Profibus診斷技術(shù)在鋰電池隔膜生產(chǎn)線上的應(yīng)用

黃玉彥徐　森王道凱　王永華

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院1，河南 鄭州　450002；河南新平科煙草機械有限公司2，河南 新鄉(xiāng)　453000)

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Profibus診斷技術(shù)在鋰電池隔膜生產(chǎn)線上的應(yīng)用

黃玉彥1徐森2王道凱1王永華1

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院1，河南 鄭州450002；河南新平科煙草機械有限公司2，河南 新鄉(xiāng)453000)

生產(chǎn)線溫度的精確度和運行速度的穩(wěn)定性，將直接影響到鋰電池隔膜產(chǎn)品質(zhì)量。為了提高整條生產(chǎn)線的穩(wěn)定性及可靠性，采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)流程的監(jiān)視與現(xiàn)場設(shè)備的控制。在生產(chǎn)線安裝調(diào)試的過程中，綜合使用多種Profibus現(xiàn)場總線診斷技術(shù)，開發(fā)了鋰電池隔膜生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠使鋰電池隔膜生產(chǎn)線更加穩(wěn)定、可靠地運行，并能及時、準(zhǔn)確定位Profibus現(xiàn)場總線故障，解析故障原因。

現(xiàn)場總線ProfibusProfinet 工業(yè)以太網(wǎng)診斷鋰電池隔膜OPC Server

0　引言

隨著智能手機、平板電腦的快速增長，鋰電池市場不斷擴大。同時我國也是電動自行車生產(chǎn)大國和主要消費市場，電動自行車升級換代，為鋰電池在電動自行車上的應(yīng)用提供了巨大的市場需求。在鋰電池中，隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，將直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性。性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用[1]。

近年來，現(xiàn)場總線技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他自動化領(lǐng)域。干法雙向拉伸技術(shù)是一種重要的鋰電池隔膜的生產(chǎn)工藝。為了提高整個生產(chǎn)線的穩(wěn)定性及可靠性，生產(chǎn)線采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，完成鋰電池隔膜生產(chǎn)線的監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互與設(shè)備控制。

1　鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝

鋰電池隔膜是一種高附加值鋰電池材料，約占鋰電池成本的20%～30%。高性能的鋰電池隔膜一直被日本和美國所壟斷，其技術(shù)難點在于隔膜造孔的工程技術(shù)以及基體材料。基體材料包括聚丙烯、聚乙烯材料和添加劑[2]。

目前，聚烯烴隔膜生產(chǎn)工藝可分為干法和濕法兩大類，同時干法又可細(xì)分為單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝。

2　干法雙向拉伸生產(chǎn)線

干法雙向拉伸技術(shù)作為一種重要的鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝，通過在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改進(jìn)劑，利用聚丙烯不同相態(tài)間密度的差異，在拉伸過程中發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變形成微孔，用于生產(chǎn)單層聚丙烯膜。

2.1生產(chǎn)線流程

鋰電池隔膜的主要性能有：厚度均勻性、力學(xué)性能(包括拉伸強度和抗穿刺強度)、透氣性能、理化性能(包括潤濕性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、安全性)等四大性能指標(biāo)[3]。干法雙向拉伸生產(chǎn)線對設(shè)備的自動化程度要求非常高，隔膜生產(chǎn)過程中有大量的溫度、壓力、速度、流量、濕度、料位、張力、卷經(jīng)、位置、厚度、開關(guān)信號和模擬量信號需要控制和顯示。在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)工藝對速度和溫度的精度控制以及速度鏈的控制要求極高，速度和溫度的控制直接決定了薄膜的成孔率和厚度均勻性。鋰電池隔膜干法雙向拉伸生產(chǎn)線示意圖如圖1所示。

圖1　干法雙向拉伸生產(chǎn)線示意圖

2.2控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

鋰電池隔膜干法雙向拉伸生產(chǎn)線采用了常見的現(xiàn)場總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，鋰電池隔膜干法雙向拉伸生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　干法雙向拉伸生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

系統(tǒng)管理監(jiān)控層采用服務(wù)器/客戶機架構(gòu)，服務(wù)器通過交換機與四個操作站以及控制層交換數(shù)據(jù)；同時，提供Web功能，方便管理層通過瀏覽器查看工廠信息。服務(wù)器和操作員站采用SIMATIC WinCC作為組態(tài)軟件，主要功能是從溫度控制站和速度控制站獲取現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)、查看和修改設(shè)備運行工藝參數(shù)、控制現(xiàn)場設(shè)備的啟動/停止等，以及記錄各種溫度和速度工藝參數(shù)，并實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)分析和報表輸出。

溫度控制站和速度控制站采用SIMATIC S7-300作為控制層核心控制器，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，完成對生產(chǎn)線溫度和速度的精確控制?，F(xiàn)場設(shè)備層為多個Profibus DP從站，通過Profibus總線，采集現(xiàn)場模擬量和開關(guān)量信號，與主站交換數(shù)據(jù)。

3　生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)

Profibus現(xiàn)場總線具有高速、低成本等特點，非常適合于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，用于現(xiàn)場設(shè)備層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期性地讀取從站的輸入信息，并周期性地向從站發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)時間必須要比主站(PLC)程序循環(huán)時間短[4]。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，Profibus還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信(以進(jìn)行組態(tài))、診斷和報警處理等功能。同時，有多種Profibus現(xiàn)場總線診斷技術(shù)得到應(yīng)用。在生產(chǎn)線安裝調(diào)試的過程中，綜合使用這幾種Profibus現(xiàn)場總線診斷技術(shù)。

3.1Profibus常用診斷技術(shù)

①PROFITrace。

PROFITrace是一款強大的移動式網(wǎng)絡(luò)分析儀，是Profibus網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和故障診斷的基本工具，非常容易探測各種Profibus現(xiàn)場總線故障。同時，PROFITrace可以快速獲取Profibus總線運行系統(tǒng)的站點信息、站點通信通道電壓、信號通信波形、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)報文等信息[5]。

②PNIODiag。

西門子公司開發(fā)有診斷軟件包PNIODiag。通過該診斷軟件包，可以對 Profibus DP主站系統(tǒng)和 Profinet I/O 系統(tǒng)進(jìn)行診斷評估。PNIODiag能夠提供以下功能：I/O系統(tǒng)的站狀態(tài)總覽；診斷中繼器的診斷顯示；站狀態(tài)的詳細(xì)顯示；觸發(fā)站的診斷事件等。在生產(chǎn)線調(diào)試過程中，PNIODiag結(jié)合STEP7軟件可以實時監(jiān)視生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

③TH SCOPE。

TH SCOPE是一款Profibus、Profinet和工業(yè)以太網(wǎng)診斷軟件，需要通過TH LINK實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接入[6-7]。TH LINK提供了接入多種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的通路，是TH SCOPE和TH OPC Server 的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了車間監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層之間的有效連接，同時可以實時訪問Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)以及基本的網(wǎng)絡(luò)診斷信息。

TH SCOPE可以實時查看可接入的網(wǎng)絡(luò)信息和網(wǎng)絡(luò)中各自設(shè)備的狀態(tài)，利用趨勢面板，可以監(jiān)測一段時間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，分析所有網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和變化，并根據(jù)累積的網(wǎng)絡(luò)診斷信息，提供相應(yīng)的診斷建議。TH SCOPE結(jié)合Profibus Scope軟件，可以深度分析生產(chǎn)線調(diào)試期間的Profibus網(wǎng)絡(luò)診斷信息，并細(xì)化網(wǎng)絡(luò)故障診斷；提供全面的Profibus網(wǎng)絡(luò)報文分析和錯誤記錄；全面分析Profibus標(biāo)準(zhǔn)診斷和指定設(shè)備的診斷報文；搜索、過濾、觸發(fā)、長期記錄Profibus報文。

3.2生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)

PROFITrace不能長時間實時在線監(jiān)測系統(tǒng)總線，只能短時存儲報文數(shù)據(jù)，而且功能復(fù)雜，需要掌握專業(yè)的Profibus通信協(xié)議，適用于現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)非常嚴(yán)重的通信故障時，臨時在線檢測生產(chǎn)線Profibus網(wǎng)絡(luò)故障。PNIODiag需要修改項目程序，常用于簡單地、直觀地顯示監(jiān)控生產(chǎn)線Profibus網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，無法統(tǒng)計和分析現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)故障。PROFITrace和PNIODiag更適合解決生產(chǎn)線安裝、調(diào)試過程中出現(xiàn)的現(xiàn)場總線故障。

而TH SCOPE可以用于所有Profibus網(wǎng)絡(luò)的安裝、調(diào)試和運行過程。同時，TH SCOPE和TH LINK結(jié)合了PROFITrace和PNIODiag的優(yōu)勢，無需掌握Profibus專業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議知識，也無需更改原有項目程序，即可實現(xiàn)Profibus網(wǎng)絡(luò)的永久自我監(jiān)測。因此，項目中以TH SCOPE軟件為基礎(chǔ)，開發(fā)了鋰電池隔膜生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)。

TH SCOPE作為診斷系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件，安裝在單獨服務(wù)器上，與原有項目相隔離。在原有的Profibus網(wǎng)絡(luò)物理線路上，分別安裝TH LINK網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，然后TH LINK通過現(xiàn)場交換機與TH SCOPE服務(wù)器相連。為了最小化改動原有網(wǎng)絡(luò)線路，只需要找到就近網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的Profibus總線連接器，并替換為帶編程口的總線連接器，即可實現(xiàn)TH LINK網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的安裝。這樣TH SCOPE服務(wù)器就可以實時獲取生產(chǎn)線中溫度和速度，控制主站的Profibus網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

同時，多條生產(chǎn)線也可以共用一個TH SCOPE服務(wù)器。在每條生產(chǎn)線Profibus網(wǎng)絡(luò)的物理線路上，只需安裝TH LINK網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，并連接到TH SCOPE服務(wù)器即可。這樣既能最大程度地節(jié)省系統(tǒng)成本、降低用戶投資，又能實現(xiàn)工廠車間級的生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷。 生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)配置如圖3所示。

圖3　生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)配置圖

3.3系統(tǒng)應(yīng)用

在實際應(yīng)用中，TH SCOPE服務(wù)器可以作為專用的診斷系統(tǒng)，只需要按照軟件操作說明，即可快速實現(xiàn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)監(jiān)控。同時，TH SCOPE本身也可以作為OPC Server，這樣TH SCOPE數(shù)據(jù)也可以很好地與組態(tài)軟件相集成，方便其他用戶查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)和電氣維護(hù)。

為方便車間生產(chǎn)線用戶在操作員站查看現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，本項目中的TH SCOPE 服務(wù)器作為生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)的OPC Server，為多條生產(chǎn)線提供了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)診斷與統(tǒng)計數(shù)據(jù)。在車間生產(chǎn)線系統(tǒng)中，WinCC服務(wù)器作為OPC Client，通過交換機與OPC Server相連接，即可實現(xiàn)兩者之間的實時數(shù)據(jù)交互。

由于OPC Server和OPC Client安裝在不同的計算機上，OPC Client要實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問OPC Server，需要對TH SCOPE 服務(wù)器進(jìn)行DCOM配置，開放WinCC服務(wù)器相應(yīng)的訪問權(quán)限[7]。同時，在生產(chǎn)線系統(tǒng)中，WinCC組態(tài)軟件需要配置OPC驅(qū)動連接程序，添加需要監(jiān)控的變量，并創(chuàng)建相應(yīng)的診斷參數(shù)畫面。

4　結(jié)束語

電動汽車是未來鋰電池的大市場。2013年，美國特斯拉公司在電動汽車市場獲得矚目成績。該公司預(yù)計2016年僅其一家公司需要的鋰電池用量將會超過目前全球3C市場鋰電池用量，全球電動車市場所需的鋰離子電池規(guī)?？涨啊ｄ囯姵馗裟な且环N高附加值鋰電池材料，直接影響著鋰電池的成本與價格。

干法雙向拉伸技術(shù)作為一種重要的鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)線采用了Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)。

Profibus總線穩(wěn)定可靠運行，決定著生產(chǎn)線的溫度和速度控制精度，將直接影響鋰電池隔膜生產(chǎn)質(zhì)量。本文介紹了幾種Profibus現(xiàn)場總線診斷技術(shù)，并開發(fā)了鋰電池隔膜生產(chǎn)線實時網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地定位生產(chǎn)線中Profibus總線出現(xiàn)的故障，給出故障的可能原因，以便快速排除故障，最大限度地降低損失。

[1] 劉會會，柳邦威.鋰電池隔膜生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J].絕緣材料,2014,47(6):1-5.

[2] 劉春娜.鋰電池隔膜行業(yè)發(fā)展動態(tài)[J].電源技術(shù),2015(4):657-658.

[3] 巫曉鑫,吳水珠,趙建青,等.鋰離子電池聚烯烴隔膜改性及功能化研究[J].合成材料老化與應(yīng)用,2012,41(4):43-48.

[4] 王永華,VERWERA.現(xiàn)場總線技術(shù)及及應(yīng)用教程[M].2版.北京：北京機械工業(yè)出版社,2012.

[5] 翟婉波,白焰.PROFIBUS現(xiàn)場總線在DCS中的常見故障分析與診斷方法[J].中國科技縱橫,2013(20):68-69.

[6] 韓順成,陳秋苑.統(tǒng)一監(jiān)控、診斷、分析PROFIBUS、PROFINET和工業(yè)以太網(wǎng)[J].中國儀器儀表,2014(1):37-38.

[7] 田茂琴.OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015,38(21)：72-75.

上海市高新技術(shù)領(lǐng)域基金資助項目(編號：15111106800)；

上海市社會發(fā)展領(lǐng)域基金資助項目(編號：16DZ1202500)。

Application of Profibus-based Diagnostic Technology in the Production Line of Lithium Battery Separator

In the production line of Lithium battery separator,accuracy of temperature control and stability of running speed directly affect the quality of products.In order to improve the stability and reliability of the whole production line,the Profibus field bus technology is used to implement monitoring of the production line and control of the field equipment.During installation and commissioning stages,several kinds of Profibus field bus diagnostic technologies are comprehensively used,and on such basis,the real time network diagnostic system is developed for the production line.The results show that the system can make the production line running more stably and reliably; as well as timely and accurately locates the fault of Profibus field bus,and analyzes the cause of the fault.

FieldbusProfibusProfinet Industrial ethernetDiagnosticLithium batterySeparatorOPC server

黃玉彥(1987—)，男，現(xiàn)為鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609011

修改稿收到日期：2016-01-05。