维控锂电池卷绕机应用方案(V1.0)

1、项目介绍

1.1 市场份额分析

2016年,受特斯拉的带动,国内动力电池厂逐渐采用圆柱形状生产动力电池,电池企业加速产能扩张。该市场规模增速大于出货增速,全自动卷绕机的占比会越来越高。全自动卷绕机的价格远高于半自动,早期由于技术发展较晚,国内老的卷绕机设备以半自动为主,近年来随着电池厂商扩产,及对加工工艺要求提升,全自动市场份额逐年上升,2016年全自动卷绕机出货量占比达60%以上。

1.2 发展趋势分析

当前动力锂电池的电芯制造主要分为卷绕和叠片两种工艺,其中圆柱和方形电池主要采用卷绕工艺生产,而软包电池则主要采用叠片工艺。由于卷绕工艺可以通过转速实现电芯的高速生产,而叠片技术所能提高的速度有限,因此目前国内动力锂电池主要以卷绕工艺为主,因此卷绕机的出货量大于叠片机。

锂电生产环节复杂,包括环节众多,将会用到大量运动控制产品。随着动力电池市场的持续扩大,锂电卷绕机市场需求爆发。未来一段时间,在锂电设备领域,运动控制市场也将迎来巨大的发展空间。

1.3 自身分析

1.优势:

1) 相比之前的人工作业,效率大大提升,培训客户学习,设备操作简单,极易上手;

2) 维护方便,问题简单易查

3) 价格实惠;

4) 单步简易操作开放,简单明了。

2. 劣势:

1) 企业数量多,品牌影响力不够;

2) 核心技术研发投入大、周期长

3. 机会:

3) 当前,伴随国产电芯企业的崛起,国内设备替代进口进程也在加快。国内企业立足于部分高端产品,带动整体设备技术水平不断提高,逐步赶超国外。国内企业产品性能在不断提升的同时,价格和服务优势相比国外也逐渐明显,国外品牌的卷绕机价格高于国产高端品牌20%-30%。综合成本和技术两方面,国产锂电设备的竞争优势在不断扩大。

4) 国内锂电卷绕机市场集中度也在进一步加强,排名前五的企业先导智能、赢合科技、诚捷智能、吉阳智能、华冠科技的市场份额超过90%,其中先导智能市场占有率超过60%,市场寡头特征日益明显。

5) 据业内机构预计,未来5年锂电设备行业增速将保持在30%左右。2020年仅国内市场需求就将达到340亿元,国产设备产值有望突破270亿元。而当前,宁德时代、比亚迪、松下、LG化学、三星SDI等锂电龙头企业掀起了产能扩张狂潮,必将带动全球范围内的设备需求,卷绕机市场的商机十分巨大。

4.威胁:

创新能力不够,在市场竞争中处于劣势,利润低,抵御市场风险能力弱。

2、产品方案

2.1 维控方案

锂电池卷绕机是为生产方形锂离子电池的电芯而设计制造的半自动动力电池卷绕设备,贴胶方式为纵向贴胶式。 操作者将焊有极耳的正、负极片分别整齐放入料盒中,人工辅助送入正、负极片;隔膜料卷安装在料轴上,自动送料;自动卷绕;自动贴终止胶带;自动下料。 该控制系统主要采用:LX5V-3624MT、1LX3V-16EY、1LX3V-16EX、LEVI2070D

1. 维控PI系列7寸通用人机界面LEVI2070D

◇主板规格:CPU 32-bits 300MHz RISC,128M FLASH,128M DDRAM
    ◇显示:7英寸 分辨率:800×480 26万色
    ◇接口:一个物理串口,支持两个设备通讯。      COM1:RS485/RS422  COM2:RS232

◇USB接口:USB Host+USB Client

◇存储:支持USB数据存储

2.LX5V-3624MT

◇主机:AC85-265V(D为DC24V±10%),24点24V输入,16点晶体管输出(NPN);

◇IO端子:输入24点,输出16点;

◇高速IO :8路高速输出,每路200KHZ;

           8路单相输入,每路150KHZ;

           8路AB相编码器输入,每路100KHZ;

◇通讯口:支持RS422、RS485通讯。支持扩展2个BD板。

3.LX3V-16EY PLC扩展模块

◇16路输出扩展模块,支持RS485总线 modbus协议通讯,支持拔码开关在线修改站号和波特率。

◇模块采用RS485通讯板固件,可与HMI、设备直接相连。
    ◇利用HMI的脚本撰写程序,通过RS485接口,HMI可直接控制模块、读取模块数据,实现模拟量输入、输出与数据采集等基本功能。
    ◇该扩展模块可以布置在远离主机的地方,方便进行分布式IO应用,实现低成本的简单控制。

4.LX3V-16EX PLC扩展模块

◇16路输入扩展模块,支持RS485总线 modbus协议通讯,支持拔码开关在线修改站号和波特率。

◇模块采用RS485通讯板固件,可与HMI、设备直接相连。
    ◇利用HMI的脚本撰写程序,通过RS485接口,HMI可直接控制模块、读取模块数据,实现模拟量输入、输出与数据采集等基本功能。
    ◇该扩展模块可以布置在远离主机的地方,方便进行分布式IO应用,实现低成本的简单控制。

3、系统框架

3.1 工艺流程说明

 锂电池卷绕机是为生产方形锂离子电池的电芯而设计制造的半自动动力电池卷绕设备,贴胶方式为纵向贴胶式。操作者将焊有极耳的正、负极片分别整齐放入料盒中,人工辅助送入正、负极片;隔膜料卷安装在料轴上,自动送料;自动卷绕;自动贴终止胶带;自动下料。以下是工艺要求:

1、对收放卷的控制尤为重要,根据隔膜的松紧给予收放卷电机相应的速度及其对应的方向。

2、对于贴胶备料,动作的连贯性,能优化实时的生产速率。

3、对于卷针以及料盘翻转的速度要求高。

3.2方案设计

1. 梯形图程序设计图

PLC部分程序:

1、使用线性化曲线指令,根据设定的参数以及外部编码器实时反馈回来的位置数据运算当前放卷步进需要输出的速度以及方向。

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2、回零时用到中断信号停止,确保原点信号的及时性,以及原点位置的准确。

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2. HMI界面设计图

1、主页面:以走马灯的形式实时显示机器当前工作状况;生产的效率以及当前卷针的位置以数据化的形式显现出来,让人清楚明了;不同模式的开关,整齐而有序的摆放在一起,让操作员更容易上手。

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2、卷绕参数设置,使用多配方文件列表的方式,使操作员在想使用不同的数据时简单快捷。

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4、方案优势与总结

4.1 设备的优点

1. 隔膜放卷采用闭环控制的恒张力控制系统:经检测放卷浮辊角度位置信号,送入PLC运算,再由PLC控制步进电机放卷速度快慢,实现放卷速度实时跟随调整,浮辊位置——PLC——步进电机——浮辊位置,三者组成一个闭环控制系统,通过实时调整放卷速度实现隔膜张力的相对恒定。

2. 在设备运转过程中,有任何异常均能自动预警、自动停机,触摸屏显示完整的机台当前工作状况。

3. 在我们高性能、高性价比的5V出来后,能达到空走2.5一个。

4.2 设备需要改进的方面

1.工程调试难度大,与客户工程师在现场不断的测试,才把整体的动作流程了解清楚,而且由于我们PLC发脉冲的指令以及曲线上的问题,需要研发的配合才能完成。

2.工程总共11000步左右,难点在于收放卷的调试还有卷针卷绕丢步的问题。

4.3 总结

出于提高锂离子电池一致性、提升产品合格率、降低劳动力成本的需要,自动化成为锂离子电池制造行业重要发展方向。在“智能制造”、“工业4.0”的大背景下,锂离子电池传统的手工制造工艺难以满足锂离子电池市场日益严苛的需求,取而代之的将是全智能自动化生产线。


工程视频和机器图片