实时操作系统，使用行界面显示与设备管理；工位板采用无操作系统模式，对工艺流程进行实时控制； 采用 C#编程完成远程设备管理。 蓄电池极群全自动 极板 装配 控制 系统的 开发 ，可以 解决传统铅酸蓄电池生产的诸多问题，使得极群极板装配工序自动化、清洁化。 内外研究现状 国内已有一些企业研发和生产 蓄 电池 极群极板装配 的专用设备，如张家港金马公司制造的蓄电池极板包片机，以手工及半自动 极板装配 为主，生产效率还有待提高。针对目前蓄电池生产企业招工难，生产效率低下，自动化程度低的问题，已有企业开始研发蓄电池自动化生产线，但目前都处于研发阶段。 同国外发达国家相比，国内蓄电池生产设备还有较大差距，这主要突出在：一是还没有形成一条完整的蓄电池自动化生产流水线，比如蓄电池极板 自动包片后需要手工整理入盒 ；二是设备稳定性较差，故障率较高；三是仍需辅以大量的人工操作，生产效率 低。 美国、德国和日本是蓄电池生产大国、也是蓄电池生产制造装备强国，他们的蓄电池生产装配线自动化程度极高，劳动用工量很少，但这些国家主要面向大容量高密度蓄电池、尤其是汽车蓄电池的生产。奥地利 配 配组机是同类产品中的领先者，技术先进，其优点是：结构紧凑、运行平稳、噪音小、质量可靠，可任意调节 极板装配 速度；其缺点是：只适用于中、大容量高密度铅酸电池极板 装配 配组，另外价格昂贵（高出国产同类设备的 75%），机械易损件维修较为困难。 课题 的目的和意义 本课题通过研究蓄电池极群 全自动极板装配控制的基本原理和方法，分析极板装配的控制流程，在了解具体需求的基础上，利用 术、 C#编程技 第 1章 引言 3 术、分布式 线技术、以太网远程管理技术等，设计并开发一个蓄电池极群全自动极板装配控制系统。该系统能全自动完成铅酸蓄电池中的电池极群盒内放入带隔板纸的电池极板组 ， 避免以往工人手工装配时，接触重金属粉尘的情况，还可以通过 蓄电池极群全自动 极板 装配 控制 系统的 开发 ，可以大大提高铅酸蓄电池极群的生产效率，实现极群 极板 装配 生产自动化、清洁化，减少 高污染 岗位用工。该 系统 的开发应用可带动 我国 蓄电池制造装备产业的全面升级，增加产品附加值，进一步增强 我国 蓄电池产业的市场竞争力和提高行业知名度。 要 研究内容 本课题是设计和实现一个蓄电池极群全自动极板装配控制系统。它是铅酸蓄电池极群（电池中的最小单元）全自动装配流水线中的全自动极群极板装配机（也称包片机）的电子控制器系统。该系统能完成铅酸蓄电池中的电池 极群盒内放入电池极板（ 15片电极板），这个过程全自动进行，避免以往工人手工装配时，接触重金属粉尘的情况。该系统主要由主控显示板、工位板（ 8 个）与基于 实时操作系统 用户图形接口 布式 线技术、 核处理器技术、 C#编程技术、以太网远程管理技术、 传感器技术、数控技术完成极板传送、补纸、吸片、放片、包片、叠片、传送等高速极板装配动作 和 本课题 的其主要研究内容如下： 1. 了解蓄电池极群极板装配工艺流程，进行系统 功能要求分析和软件需求分析 ，给出部分软件的用例图 。 确定控制系统的硬件结构与软件架构，进行软硬件模块划分。 2. 对相关的技术进行学习和分析，掌握实时操作系统 用户图形接口 术、分布式 线技术、 软核处理器 术、C#编程技术、以太网远程管理技术。 3. 完成主控显示板、工位板的硬件原理图设计与 成硬件焊接。完成基于 主控显示板的 部设计，使用 建 入 4. 对 主控显示板上的显示界面（操作界面） 进行详细设计 ，分为控 8个界同济大学 硕士学 位论文 蓄电池极群全自动极板装配控制系统设计 4 面，给出相应设计图。 5. 根据极板装配工艺流程给出 工位 控制流程，完成工位板的软件详细设计，给出相应的设计图。 6. 结合 控制流程 定义分布式 义了一套高效的 手协议、传输异常 处理等， 给出相应设计表 。 7. 设计远程管理的 以太网 定义一套 简单有效的 据包格式 。 8. 对远程管理 的显示界面 进行详细设计 ，分几 个界面，给出相应设计图。 9. 对 极群极板装配 控制 系统 进行了 主控显示板 界面 设计以及 程实现，进行工位板控制程序设计以及 C 编程实现，进行 软件设计以及 C#编程实现，进行 先实现了 各模块的功能， 再 进行 系统 集成 ，并对 该 系统进行 了 调试。 文的组织结构 本文的组织结构如下： 第 1 章 是 引言，主要 论述 了 课题研究 背景 与国 内外研究现状，以及蓄电池全自动极板装配 控制 系统开发的意义、目的和 主要研究内容 。 第 2 章 是 相关技术，主要介绍了系统在设计和开发过程中所涉及到的 C#、以太网 第 3章 是 该 蓄电池极群全自动极板装配 控制 系统功能要求与软件 需求分析，分析了该系统功能 与软件 需求。 并 给出了 软硬件模块划分。 第 4 章 是 该 系统 的 硬件设计，给出了主控显示板与工位板的原理图设计，已经 进行了详细描述。 第 5 章 是该系统的软件设计，对主控显示板上的操作界面、工位板上的控制 程序、 过各种设计图描述了各模块的处理逻辑和过程。 第 6 章 是 该蓄电池极群全自动极板装配 控制 系统 的 软件 实现， 详细介绍了主控显示板、工位板、 软件 编程实现，给出了界面截图以及部分代码 。 第 7章 是 总 结与展望，对 本文的 主要 工作 进行总结，并 分析了 下一步工作 。 第 2章 相关技术 5 第 2 章 相关技术 时操作系统 S 技术 S 是一种 小型 嵌入式 实时操作系统 核 ， 支持多任务操作，功能简单，体积较小，容易直接编译入微控制器的内部 S 提供源代码，用户可以自裁剪，以适合具体的应用要求，非商业应用是免费授权的。S 的源代码的绝大部分是用标准 C 来进行编写，适合所有支持 的编译器，只有极少数针对具体处理器的代码文件是用汇编写的 4。这个特征使得，S 被移植到了各种各样的微处理器、 ，应用领域覆盖广泛，甚至外空探测设备中也有 5。 与 于任务优先级调度、抢占式设计，提供 任务管理，任务调度，时间管理，内存管理和任务间 通信等基本功能 ，支持信号量、中断管理等系统服务。 但是 S 没有提供文件系统管理、界面管理、网络协议栈等 常见功能，需要外部组件支持或者用户自己编写，但由于没有这个功能，使得整个内核体积较小，非常适合工业控制设备中的软件应用 20。 1. 时间 可确定性 。除了少数 事件标志服务 和 函数， 系统服务的执行时间不依赖于用户任务数目的多少 ， 函数调用与服务执行了多长时间。 2. 可移植性 与 可裁剪性 。 在 以通过修改 #句 定义， 来打开或者屏蔽 便定制最适合自己应用环境的系统 6。 3. 高 可靠性 。简单高效的代码，清晰的结构，长期的多种处理器的验证测试，造就了 S 的高可靠性。非常适合要求软件高可靠性的工业控制场合 23。 4. S 在新的处理器上的移植，只要修改 s，可，除了