高速动力电池辊压机厚度闭环控制系统的研究

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山东工业技术
2019年05月21日 15:11

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刘振州

摘 要:近几年动力电池的飞速发展,电池制造厂商对辊压设备提出了更高的生产效率,更高的运行平稳性和产品的一致性。同时伴随自动化技术的快速发展,尤其PLC控制技术,通讯技术,伺服控制技术在辊压机上应用,使辊压设备很好的满足了电池厂商对设备厂商的要求,辊压机的控制得到了进一步的发展。

关键词:辊压机;厚度闭环;AGV控制;张力控制

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

1 设备生产线的组成

电池一致性的要求,电池极片厚度最大误差必须保持在+-2um以内,因此连续辊压厚度控制是辊压机控制的核心。在控制组成上,主辊机提供整条生产线的稳定线速度,放卷机和收卷机跟随主机的线速度,同时保持稳定的张力。

1.1 放卷机的速度和张力控制

放卷机由放卷料轴,放卷料轴的直径检测传感器,浮动辊装置,浮动辊角度检测传感器,浮动辊气缸,浮动辊气缸电气电磁阀,张力检测传感器,辅助过辊等组成。

在HMI上设定放卷张力值,通过数值转换输出到电气比例阀,电气比例阀控制浮动辊气缸的气压大小,气缸的力施加在极片上,张力传感器检测极片张力与HMI设定的张力值形成闭环,通过实时调整电气比例阀的气压大小保证张力的稳定性。在放卷过程中,放卷张力系统工作在恒张力模式。

1.2 收卷机的速度和张力控制

收卷机构成和放卷机相同,也是由张力闭环和速度闭环构成,不同的是收卷张力是锥度张力。如果收卷张力采用恒张力控制,随着卷径的增大,收卷的表面张力不变,此时收卷中心料卷受到挤压力越来越大,会形成卷芯变形或料轴中心材料起皱。因此收卷张力使用锥度张力控制模式,即收卷张力随着卷径的增大而减小,卷径通过传感器直接测量。

使用的收卷锥度张力公式如下。

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

T为实际的张力;T0为初始张力值;K为张力锥度系数,范围为0-100%;D0为初始卷径;D为实时卷径;T0×(1-K)和T0×K都是常量。设定合适的初始张力和锥度系数可以到达良好的收卷锥度曲线。

2 液压伺服系统与自动测厚控制系统的压力闭环工作原理

2.1 轧制力闭环系统

该系统由PID调节系统,伺服阀,伺服阀放大器,油缸,压力传感器等组成。工作原理为:HMI设定的压力值与油缸上的压力传感器形成闭环,PLC系统运算压力环数据,伺服阀执行PLC的计算结果。

在液压伺服系统中,伺服阀具有体积小,结构紧凑,功率放大系数高,控制精度高,直线性好,死区小,灵敏度高,抗干扰能力强,动态响应速度快等优点。但伺服阀结构比较复杂,造价高,对油的质量和清洁度要求高。

在高速辊压过程中,快速响应压力变化,控制辊压过程中的液压压力稳定,保证压力波动在目标压力值的+-0.05MPa(或+-1T)。驱动侧和操作侧主缸压力应用了军工产品液压伺服阀,高速响应调整压力变化。實时在线检测辊压后的压力变化,和高速响应的伺服阀形成压力闭环,保证生产过程中极片厚度的一致性。变量油泵的使用,保证流量和压力满足设备工作需求。同时在液压系统中应用了弯缸控制系统,起到了板形控制作用。

2.2 极片自动测厚仪厚度闭环工作原理

自动测厚仪测出极片厚度偏差,对偏差值进行数据分析,滤波,在极片纵向上形成左中右三组数据,数据传输到PLC控制系统,PLC根据设定好的数据模型(附数学模型),调整左侧压力,右侧压力。因为自动测厚仪安装在轧机出口处一定的距离,此时测量的厚度数据和轧机中心线的厚度有滞后性。滞后时间T,长度L,速度V。根据公式计算出延时时间:

△t=△L/△V

由时间差计算出,调整压力的滞后性。

辊缝差控制,即保证左右辊缝一致,防止极片由于左右厚度不一致导致的极片单边波浪边极片报废或极片跑偏或断带。

2.3 测厚仪与辊缝闭环

自动测厚仪检测极片厚度,与辊缝大小构成闭环,辊缝执行机构是伺服电机带动的斜铁,斜铁的前后移动引起辊缝的大小变化,辊缝调整精度在1um。但是辊缝厚度闭环的缺陷明显,主要反映为在辊压加压状态下,调整辊缝会在斜铁的丝杠上积攒弹性势能,当液压压力释放时,弹性势能释放引起斜铁位置的移动,在下次液压加压时,辊缝与上次有变化,厚度不稳定。

3 AGC控制系统的硬件组成如图所示

CPU选用三菱Q06UDE,网络通讯块选用QJ71BR11网络模块应用MC通讯协议与各机构建立通讯连接,模拟量输入输出选用Q68ADV和Q68DAV,Q61BT11N模块通过CC-LINK 协议链接外部IO模块,分布式控制,XXXX模块通过光纤协议与伺服电机控制器建立通讯链接。

4 调试过程注意事项

针对设备调试过程中易出现的问题和现场使用中的环境,需要细致处理好下面的问题。

1)正确分配PLC程序地址。2)设备接地信号要合理处理。3)模拟输入输出信号的抗干扰处理。4)外部动力线和信号线分线槽铺设。5)测厚系统与辊压系统的滞后性处理等。

5 结语

本套电池极片辊压机厚度闭环系统,2015年投入运行,已经辊压出各种规格型号的动力电池极片,各项指标均达到工艺要求,平稳运行速度为120米/分钟,到达年产值1兆瓦时。友好的人机操作界面和网络化,数字化的控制系统,便于维护,大大提高了系统稳定性,提高了电池厂生产效率。

参考文献:

[1]王占林.近代液压控制[M].机械工业出版社,1997.

[2]沙道航,杨华勇.电液系统神经网络自适应控制的研究[J].系统工程理论与实践,1999,19(07):17-25.

[3]王勇勤,赵宗琴,严兴春等.AGC系统负载变化补偿的自适应控制[J].机械设计与制造,2011(04):120-122.

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