1 引言　

　　2018年中國(guó)儲(chǔ)能類鋰離子電池產(chǎn)量同比增加48.57%，達(dá)5. 2GWh， 預(yù)計(jì)2019年中國(guó)儲(chǔ)能類鋰離子電池產(chǎn)量達(dá) 6.8GWh。鋰電池在傳統(tǒng)行業(yè)中主要是應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品，而在國(guó)內(nèi)快速擴(kuò)張地新能源汽車市場(chǎng)的引導(dǎo)下，目前在新興領(lǐng)域主要是應(yīng)用于新能源汽車動(dòng)力電池、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

       本文以鋰電行業(yè)后段設(shè)備的疊片機(jī)為例， 詳細(xì)介紹CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)在該設(shè)備中重要作用以及對(duì)設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析。

　　2 工藝流程

　　鋰電行業(yè)主要設(shè)備包括有涂布機(jī)、分切機(jī)、卷繞機(jī)/疊片機(jī)等，其中混料、涂布、干燥及分切是屬于前端工序，而像疊片、焊接、注液、封裝、化成、包裝等都屬于后端工序，大致工序如圖1所示。

　　本文以其中疊片機(jī)為例，來詳細(xì)為大家介紹一下。在過去，鋰電行業(yè)基本都是使用卷繞機(jī)設(shè)備來對(duì)應(yīng)該陽(yáng)、陰極片堆疊，但是由于發(fā)熱膨脹以及方型電池的市場(chǎng)需求等原因，特別是新能源汽車這方面，方形電池更受歡迎。因此目前國(guó)內(nèi)更多是使用疊片機(jī)來進(jìn)行陽(yáng)、陰極片的疊加再進(jìn)行焊接，只有在圓柱形電池方面還是使用卷繞設(shè)備。

　　圖 1 鋰電行業(yè)工藝圖

　　如圖2所示，這就是一臺(tái)使用CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搭建的疊片機(jī)，該設(shè)備通過Z字形疊片方式(圖3)， 實(shí)現(xiàn)將陽(yáng)極片、陰極片以及隔離膜堆疊成電芯。

圖 2 疊片機(jī)設(shè)備

圖 3 Z 字形疊片方式

　　我們來看下整個(gè)工藝步驟，首先對(duì)隔離膜進(jìn)行放卷作業(yè)，在放卷過程中開始進(jìn)行一級(jí)糾偏;然后通過張力擺桿來對(duì)整個(gè)隔離膜進(jìn)行張力大小調(diào)整，而張力數(shù)據(jù)由下方的張力傳感器來提供;而在張力傳感器和張力擺桿之間是隔膜緩存輥，主要是為了防止底部直線電機(jī)作業(yè)時(shí)，由于快速移動(dòng)導(dǎo)致隔離膜繃斷，同時(shí)也可以防止由于放料卷放料過程中半徑減小引起的誤差，因此使用了儲(chǔ)料輥;張力控制結(jié)束之后是使用離子風(fēng)鋁棒來進(jìn)行隔膜的除塵、除靜電作業(yè)以及進(jìn)行隔膜二級(jí)糾偏;最后底部直線電機(jī)的左右高速平移，同時(shí)左右放置陰、陽(yáng)極片，通過CCD視覺來檢測(cè)極片位置，在完成規(guī)定極片的疊片后，通過氣動(dòng)卡爪來抓住產(chǎn)品，并由氣刀切割隔離膜，最終完成最后成品。當(dāng)然，這只是該道工序的成品，后續(xù)還需要進(jìn)行焊接極耳等操作。

　　在整個(gè)設(shè)備中，最重要的是對(duì)高速運(yùn)行的直線電機(jī)平臺(tái)進(jìn)行高精度地控制，整個(gè)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離是320mm，時(shí)間為0.3s，在平臺(tái)左右高速移動(dòng)時(shí)，對(duì)于速度的控制十分困難，需要不斷地調(diào)整增益、剛性等數(shù)據(jù)， 同時(shí)也要與儲(chǔ)料輥、張力控制器聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化整體的凸輪控制曲線，防止過沖。

　　因此本臺(tái)設(shè)備使用了全球第一個(gè)基于TSN技術(shù)開發(fā)的CC-Link IE TSN工業(yè)開放式總線網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)，連接三菱電機(jī)最新推出的MELSERVO-J5伺服控制器來進(jìn)行控制，在設(shè)備調(diào)試階段，由于CC- Link IE TSN穩(wěn)定高速的傳輸速度，使整個(gè)設(shè)備在運(yùn)行過程中非常穩(wěn)定。

　　如果說高速的運(yùn)動(dòng)控制是提升整體生產(chǎn)節(jié)拍，那隔離膜的糾偏就是提升整個(gè)產(chǎn)品的精度，本段工藝主要使用了兩次糾偏，一級(jí)糾偏是放置在放料卷位置，伺服掛接32：1的減速器通過絲桿去控制放卷設(shè)備;而二級(jí)糾偏主要是伺服直接控制絲桿來實(shí)現(xiàn)糾偏作業(yè)，因?yàn)槎?jí)糾偏是疊片前的最后一道工序，如果使用減速器會(huì)影響整體精度， 目前精度已經(jīng)可以控制在0. 3mm以內(nèi)， 如果在出料口使用更多一級(jí)糾偏，可以把精度控制在0.1mm上下。

　　　　　圖 4 疊片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

　　圖 5 直線電機(jī)平臺(tái)

　　圖 6 一級(jí)糾偏 

圖 7 二級(jí)糾偏

圖 8 一級(jí)糾偏機(jī)械

　　圖 9 二級(jí)糾偏機(jī)械

　　3 CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)概述

　　在正式了解該通訊總線網(wǎng)絡(luò)前，我們先認(rèn)識(shí)下什么是TSN技術(shù)。TSN技術(shù)，就是Time Sensit iv e Networks，中文來講就是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。他的前身是AVB技術(shù)，也就是音視頻橋接技術(shù)，主要是應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)直播以及汽車中控方面，隨著自身協(xié)議的完善，IEEE802.1 工作組在2012 年的時(shí)候正式把該技術(shù)更名為TSN技術(shù)。TSN不是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)或者說協(xié)議，它是由多種協(xié)議組成的，到目前為止他的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還處于在不斷地完善和補(bǔ)充過程中。TSN標(biāo)準(zhǔn)作為普通以太網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)擴(kuò)展協(xié)議，他的目的就是對(duì)普通以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)性、時(shí)間同步性、高精度、安全性方面做一個(gè)有效的補(bǔ)充。在過去，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)很少去使用普通以太網(wǎng)協(xié)議就是因?yàn)樵诎踩?、高精度等方面不滿足需求，因此經(jīng)過普通以太網(wǎng)協(xié)議擴(kuò)展后的TSN技術(shù)是非常適合工業(yè)領(lǐng)域的。

　　而CC-Link IE TSN作為全球首款應(yīng)用TSN技術(shù)的千兆工業(yè)開放式網(wǎng)絡(luò)，由CLPA正式于2018年11月全球發(fā)布，僅僅只需一根網(wǎng)線就可以連接多種不同的協(xié)議，包括CC-Link IE TSN協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、UDP、MODBUS/ TCP、SLMP等等，同時(shí)也可以兼容各種基于TSN技術(shù)的其他工業(yè)開放總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

　　同時(shí)，由于TSN技術(shù)的時(shí)間同步與時(shí)間分割功能， 在使用過程中大家可以根據(jù)自身設(shè)備的要求來設(shè)置各自不同的刷新周期，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，對(duì)每一臺(tái)設(shè)備的通信周期都是一致的，而CC-Link IE TSN則可以針對(duì)不同的設(shè)備配置不同的通信周期，比方說伺服放大器這樣的需要高速控制的設(shè)備可以配置高速的通信周期、而遠(yuǎn)程I/O、變頻、溫控設(shè)備等則可以配置中速的通信周期，從而能更加有效的使用千兆的網(wǎng)絡(luò)資源，使設(shè)備的控制性能最大化。

　　圖 10 TSN 技術(shù)

　　圖 11 CC-Link IE TSN 結(jié)構(gòu)圖

圖 12 同網(wǎng)段不同數(shù)據(jù)刷新周期

　　4 控制系統(tǒng)

　　如圖13所示，整個(gè)控制系統(tǒng)使用了9個(gè)放大器控制總共10臺(tái)電機(jī)，分別是3臺(tái)100W、3臺(tái)700W、2臺(tái)400W 的伺服電機(jī)和兩臺(tái)直線電機(jī)，所有的伺服控制器都是通過CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)高速通訊，使用PLC模塊可以完成控制。

圖 13 電控系統(tǒng)

　　與此同時(shí)，通過TCP/IP協(xié)議使用通用型交換機(jī)連接1 臺(tái)三菱GT2512 的人機(jī)界面和1 臺(tái)研華(Advantech)的SRK- CTR- 00工控機(jī)，其中人機(jī)界面主要是為了方便直觀的在設(shè)備外側(cè)觀察數(shù)據(jù)和進(jìn)行觸屏控制，而工控機(jī)主要是為了控制4 個(gè)康耐視(Cognex)的CCD來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地極片定位，使隔離膜與極片之間保持一致。另外值得一提的是，J5系列伺服的網(wǎng)口也可以通過普通以太網(wǎng)交換機(jī)額外直連千兆/百兆的以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行高速通訊，實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)混合通信。

圖 14 PLC 配置圖

　　圖15是人機(jī)界面的控制面板，通過MELSOFT協(xié)議與三菱的R系列PLC連線并進(jìn)行控制，使用人機(jī)界面大大方便了后期對(duì)于設(shè)備的改造，虛擬的點(diǎn)位控制更改起來也非常方便，無需再去更改設(shè)備接線等，方便設(shè)備后期的維護(hù)和修改。

圖 15 GOT 控制面板

　圖 16 設(shè)置界面

　　在調(diào)試的時(shí)候也發(fā)現(xiàn)目前三菱電機(jī)已經(jīng)把工程軟件進(jìn)行了比較完善的升級(jí)，如圖16 所示，相較于過去，如今已經(jīng)可以直接通過GX Works 3 對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行編程與設(shè)置，擺脫了過去需要打開多個(gè)軟件十分不方便;程序中也可以大量使用標(biāo)簽來制作程序，方便廠家去制作符合自身標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范設(shè)備，同時(shí)伺服程序中的全局標(biāo)簽也可以選擇去共享給PLC進(jìn)行映射使用，大大方便了工程師的使用。

　　5 結(jié)語

　　CC-Link IE TSN作為目前最新的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中將會(huì)得到更多應(yīng)用，目前三菱電機(jī)推出的RD 78G系列的運(yùn)動(dòng)控制模塊單個(gè)已經(jīng)可以連接最多256 軸/設(shè)備，且可以累計(jì)使用三個(gè)模塊達(dá)到700多軸，變頻器A800等多系列產(chǎn)品也支持CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)相比于過去，CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)更加開放，主、從站設(shè)備都支持各個(gè)廠家進(jìn)行軟件或硬件形式開發(fā)。

　　針對(duì)國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)，半導(dǎo)體、鋰電、汽車等行業(yè)的單機(jī)設(shè)備或線體在未來將會(huì)更加復(fù)雜，需要增加更多的軸、更多設(shè)備去對(duì)應(yīng);同時(shí)，對(duì)應(yīng)當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用也需要與IT互相兼容的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，CC- Link IE TSN既可以方便與上位系統(tǒng)兼容，也可以與下位多協(xié)議同時(shí)傳輸，因此十分適合未來設(shè)備的發(fā)展。