摘要：隨著 TSN 技術(shù)的火熱，目前常用的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)都已經(jīng)計(jì)劃或?qū)崿F(xiàn)把 TSN 技術(shù)應(yīng)用 到自身底層協(xié)議中去。其中，CLPA 作為最早基于 TSN 技術(shù)推出 CC-Link IE TSN 工業(yè)總線 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)會(huì)，已經(jīng)把該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中去了。本文主要以鋰電行業(yè)后段設(shè)備的疊片 機(jī)為例，介紹其工藝流程及技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)目前需求分析了 CC-Link IE TSN 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)以 及技術(shù)難點(diǎn)。
Abstract: With the popularity of TSN technology, the current common industrial bus networks have planned or implemented the application of TSN technology to their own underlying protocols. Among them, CLPA, as the earliest association that launched the CC-Link IE TSN industrial bus network based on TSN technology, has applied this technology to actual production. This article mainly takes the stacker of the back-end equipment of the lithium battery industry as an example to introduce its process flow and technical difficulties, and analyzes the advantages and technical difficulties of the CC-Link IE TSN network for current needs.
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)用于新能源汽車地動(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，大致工序如下圖所示：
圖 1 鋰電行業(yè)工藝圖
本次我就以其中疊片機(jī)為例，來(lái)詳細(xì)為大家介紹一下。在過(guò)去，鋰電行業(yè)基本都是使 用卷繞機(jī)設(shè)備來(lái)對(duì)應(yīng)該陽(yáng)、陰極片地堆疊，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(lái) 進(jìn)行陽(yáng)、陰極片地疊加再進(jìn)行焊接，只有在圓柱形電池方面還是使用卷繞設(shè)備。
圖 2 疊片機(jī)設(shè)備
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(guò) 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 3 Z 字形疊片方式
圖 4 疊片機(jī)結(jié)構(gòu)圖
我們來(lái)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(guò)程中開始進(jìn)行一級(jí) 糾偏；然后通過(guò)張力擺桿來(lái)對(duì)整個(gè)隔離膜進(jìn)行張力大小地調(diào)整，而張力數(shù)據(jù)由下方的張力 傳感器來(lái)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(guò)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(lái)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(guò) CCD 視覺來(lái)檢測(cè)極片位置，在完成規(guī)定極片的疊片后，通過(guò)氣動(dòng)卡 爪來(lái)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。
圖 5 直線電機(jī)平臺(tái)
在整個(gè)設(shè)備中，最重要地是對(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(guò)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(lái)進(jìn) 行控制，在設(shè)備調(diào)試階段，由于 CC-Link IE TSN 穩(wěn)定高速地傳輸速度，使整個(gè)設(shè)備在運(yùn)行 過(guò)程中非常穩(wěn)定。
圖 6 一級(jí)糾偏
圖 7 二級(jí)糾偏
如果說(shuō)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(guò)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(lái)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 0.1 上下。
圖 9 二級(jí)糾偏機(jī)械
圖 8 一級(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 sensitive networks，中文來(lái)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(shuō)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(guò)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(guò)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)樵诎踩浴⒏呔鹊确矫娌粷M足需求，因此經(jīng)過(guò)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。
圖 8 TSN 技術(shù)
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。
圖 9 CC-Link IE TSN 結(jié)構(gòu)圖
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(guò)程中大家可以根據(jù)自身設(shè)備 的要求來(lái)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(shuō) 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 同網(wǎng)段不同數(shù)據(jù)刷新周期
4. 控制系統(tǒng)
圖 11 電控系統(tǒng)
如圖 9 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(guò) CC- Link IE TSN 網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)高速通訊，使用PLC 模塊可以完成控制。
圖 12 PLC 配置圖
與此同時(shí)，通過(guò) TCP/IP 協(xié)議使用通用型 HUB 連接 1 臺(tái)三菱 GT2512 的 HMI 和 1 臺(tái)研華 advantech 的 SRK-CTR-00 工控機(jī)，其中 HMI 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(lái)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(guò)普 通以太網(wǎng) HUB 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 13 GOT 控制面板
圖 11 是 HMI 的控制面板，通過(guò) 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)交換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(lái)也非常方便，無(wú)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 14 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 12 所 示，相較于過(guò)去，如今已經(jīng)可以直接通過(guò) GX Works 3 對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行編程與設(shè)置，擺脫 了過(guò)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(lái)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(yǔ)
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 RD78G 系列的運(yùn)動(dòng)控制模塊單個(gè)已經(jīng)可以做到最多256 軸/設(shè)備， 可以一共使用三塊達(dá)到 700 多，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(guò)去，本次該網(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(lái)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(lái)設(shè)備的發(fā)展。