高速動(dòng)力電池輥壓機(jī)厚度閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究

劉振州

摘 要：近幾年動(dòng)力電池的飛速發(fā)展，電池制造廠商對輥壓設(shè)備提出了更高的生產(chǎn)效率，更高的運(yùn)行平穩(wěn)性和產(chǎn)品的一致性。同時(shí)伴隨自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，尤其PLC控制技術(shù)，通訊技術(shù)，伺服控制技術(shù)在輥壓機(jī)上應(yīng)用，使輥壓設(shè)備很好的滿足了電池廠商對設(shè)備廠商的要求，輥壓機(jī)的控制得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：輥壓機(jī)；厚度閉環(huán)；AGV控制；張力控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.039

1 設(shè)備生產(chǎn)線的組成

電池一致性的要求，電池極片厚度最大誤差必須保持在+-2um以內(nèi)，因此連續(xù)輥壓厚度控制是輥壓機(jī)控制的核心。在控制組成上，主輥機(jī)提供整條生產(chǎn)線的穩(wěn)定線速度，放卷機(jī)和收卷機(jī)跟隨主機(jī)的線速度，同時(shí)保持穩(wěn)定的張力。

1.1 放卷機(jī)的速度和張力控制

放卷機(jī)由放卷料軸，放卷料軸的直徑檢測傳感器，浮動(dòng)輥裝置，浮動(dòng)輥角度檢測傳感器，浮動(dòng)輥氣缸，浮動(dòng)輥氣缸電氣電磁閥，張力檢測傳感器，輔助過輥等組成。

在HMI上設(shè)定放卷張力值，通過數(shù)值轉(zhuǎn)換輸出到電氣比例閥，電氣比例閥控制浮動(dòng)輥氣缸的氣壓大小，氣缸的力施加在極片上，張力傳感器檢測極片張力與HMI設(shè)定的張力值形成閉環(huán)，通過實(shí)時(shí)調(diào)整電氣比例閥的氣壓大小保證張力的穩(wěn)定性。在放卷過程中，放卷張力系統(tǒng)工作在恒張力模式。

1.2 收卷機(jī)的速度和張力控制

收卷機(jī)構(gòu)成和放卷機(jī)相同，也是由張力閉環(huán)和速度閉環(huán)構(gòu)成，不同的是收卷張力是錐度張力。如果收卷張力采用恒張力控制，隨著卷徑的增大，收卷的表面張力不變，此時(shí)收卷中心料卷受到擠壓力越來越大，會形成卷芯變形或料軸中心材料起皺。因此收卷張力使用錐度張力控制模式，即收卷張力隨著卷徑的增大而減小，卷徑通過傳感器直接測量。

使用的收卷錐度張力公式如下。

T = T0×[1-K×（1-D0/D）]= T0×（1- K）+T0×K×（D0/D）。

T為實(shí)際的張力；T0為初始張力值；K為張力錐度系數(shù)，范圍為0-100%；D0為初始卷徑；D為實(shí)時(shí)卷徑；T0×（1-K）和T0×K都是常量。設(shè)定合適的初始張力和錐度系數(shù)可以到達(dá)良好的收卷錐度曲線。

2 液壓伺服系統(tǒng)與自動(dòng)測厚控制系統(tǒng)的壓力閉環(huán)工作原理

2.1 軋制力閉環(huán)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，伺服閥，伺服閥放大器，油缸，壓力傳感器等組成。工作原理為：HMI設(shè)定的壓力值與油缸上的壓力傳感器形成閉環(huán)，PLC系統(tǒng)運(yùn)算壓力環(huán)數(shù)據(jù)，伺服閥執(zhí)行PLC的計(jì)算結(jié)果。

在液壓伺服系統(tǒng)中，伺服閥具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，功率放大系數(shù)高，控制精度高，直線性好，死區(qū)小，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但伺服閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)高，對油的質(zhì)量和清潔度要求高。

在高速輥壓過程中，快速響應(yīng)壓力變化，控制輥壓過程中的液壓壓力穩(wěn)定，保證壓力波動(dòng)在目標(biāo)壓力值的+-0.05MPa（或+-1T）。驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)主缸壓力應(yīng)用了軍工產(chǎn)品液壓伺服閥，高速響應(yīng)調(diào)整壓力變化。實(shí)時(shí)在線檢測輥壓后的壓力變化，和高速響應(yīng)的伺服閥形成壓力閉環(huán)，保證生產(chǎn)過程中極片厚度的一致性。變量油泵的使用，保證流量和壓力滿足設(shè)備工作需求。同時(shí)在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用了彎缸控制系統(tǒng)，起到了板形控制作用。

2.2 極片自動(dòng)測厚儀厚度閉環(huán)工作原理

自動(dòng)測厚儀測出極片厚度偏差，對偏差值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，濾波，在極片縱向上形成左中右三組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)，PLC根據(jù)設(shè)定好的數(shù)據(jù)模型（附數(shù)學(xué)模型），調(diào)整左側(cè)壓力，右側(cè)壓力。因?yàn)樽詣?dòng)測厚儀安裝在軋機(jī)出口處一定的距離，此時(shí)測量的厚度數(shù)據(jù)和軋機(jī)中心線的厚度有滯后性。滯后時(shí)間T，長度L，速度V。根據(jù)公式計(jì)算出延時(shí)時(shí)間：

△t=△L/△V

由時(shí)間差計(jì)算出，調(diào)整壓力的滯后性。

輥縫差控制，即保證左右輥縫一致，防止極片由于左右厚度不一致導(dǎo)致的極片單邊波浪邊極片報(bào)廢或極片跑偏或斷帶。

2.3 測厚儀與輥縫閉環(huán)

自動(dòng)測厚儀檢測極片厚度，與輥縫大小構(gòu)成閉環(huán)，輥縫執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服電機(jī)帶動(dòng)的斜鐵，斜鐵的前后移動(dòng)引起輥縫的大小變化，輥縫調(diào)整精度在1um。但是輥縫厚度閉環(huán)的缺陷明顯，主要反映為在輥壓加壓狀態(tài)下，調(diào)整輥縫會在斜鐵的絲杠上積攢彈性勢能，當(dāng)液壓壓力釋放時(shí)，彈性勢能釋放引起斜鐵位置的移動(dòng)，在下次液壓加壓時(shí)，輥縫與上次有變化，厚度不穩(wěn)定。

3 AGC控制系統(tǒng)的硬件組成如圖所示

CPU選用三菱Q06UDE，網(wǎng)絡(luò)通訊塊選用QJ71BR11網(wǎng)絡(luò)模塊應(yīng)用MC通訊協(xié)議與各機(jī)構(gòu)建立通訊連接，模擬量輸入輸出選用Q68ADV和Q68DAV，Q61BT11N模塊通過CC-LINK 協(xié)議鏈接外部IO模塊，分布式控制，XXXX模塊通過光纖協(xié)議與伺服電機(jī)控制器建立通訊鏈接。

4 調(diào)試過程注意事項(xiàng)

針對設(shè)備調(diào)試過程中易出現(xiàn)的問題和現(xiàn)場使用中的環(huán)境，需要細(xì)致處理好下面的問題。

1）正確分配PLC程序地址。2）設(shè)備接地信號要合理處理。3）模擬輸入輸出信號的抗干擾處理。4）外部動(dòng)力線和信號線分線槽鋪設(shè)。5）測厚系統(tǒng)與輥壓系統(tǒng)的滯后性處理等。

5 結(jié)語

本套電池極片輥壓機(jī)厚度閉環(huán)系統(tǒng)，2015年投入運(yùn)行，已經(jīng)輥壓出各種規(guī)格型號的動(dòng)力電池極片，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到工藝要求，平穩(wěn)運(yùn)行速度為120米/分鐘，到達(dá)年產(chǎn)值1兆瓦時(shí)。友好的人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)字化的控制系統(tǒng)，便于維護(hù)，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了電池廠生產(chǎn)效率。

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