摘要：本文主要介紹三菱Q系工控產(chǎn)品在某型號(hào)擠壓式涂布機(jī)機(jī)頭的升級(jí)改造，并對(duì)原用于烘干箱風(fēng)機(jī)控制的變頻器組建CC-LINK總線網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：QCPU、伺服電機(jī)、擠壓式、涂布機(jī)、鋰電池、變頻器、CC-LINK

引言：鋰離子電池因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等。大容量鋰離子電池已在電動(dòng)汽車(chē)中試用，鋰離子電池隨之進(jìn)入了大規(guī)模的生產(chǎn)實(shí)用階段。然而涂布是鋰離子電池正極制作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，好的正極材料對(duì)電池容量等性能有直接影響。

所謂涂布就是指糊狀聚合物、熔融態(tài)聚合物或聚合物溶液涂布于薄膜上制得復(fù)合膜的方法，對(duì)于鋰離子電池而言，涂布基片（薄膜）是金屬箔，一般為銅箔或者鋁箔。采用的技術(shù)就有擠壓涂布技術(shù)，它是一種相對(duì)比較先進(jìn)的工藝，適用于粘度較高的流體涂布，而且形成的涂層的精度也相對(duì)比較高。整個(gè)過(guò)程就是從基片放入涂布機(jī)（稱(chēng)為放卷）到涂布后的基片從涂布機(jī)中出來(lái)（稱(chēng)為放卷）的若干連續(xù)工序。其整個(gè)流程為：放卷→接片→拉片→張力控制→自動(dòng)糾偏→涂布→干燥→張力控制→自動(dòng)糾偏→收卷，如下圖1所示：

圖1涂布機(jī)涂布流程

此論文應(yīng)用背景就是對(duì)客戶的某一量產(chǎn)型號(hào)的擠壓式涂布機(jī)進(jìn)行升級(jí)和改造。

下圖2為升級(jí)改造前涂布機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

主要分兩部分進(jìn)行說(shuō)明：

1）、機(jī)頭升級(jí)改造（性能升級(jí)與控制優(yōu)化）；

2）、變頻器網(wǎng)絡(luò)化（基于CC-LINK總線）改造；

圖2升級(jí)改造前涂布機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1、機(jī)頭升級(jí)改造

1.1、原先機(jī)頭配置

涂布機(jī)的最重要的性能指標(biāo)就是涂布精度，為了提高涂布精度，那么必須快速控制背輥與涂布輥間的間隙，實(shí)現(xiàn)快速跟蹤，達(dá)到最佳間隙控制，這樣才能減少涂布振動(dòng)，提高涂布精度。涂布厚度的調(diào)節(jié)方式有兩種可供選擇：1）、調(diào)整刮刀間隙的機(jī)械調(diào)節(jié)；2）、改變涂布輥與背輥速比的電氣調(diào)節(jié)。圖3為機(jī)頭背輥與刮刀實(shí)物圖。

圖3背輥與刮刀實(shí)物圖

原先涂布機(jī)的機(jī)頭主要配置是：使用2臺(tái)FX3UPLC，2個(gè)高速輸出適配器，共同構(gòu)成對(duì)8軸J3伺服的控制系統(tǒng)。部分配置清單如下圖4所示（注：圖中所示FX3U-32MT為機(jī)尾控制用的PLC）。

圖4升級(jí)改造前主要配置清單

存在的問(wèn)題：針對(duì)J3伺服電機(jī)由于采用高速輸出脈沖對(duì)其進(jìn)行控制，存在接線多、走線復(fù)雜，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)接線人員的水平有很高要求，其技能水平的高低決定不同批次的產(chǎn)品的品質(zhì)；對(duì)于電氣編程調(diào)試人員來(lái)說(shuō)，由于采用了兩臺(tái)獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，增加了程序編寫(xiě)的復(fù)雜性，對(duì)于后期的調(diào)試工作也帶來(lái)不利。同時(shí)PLC控制系統(tǒng)的離散性，對(duì)于信息的整合很不便利，之前的解決方案是用兩臺(tái)HMI分別對(duì)應(yīng)一臺(tái)PLC，一直存在的問(wèn)題是通信線纜長(zhǎng)度（RS232通信方式）與穩(wěn)定性。

1.2、升級(jí)改造后配置

Q系選型方法為：控制系統(tǒng)由原先的FX3UPLC升級(jí)到Q系PLC，根據(jù)與FX3U所實(shí)現(xiàn)的功能一一對(duì)比，然后對(duì)應(yīng)選擇Q系相關(guān)產(chǎn)品，最終確定配置型號(hào)。

QCPU選用通用型Q03UDECPU，提高運(yùn)算處理能力，減小循環(huán)掃描周期。J3系列伺服電機(jī)用同功率的J4系列伺服電機(jī)替代，定位模塊選用QD77MS16。由于采用光纖通信方式，摒棄了原先所用的脈沖控制方式，減輕了人員工作壓力，節(jié)省接線，降低線路故障，提高工作效率，進(jìn)一步提高伺服系統(tǒng)的抗干擾能力。同時(shí)，配置一個(gè)CC-LINK模塊將原先采用“外控”方式的變頻器連接到CC-LINK總線網(wǎng)絡(luò)，只要每個(gè)變頻器配置一個(gè)FR-A7NC配件，這樣就與QCPU系統(tǒng)整合到一起進(jìn)行集中監(jiān)控，既方便了現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行監(jiān)控，也進(jìn)一步提升了整機(jī)的自動(dòng)化程度，提高了產(chǎn)品價(jià)值。

圖5為升級(jí)改造后結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為整機(jī)設(shè)備的Q系配置清單。

圖5升級(jí)改造后涂布機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6選定Q系配置清單

1.3、機(jī)頭相關(guān)功能調(diào)試

此節(jié)根據(jù)對(duì)控制刮刀、涂布輥和背輥的伺服電機(jī)控制要求的不同來(lái)進(jìn)行功能編程與調(diào)試。

1.4、刮刀伺服的梯形圖編寫(xiě)與調(diào)試

根據(jù)工藝要求刮刀要實(shí)現(xiàn)的伺服動(dòng)作有：回零，寸動(dòng)，定位。

編程如下（注意各軸緩沖區(qū)的地址，不能與QD77MS4相混淆）：

圖7I/O地址分配

i.打開(kāi)編程軟件GXWORKS，新建工程，分配好各模塊地址，如上圖7所示：

ii.添加各智能模塊，完成后如圖7所示：

圖8添加智能模塊

iii.配置調(diào)刀伺服的參數(shù)：雙擊“0000:QD77MS16”，再次雙擊“SimpleMotionModuleSetting”，在打開(kāi)的“簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)置工具”進(jìn)行模塊相關(guān)參數(shù)與伺服參數(shù)的設(shè)定，設(shè)置完成后保存。如下圖9圖10所示：

圖9模塊參數(shù)設(shè)定

圖10伺服參數(shù)設(shè)定

iv.調(diào)刀伺服的相關(guān)定位數(shù)據(jù)通過(guò)梯形圖進(jìn)行設(shè)定，程度如下所示：

左調(diào)刀回零梯形圖程序如下所示：

圖11左調(diào)刀回零梯形圖程序

左調(diào)刀寸動(dòng)梯形圖程序如下：

圖12左調(diào)刀回零梯形圖程序

左調(diào)刀定位梯形圖程序如下：

圖13左調(diào)刀定位梯形圖程序

v.調(diào)試：將梯形圖與所有參數(shù)下載，準(zhǔn)備好后進(jìn)行調(diào)刀伺服的調(diào)試。

主要調(diào)試步驟為：

1)全部程序和參數(shù)下載后，斷電重啟，查看QCPU與QD77MS16ERR燈是否閃爍，如有錯(cuò)誤發(fā)生，通過(guò)GXWORKS2的在線監(jiān)控查看錯(cuò)誤，并按照提示解決問(wèn)題。

2)通過(guò)“簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)置工具”的定位測(cè)試功能，檢測(cè)伺服電機(jī)是否正常運(yùn)行，接線是否正確。

圖14伺服定位測(cè)試

3)經(jīng)過(guò)步驟1）、2）后，進(jìn)行梯形圖程序的測(cè)試：對(duì)左調(diào)刀伺服動(dòng)作的確認(rèn)，如若不符，一，確認(rèn)的相關(guān)數(shù)值是否賦值到相關(guān)的緩沖區(qū)；二，確認(rèn)參數(shù)Pr.3“每轉(zhuǎn)移動(dòng)量”與相關(guān)賦值是否對(duì)應(yīng)。

圖15參數(shù)Pr.3”每轉(zhuǎn)移動(dòng)量”

1.5、涂布輥伺服與背輥伺服的梯形圖編寫(xiě)與調(diào)試

涂布輥伺服與背輥伺服只要進(jìn)行速度控制，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)梯形圖程序是比較簡(jiǎn)單的。如下圖16所示。

涂布輥與背輥伺服調(diào)試過(guò)程與調(diào)刀伺服相同，不再重復(fù)描述。

圖16涂布輥與背輥的梯形圖程序

2.0、組建變頻器CC-LINK網(wǎng)絡(luò)

烘干箱溫區(qū)分十段，用于干燥涂布后的電極片，共計(jì)使用了8臺(tái)FR-F740-1.5K－CHT變頻器，在為每臺(tái)變頻器添置一個(gè)FR-A7NC配件后，就可連入CC-LINK總線網(wǎng)絡(luò)。與之前相比，具有的優(yōu)勢(shì)有：接線便利，設(shè)置簡(jiǎn)單，程序開(kāi)發(fā)量少，集中控制，便于人員進(jìn)行調(diào)試。下圖17為CC-LINK網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)（下圖包括了兩臺(tái)GT1675-VNBD連入CC-LINK網(wǎng)絡(luò)）。

圖17變頻器CC-LINK網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3.0總結(jié)

經(jīng)過(guò)半個(gè)多月的程序調(diào)試和整機(jī)運(yùn)行，廠家人員反饋的使用感受是：

1）PLC的處理速度快，響應(yīng)及時(shí)，對(duì)涂布根據(jù)精度更高；

2）J4系列伺服定位精度高，因此對(duì)于刮刀間隙、背輥與涂布輥間隙的調(diào)整精度更加精準(zhǔn)；

3）各輥伺服電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，供漿壓力的大小是影響涂布厚度的重要因素。所以供漿伺服的速度平穩(wěn)是涂布厚度的保證；

4）將原先獨(dú)立的兩臺(tái)PLC控制集成于一臺(tái)QCPU,同時(shí)利用QJ61BT11N模塊將之前的觸摸屏與變頻器連入CC-LINK總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理與監(jiān)控，減輕了工作量，提高了工作效率，減少故障，降低售后維護(hù)成本；

5）大大提高了衡量一臺(tái)涂布機(jī)價(jià)值的重要技術(shù)參數(shù)——涂布精度，本涂布機(jī)單面涂布精度為：≦±1μm（升級(jí)前為≦±3μm），圖18是升級(jí)改造前后技術(shù)參數(shù)的對(duì)比，圖19為某廠家的同型號(hào)擠壓式涂布機(jī)的技術(shù)參數(shù)（對(duì)比數(shù)據(jù)摘自廠家的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)與網(wǎng)頁(yè)截圖）。

              原技術(shù)參數(shù)                                                 現(xiàn)技術(shù)參數(shù)

圖18前后技術(shù)參數(shù)對(duì)比

圖19某廠家擠壓式涂布機(jī)技術(shù)參數(shù)

總之，對(duì)于涂布機(jī)機(jī)頭的升級(jí)改造達(dá)到了提高設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和生產(chǎn)效率、整合離散控制、增加自動(dòng)化程度、提升設(shè)備品質(zhì)，降低售后維護(hù)成本的目的。同時(shí)，對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，設(shè)備全部采用三菱工控產(chǎn)品，在品牌上得到提升，性能得到加強(qiáng)，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

（1）J4-B技術(shù)資料手冊(cè)

（2）QD77MS用戶手冊(cè)（位置控制）

（3）FR-F700變頻器使用手冊(cè)（應(yīng)用篇）

（4）FR-A7NC使用手冊(cè)