动力电池自动产线控制系统分析
【前言】 新能源电池尤其是动力锂电池产业是近些年非常的新兴产业，市场发展前景非常富有想象力。相对于传统的不管是铅酸蓄电池，还是镍氢电池，甚至燃料电池，锂电池无论是在寿命、环保、安全方面，还是高容量、体积小、重量轻等方面有很大的优越性及发展潜力。新行业，新产品往往是百花齐放，也是鱼目混珠。目前这个行业，不管是电池本身的设计，还是其生产工艺，还是制造它的生产线及设备都还缺乏比较完善的规范化、标准化指导，尤其是其产品线的后段。这样导致的现状是产品线设计及调试周期长，投入资源大，而产品品质得不到保证，生产效益低也是目前行业普遍现象。
我们知道自动化线及设备设计的成功与否或者好坏，不但取决于自动化技术自身：设计理念、控制架构、元器件选型、作业方式等的把握及其标准化、规范化;而且也取决于产品结构及其生产工艺的标准化、规范化。对于后者，自动化设备厂家是无法准确把握的，而生产厂家往往又对自动化产线及设备的技术缺乏深度的理解。实践证明：要实现生产自动化线及设备的高效化必须是产品与设备两者的高度融合。也就是说，面向客户、面向产品、面向工艺才是自动化行业的根本目的和设计落脚点;而所谓方案、技术、选型等只是结果，或者说是实现的路线和工具。
本文主要是探讨动力锂电池自动化产线控制系统设计及相关设备、仪器、工具的选型的一些思路。
一，锂电池生产过程中的一些问题
目前市场上采用较多的锂电池主要为磷酸铁锂电池和三元锂电池，首先二者正极原材料差异就大，因而虽然整个生产工艺流程比较接近但各阶段工艺参数还是有差异，而且不同应用厂家有不同的材料的使用和配比，工艺的变化、相应的设备选择也就有差异。
另外，锂电池从外形上分方形电池、圆柱电池和软包电池;而从应用的角度，又分数码电池、动力电池、储能电池。其中动力电池和储能电池是将众多单个的电芯通过串、并联的方式连接起来的电池组及电池包，并综合了动力和热管理等电池管理系统。相比于数码电池，电芯的配组、组装是动力电池系统生产、设计应用的关键，是连接上游电芯生产和下游(如整车生产)应用的环节。相比电池的前段相对标准化的电芯生产、组装工艺，后段电芯的配组、组装工艺，目前还缺乏成熟的行业标准。
本文将主要以方形电芯动力锂电池为例，探讨其后段的生产控制系统。
二，电池生产过程中主要工艺特征
锂电池生产牵涉到一套很长、复杂的生产链，从整个生产链来看锂电池生产是典型的流程式生产，即工艺过程基本上是连续进行的，生产顺序几乎不变。根据标准化成熟度及工序的相关度，电芯生产段即动力电池生产的前段已发展了十多年，基本上工艺、设备标准化成熟度比较高，适用于离散式流程生产方式。而后段动力电池组装段是近些年才发展起来的产业，行业标准还处于探索阶段，相比则其自动化生产适用流水线式流程生产方式。整个流程一般分几段，中间通过成品/半成品缓存库连接。
消费领域的数码电池是锂电池行业发展早也成熟的应用产品，其生产工艺及设备基本标准化。主要由上游电芯生产厂家生产，其“电芯”也是构成动力电池生产基本的原料。电芯生产段主要涉及的设备有：
1，极片制作段：搅拌机，涂布机，辊压机，分条机，制片机。
2，电芯制作段：卷绕机，叠片机，入壳、注液、封口等预装设备。
3，电芯组装段：充电化成设备，分容测试柜，电芯测试仪，电芯封装设备。
电芯生产段主要应用到的控制技术包括：同步控制，纠偏技术，张力控制等;牵涉到的主要仪器及专用设备主要有电芯的电压、内阻测试仪器，分容测试柜，超声波焊接，中低功率激光焊接机等等。这些不是本文需要探讨的重点，电池生产的后段：动力电池组装段才是本文探讨的重点。
三，动力电池组装工艺及产线配置
动力电池组装自动化生产主要包括：电芯处理段，模组组装段，模组框架焊接段，汇流排焊接段，PACK 装配段。某方形动力电池生产流程如下图：
从图中可见动力电池组装流程基本是从头到尾连续进行的，一般在模组组装与电池包组装段之间通过模组缓存库来连接，也就是说，整个生产过程可以分成两段流程型自动线。
一般而言，不管是软包电池、硬壳电池还是圆柱电池。模组的自动化组装工艺流程都是从电芯上料开始的，这个来料可以是原供应商提供的包装，也可以是厂家经过检测后统一整理好的专用料框。上料可以是人工操作，也可以通过传送带自动上料，然后通过机器手臂抓取。上料的同时会进行电芯的读码、电芯极性检测、电芯分选、电芯厚度检测、电芯电性能 OCV 等检测，并将不良品剔除。来料通过初检和分选之后，根据模组和工艺要求的不同会分别进行诸如等离子清洁、涂胶贴胶、电芯堆叠、模组组装、极耳裁切整形、模组框架焊接、模组打码扫码、模组检测、汇流排焊接、BMS 系统连接、模组终检测、模组下料等工序。
这一序列工序是完成从单个电芯配组成模组的组装工艺过程，从模组配组成电池包过程也基本类似。也就是说所有的工序、处理动作都是围绕单个电芯配组成模组再配组成电池包而进行的，如：只有经过一序列检测、处理合格，满足所谓“同一性”要求的电芯才能参与配组;电芯堆叠与模组框架组装好，符合成组要求，满足组装才能进行电芯串并联的焊接作业;电芯组装成模组后合不合格要通过测试才能确定等等。当然不同电池生产厂家，同一厂家不同的规格型号有不同的生产流程，但大的流程方向上差不多。主要差别是电芯、模组、电池包有不同的尺寸、规格，也有不同分档、配组原则，至于测试参数、电源管理、温度监控等等基本上是各公司的数据。
因此，由于电芯及侧板、端板、绝缘片、连接片等投入物料差异;模组及电池包的结构和组装差异;行业标准化的缺位等因素，所以设计时要着重注意产线的兼容性、整线的节拍，也就是说目前生产线设计要定位于多规格小批量混线生产方式。这也从一个角度说明：产线的控制架构设计，数据采集和处理方式从技术层面看是设计自动化产线控制系统的关键，围绕 MES(制造执行系统)设计才是设计控制系统的指导。
基于以上分析，尽量配置机器人参与电池组装生产是明智选择，配合输送线、视觉定位、专用设备(如高功率激光焊接机)和专用检测仪器等完成整个电池生产过程。
如上图所示电芯处理段，比较适合用同步带输送线(相比电芯尺寸小且变动也不大)，各工位同步运行，各工序间状态和参数的连接、转换稳定可靠。模组堆叠、组装则更适合用选用机器人。如下图，模组框架外壳的焊接牵涉到焊接、视觉定位，同样应用机器人更方便灵活;至于把不同来料组装在一起，半成品/成品生产工位的转移就更能发挥机器人的灵活方便优势，这也是多规格小批量混线生产方式的选择。
而电芯堆叠成模组后尺寸和重量都比较大，就比较适合倍速链输送线。半成品模组固定在治具定位板上，倍速链带动治具板一个个工位顺序流动，可在不同工位完成极柱的定位和清洗，汇流排的焊接，模组绝缘、耐压、电压、内阻等测试。
由此可见，从电芯上料到终模组下料，整个物料的传送通过传输系统(同步带输送线，倍速链输送线及机器人等)来完成。传输系统还可以根据工艺的调整需求灵活扩展工位，不同工位之间的传递无需人为操作，模组治具定位板自带产品尺寸调整机构，能适应不同尺寸模组的装夹，这样就比较适合小批量多规格的生产需求。焊接是整线中关键的生产工序，为了适应不同规格尺寸混线式生产，视觉定位及激光测距等是自适应生产的必然选择。另外无论是电芯、模组还是电池包的电性能测试也是非常重要的工序，同样需要注意这种自适应生产方式。一般设计成多连接头，通过配方功能自动适应不同的测试点及测试项目。
如果说电芯配组组装成模组段可以采用全自动化线，那么由模组组装成电池包则比较适合半自动化线，如上图。因为到了电池包组装段，来料、成品/半成品尺寸和重量都很大;其中柔性的线路串接等工作更离不开人工的协助;再则动力电池流程到这个阶段的标准化、通用化程度更低。因而借助滚筒输送线、助力臂、机器人、AGV 小车等，配合人工以半自动化作业方式在目前情况下是相较简单而有效的生产方式。
四，动力电池生产线控制系统分析
由前文对动力电池组装产线生产工艺流程特点的分析，从控制系统角度看：PLC，机器人、扫码、物料传输、检测、测试、焊接、自适应、MES(制造执行管理系统)是整条产线中需要解决的关键技术，也是适用多规格小批量生产形态的重要技术支撑。正如前文说的：产线的控制架构设计，数据采集和处理方式从技术层面看是设计自动化产线控制系统的关键，围绕 MES(制造执行系统)设计才是设计控制系统的指导。
MES(制造执行系统)是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES 侧重于车间作业计划的完成，可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。它是所谓工业 3.0 数字化工厂背景的产物，经过近 2、30年的发展，其广度、深度已发生很大变化。它所包含的十几项目功能，在不同应用领域，不同的生产环境，侧重点会所不同。
一般商用 MES 系统虽然提供二次开发功能，但在实际应用，尤其是与设备层的连接上，因为实际的生产领域、环境、形态、工艺，甚至客户要求等各方面差异很大，应用起来并不是很顺手，的方式还是根据 MES 的原理根据实际的应用量身定做开发专用的 MES 系统。
对于动力电池自动生产线，MES 需要的功能及特征包括但不仅限于：
设备管理：设备和工艺操作模式，状态、参数及配置的管理，也包括产线及设备运行性能、产能的评估：uptime，downtime，yield，efficiency 等。
数据采集：在线、实时采集或处理各种原始数据，生成各种数据库并保存。这些数据配合条码、料号及仓储等，是进行物料追踪、品质管控、生产监控、生成各种报表的基础。
质量管理：通过在线测试或离线抽检，对产线、部件或工艺的稳定性、可靠性管控，如 SPC、SQC、CPK、R&R、K&K 等分析。
配方管理：配合计划排配、生产调度，新品导入。
生产监控：生产过程中的各种实时数据，设备运行状态，报警信息。报表生产：各种记录、生成、查询报表，由后端处理。
由此可见，控制系统的其实就是数据处理，控制系统的不同源自于数据深度和广度的差别，这也是工业自动化发展到数字化工厂，再到未来的智能化工厂的基础。从电控和 IT 的角度，上面这些功能可以分成前端数据和后端数据。实时性的，原始的数据由前端电控处理，包括数据的采集，设备及运行状态的监控等;而数据的转换、生成及储存由后端 IT 处理。前后端数据通过控制系统高度合作、统一，通过同一平台，同一格式各自运行、相互联系、互相影响。
五，动力电池生产线的控制模型
方法学认为构造系统：应该围绕对象而不是功能;而面向对象划分问题：应该以功能而不是以步骤。
基于前文对动力电池生产线的分析，在保证安全的基础上，为了实现少硬件配置，操作简单化(包括远程上电，初始化，设备基本处理等)，就近配线原则。可以采用整线操作，区域集中控制，现场分布式总线连接控制方式来设计整个控制系统。这也是基于模块化、标准化的设计原则，无论是机构还是电控，是电气还是控制，要以能实现功能站可单独调试、打包、转运、组装等一体化、模组化为设计目标。整线的控制网络参考实例见文后附页图示。
整线(Line)可分成几个区(Zone)，每一个区或由若干模组(Module)组成。
模组是指能完成产线生产中一个工作区段的模块(如：机器人配组、激光焊接等)，模组由若干工站(Station)组成。工站分两类：基础站(Base Station)和制程站(Process Station，也包括 Test 站)。制程站可以完成一道具体生产工序，它可能是一个独立设备。Test 站是特殊的 Process 站，一般是指独立系统处理的测试工站，如嵌入式 CCD 检测。基础站连接各工序站，可能是输送线或是中间站，也可能是虚拟的工站。进一步地，工站还可以分成段(Segment)，一个工段可以完成一个基本的工艺过程。
分层结构如下图。电气方面符合：线→区→模组(或站)的三层基本结构;控制方面符合：线→区→站(或模组)→段(可选层)的三(或四)层基本结构。从安全的角度看，可上电层：区或模组(站);可操作层：线或区或模组(站)。
越是底层优先级别越高，所以工站是电气和控制结构的基础，所有定义或结构围绕工站展开。同一层结构的不同模块间需实现独立封装设计，编写程序用数据须与实际物理输入/出地址独立。层之间、同层不同模块间、I/O 链接等由配置来完成。
基于以上原则，整线操作由整线配置站处理，配置站可采用大尺寸的工业平板电脑及总操作台。配置站除了完成整线的监控外，还是承担 MES 前后端数据的连接平台。总操作台完成整线的启动/停止，相关状态显示及复位等基本功能。下图就是线的人机操作界面实例(下同)，基本的按钮及指示与整线有关，运行于平板电脑的组态软件可对各区甚至各工站进行配置、操作、设置及显示，同时也是 MES 运行的平台。
根据工艺及产线走向，整线可分几个控制区域，每一个区域配一个 PLC 及 1 个或多个操作台(包括 HMI，保证安全的基础上以操作简单为原则)，每一个控制区域既可以单独启停也可以通过整线启停。下图是区的人机操作界面，基本按钮及显示与整区有关，专用的 HM 可以对本区各模组或工站负责，操作、设置、显示等都可在此进行。除非特殊需求，区内各模组或站不再配专用 HMI。
各站点通过网络或总线相互连接，现场传感器、执行器也可通过位总线连接。下图就是站操作盒，分 2 类。左边与安全相关，原则上必须配备;右边主要用于调试(选配)用，也即需要用时再连接上。
上面一些图中的按钮及灯指示的定义并没有严格的规定，可以根据实际应用而定义。但需符合 2 个基本原则：1，保证安全的基础上，操作要简单。2，线、区、站三级的定义要统一。现场只需配置常用的按钮及指示灯，无论是操作、状态显示、报警，还是参数设置，数据采集等等，主要在区 HMI 中处理。
对应 MES 中设备的管理，实际应用中可分操作和工艺两部分。
1，操作模式：指设备运行方式，包括命令和状态。
一个字的命令定义(上层到下层，比如：Line to Zone to Module/Station。注意定义的并非必须，要根据实际应用而取舍，如下表高字节只是工站级才可能有的，但顺序要统一、一致，而且低层包含上一层的定义。也就是说，越到低层定义越复杂，功能也越多。下同)：
一个字的状态定义(下层到其它同层模块和上层的应答或状态参考，一般地，下层优先。)：
2，机械模式：指工艺运行方式，也包括命令和状态。一般地，除了维修模外各模式具有排它性，在自动运行时有效。
一个字的命令定义
一个字的状态定义(下层模块也可以选择自己的机械模式，但上层优先)：
1)，正常：正常生产运行机械模式，以下机械模式以外。
2)，省略：模块不参与工艺运行，仅有物理上的存在。
3)，忽略：模块参与工艺运行，但不采集数据，只是经过。
4)，空运行：没有物料或工具投入模拟自动运行过程，用于调试。
5)，排空：清空物料或工具，忽略工艺数据。
6)，维修：指一般进行的手动维修处理，比如异常导致自动暂停可能需要人工干预处理。
下表是以三菱 Q 系列 PLC 为例，如何划分模块及定义接口。
不同区是通过 IP 地址来区分，不同区的工站模块结构定义完全相同。上表中应用到的 L5000-6999，M5000-7999，D5000-8999 范围内数据区保留作为控制网络、区间、上位机等之间交换状态和数据用，设置参数、采集数据、报警提示具体定义可根据实际应用进一步配置细化。
借助对象化设计原理，由上我们可以定义如下结构的标准控制模型(见下图)：标准控制模块是属性及操作的封装体，假如标准控制模型是类的话，那么线模块、区模块、站模块，甚至段模块对象就是标准控制模型的实例。属性值的取舍根据实际应用而定，但类结构，尤其是属性值的定义顺序要统一。
六，动力电池生产线的控制方案及选型进一步思考
前面探讨控制模型时，便于理解是以三菱 PLC 控制平台为参照;但这并不是重要的，参照模型原理选用其它控制系统平台当然同样也是可以。理想的模型数据是封装的，控制尤其是模块化编程时应该不依耐于实际的物理地址，这样也有利于电气与控制的分开作业。相对于西门子、罗克韦尔、欧姆龙等平台，三菱控制系统并不是很好的平台选择：软件寻址相较依耐于硬件，网络功能也比较落后，兼容性不好，三菱近些年推出 iQ 平台也是为了改变这种窘境。
当然应用那个控制平台并不仅取决于技术本身，还与成本、采购周期、工程师的个人能力，甚至客户的偏好等因素有关。但不管怎么样选择，笔者觉得无论是硬件还是软件，平台的统一是控制系统的发展方向。
如果以“一网到底，无缝连接”标准来衡量，罗克韦尔的 Logix 控制平台， NetLinx 开放网络是接近这种思想。从设备层网络 DeviceNet，到控制层网络 ControlNet 再到工业以太网 EtherNet/IP，这三种不同的网络的物理层和数据链路层虽说不一样，但它们的应用层都是使用同一个协议，即 CIP 通用工业协议。不同网络间的转换也比较简单，基本上标签数据可以寻址到底。尤其是其工业以太网 EtherNet/IP 支持商用的集线器。相反三菱，甚至西门子控制平台在不同网络间转换、连接时往往需要复杂的配置处理。当然西门子在产品覆盖、稳定性、市场成熟度、兼容性等方面还是有优势的。另外，欧姆龙 Sysmac 平台也是一个很好选择。
虽然自动化发展趋势在往几大系统控制平台方向聚集，但市场中的各种网络、总线标准还是很多。降低成本，提高效率是任何行业发展的趋势。笔者相信自动化行业控制平台将往商用 IT 平台靠拢是未来的必然趋势：PLC 编程语言将往结构化的文本和梯形图语言集中;人机界面将统一到平板电脑+组态软件平台;网络、总线将统一到工业以太网及相关总线。随着规模化应用，成本的降低，甚至按钮、传感器、电磁阀等都统一到工业以太网及总线平台上。但目前 IO-Link、AS-I、Modbus、DeviceNet、CC_Link、Profibus、Profinet、EtherNet/IP、EtherCAT、 TCP/IP 等各种总线或网络还是必须的选择。但不管怎样选择，一套控制系统网络形态不能太多;除非牵涉到实时性要求非常严格的伺服同步控制，即使是伺服控制也统一到同一个网络平台上。
