CN102945021A - 一种锂电池生产设备控制系统 - Google Patents

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王立松
冯庆枝
黄江乐
阳如坤
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Abstract

本发明公开了一种锂电池生产设备控制系统，用于控制锂电池生产设备中电机的运动及获得各种控制信息，包括可编程逻辑控制器，还包括与所述可编程逻辑控制器连接的集散控制器，所述集散控制器接受所述可编程逻辑控制器的控制命令，控制相应的电机运动，并将电机运动的控制信息返回给所述可编程逻辑控制器。在本发明的具体实施方式中，可以将过程逻辑控制交由PLC完成，而电机运动控制由集散控制器完成，PLC无需进行接口的扩展，有效降低了成本。

Description

一种锂电池生产设备控制系统
技术领域
本发明涉及一种锂电池生产设备，尤其涉及一种锂电池生产设备控制系统。
背景技术
目前工业生产的规模越来越大，生产过程的控制越来越复杂，单纯由PLC(Programmable Logic Controller：可编程逻辑控制器)构建的控制系统虽然抗干扰能力强、运行稳定、能在一定程度上满足需求，但是随着规模的扩大，器构建的难度和成本成几何倍数增长，这对追求效率和效益的工业生产来说是个相当大的瓶颈。对于锂电池的生产过程，其问题尤其突出：需要多个电机、多个开关控制、多个电机联动。用PLC来构建锂电池生产设备控制系统的难度变得非常大，要想达到预定的控制效果的成本也是惊人的，原因在于：
(1)PLC在于过程逻辑控制，而对电机的控制策略简单，控制电机越多，PLC的控制程序复杂度便会以几何倍数增加，并且控制的精度不高；
(2)单个PLC的IO控制点有限，而通常一个电机的IO(Input Output：输入输出)接线多达6-8根，控制电机越多，采用更多的PLC主模块和扩展模块才能满足控制要求，耗费的成本高；
(3)PLC在复杂系统中控制周期长，难以实施高精度的实时控制。
可见，现有技术亟待改进和提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能有效降低成本的用于锂电池生产设备的控制系统。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：
一种锂电池生产设备控制系统，用于控制锂电池生产设备中电机的运动及获得各种控制信息，包括可编程逻辑控制器，还包括与所述可编程逻辑控制器连接的集散控制器，所述集散控制器接受所述可编程逻辑控制器的控制命令，控制相应的电机运动，并将电机运动的控制信息返回给所述可编程逻辑控制器。
所述集散控制器包括单片机，所述集散控制器通过所述单片机与所述可编程逻辑控制器相连接。
所述单片机包括与所述可编程逻辑控制器通信连接的通信模块和与电机通信连接的电机控制模块；所述通信模块包括用于与所述可编程逻辑控制器通信的RS232接口和/或RS422接口、控制命令接口；所述控制命令接口与所述可编程逻辑控制器的IO接口连接，用于接受所述可编程逻辑控制器的IO控制命令，向所述可编程逻辑控制器返回动作应答信号；所述电机控制模块包括控制信号输出接口，用于输出电机的驱动信号。
所述电机控制模块还包括定长电机控制单元、PID放料电机控制单元和纠偏电机控制单元，所述定长电机控制单元用于根据定长参数发出定长电机控制信号，所述PID放料电机控制单元用于根据PID参数输出电机控制信号，所述纠偏电机控制单元用于根据纠偏参数输出纠偏电机控制信号。
所述控制信号输出接口包括伺服电机控制信号接口和直流电机控制信号接口，所述伺服电机控制信号接口用于输出控制伺服电机的差分脉冲信号，所述直流电机控制信号接口用于输出直流电机的控制信号。
所述单片机还包括复杂可编程逻辑器件，所述控制信号输出接口设置在所述复杂可编程逻辑器件上，所述直流电机控制信号接口为DA接口。
所述单片机还包括AD接口，用于连接模拟量输入的传感器。
所述集散控制器至少有两个，所述集散控制器之间通过控制器局域网络总线通信连接。
上述控制系统还包括通信中转站，所述通信中转站分别与所述可编程逻辑控制器及所述控制器局域网络总线连接，用于通信协议的转换。
所述通信中转站还用于将基于Hostlink协议的命令转换为基于控制器局域网络总线协议的命令，并以广播形式放送到控制器局域网络总线上。
由于采用了以上技术方案，使本发明具备的有益效果在于：
(1)在本发明的具体实施方式中，可以将过程逻辑控制交由PLC完成，而电机运动控制由集散控制器完成，PLC无需进行接口的扩展，有效降低了成本。
(2)在本发明的具体实施方式中，可利用单片机拥有的大量IO接口进行控制，进一步节约了成本。
(3)在本发明的具体实施方式中，单片机单独进行电机控制，控制时间周期短，提高了实时性。
(4)在本发明的具体实施方式中，可控制伺服电机和直线电机，增加了灵活性和适应性。
(5)在本发明的具体实施方式中，单片机中还包括AD接口以输入模拟量，PLC不再需要扩展单独的模拟量接口模块，进一步节约了成本。
(6)在本发明的具体实施方式中，多个集散控制器之间采用CAN总线进行通信，通信速度快，又由于CAN总线可挂载上百个模块，系统的可扩展性增强。
附图说明
图1示出根据本发明锂电池生产设备的控制系统的一个实施例的结构示意图；
图2示出根据本发明锂电池生产设备的控制系统的另一个实施例的结构示意图；
图3示出图2实施例的单片机控制模块的结构示意图；
图4示出图2实施例的控制软件结构示意图；
图5示出根据本发明实施例的与PLC通信模块的控制流程；
图6示出根据本发明实施例定长电机控制模块的控制流程；
图7示出根据本发明实施例的PID放料电机控制的控制流程；
图8示出根据本发明实施例的纠偏电机模块的控制流程。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1示出根据本发明锂电池生产设备的控制系统的一个实施例的结构示意图，用于控制锂电池生产设备中电机的运动及获得各种控制信息，包括PLC，与PLC连接的集散控制器，该集散控制器接受PLC的控制命令，控制相应的电机运动，并将电机运动的控制信息返回给PLC。
一种实施方式，该集散控制器包括单片机，集散控制器通过该单片机与PLC相连接。单片机包括与PLC通信连接的通信模块和与电机通信连接的电机控制模块。通信模块包括用于与PLC通信的RS232接口和/或RS422接口、控制命令接口。控制命令接口与PLC的IO接口连接，用于接受PLC的IO控制命令，向PLC返回动作应答信号。电机控制模块包括控制信号输出接口，用于输出电机的驱动信号。控制信号输出接口包括伺服电机控制信号接口和直流电机控制信号接口，伺服电机控制信号接口用于输出控制伺服电机的差分脉冲信号，直流电机控制信号接口用于输出直流电机的控制信号。单片机还包括CPLD(Complex Programmable Logic Device：复杂可编程逻辑器件)，控制信号输出接口设置在CPLD上，直流电机控制信号接口为DA(Digital to Analog：数字到模拟)接口。
一种实施方式，电机控制模块还包括定长电机控制单元、PID(ProportionIntegration Differentiation：比例积分微分)放料电机控制单元和纠偏电机控制单元，定长电机控制单元用于根据定长参数发出定长电机控制信号，PID放料电机控制单元用于根据PID参数输出电机控制信号，纠偏电机控制单元用于根据纠偏参数输出纠偏电机控制信号。
一种实施方式，单片机还包括AD(Analog to Digital：模拟到数字)接口，用于连接模拟量输入的传感器，如压力传感器。
一种实施方式，集散控制器有多个，多个集散控制器之间通过CAN(Controller Area Network：控制器局域网络)总线通信连接。
一种实施方式，还可包括通信中转站，通信中转站分别与PLC及CAN总线连接，用于通信协议的转换，具体而言，是将基于Hostlink协议的命令转换为基于CAN总线协议的命令，并以广播形式放送到CAN总线上。
图2示出根据本发明锂电池生产设备的控制系统的另一个实施例的结构示意图。针对当前控制系统的优势和缺陷，本实施例根据集中管理和分散控制的设计思路，提出用集散控制系统取代单纯的PLC控制系统，其中关键部分是全新设计的单片机控制模块部分。包括触摸屏、PLC、三个单片机控制模块和单片机通信中转站。
其中，人机交互部分采用通用触摸屏，操作容易，便于普通工人快速熟练掌握机器的操作，触摸屏通过串口和PLC实现通信，将操作人员的命令存储在PLC中供单片机通信中转模块查询。PLC与单片机控制模块用RS232或者RS422相联，使用hostlink协议，PLC作为整个流程的控制核心，根据每个单片机控制模块返回的状态信息发相应的命令。PLC与外部则通过IO相联，可控制诸如利用汽缸、液压等做动力的开关动作，也可以接收各种传感器传回的信号。单片机通信中转模块承担通信协议转换的功能，将基于hostlink协议的命令转换为基于CAN总线协议的命令，以广播形式发送出去，CAN总线传输速度快，而且能挂载上百个模块，为复杂的生产控制过程提供更可靠的控制模块。
图3示出图2实施例的单片机控制模块的结构示意图。本实施例中，单片机控制模块则采用单片机加CPLD的架构，其设计了多种对外接口，包括RS232接口、CAN总线接口、驱动电机的脉冲信号接口、电压信号输出即DA输出接口、各种关键的IO信号接口(比如回原点、启动、急刹等信号)和各种模拟量信号(AD信号)的接收接口(比如张力、温度等模拟量的输入)。具体设计为：一个串口(用作与PLC通信)；一个CAN总线接口(用作子模块之间的通信)；48个输入IO，用于接收PLC的IO命令和一些IO限位传感器的输入；32个输出IO，用于返回PLC的动作应答信号和一些IO控制；4路差分脉冲输出，用于四路伺服电机控制；4路AD输入，用于检测张力和纠偏传感器；2路DA用于直流电机的输出控制。本实施例中，单片机控制模块的主要芯片选型为：单片机选择ATMEL公司的AT90CAN64，该芯片有64K片内ram，4Mflash，带2个串口，一个CAN总线接口，有JTAG和ISP两种下载方式，主频为8M；CPLD选择ALTERA的EPM1270T144C5，含有1270个宏单元，足够系统CPLD程序使用；DA芯片选择MAX5533，其为一个12位的DA，含有两路，在使用前，需要对其进行配置；AD芯片选择ADS8361，是一款16位的AD芯片，含有4路，可以满足系统需求。
图4示出图2实施例的控制软件结构示意图。本实施例中，控制软件包括PLC程序、单片机程序和CPLD程序，它们都是基于各自的开发环境。其中PLC程序是基于梯形图程序语言，单片机基于AVRSTUDIO开发环境，CPLD基于QuartusII开发环境。由于整个系统采用统一总线分散功能控制的模式，因此各个单片机模块的程序单独编写，主要包括：与PLC通信模块、定长电机控制模块、PID放料电机模块、纠偏电机模块。
图5示出根据本发明实施例的与PLC通信模块的控制流程，包括：
步骤502：与PLC通信函数；
步骤504：读取出通信的区域；
步骤506：读取出通信的地址；
步骤508：读取出通信的PLC编号；
步骤510：创建发送数组；
步骤512：将以上的通信信息写入数组中；
步骤514：计算效验码；
步骤516：填充hostlink协议；
步骤518：调用串口发送函数。
图6示出根据本发明实施例定长电机控制模块的控制流程，包括：
步骤602：走定长控制函数；
步骤604：读取出定长参数；
步骤606：判断参数是否合理；
步骤608：转换输出频率；
步骤610：写入CPLD；
步骤612：发出脉冲。
图7示出根据本发明实施例的PID放料电机控制的控制流程，包括：
步骤702：纠偏电机函数；
步骤704：读取纠偏传感器的值；
步骤706：判断该值与死区的大小，若小于死区，转步骤704，否则转步骤708；
步骤708：计算出输出值；
步骤710：转化为相应的频率；
步骤712：写入到CPLD；
步骤714：输出到电机。
图8示出根据本发明实施例的纠偏电机模块的控制流程，包括：
步骤802：收放卷函数；
步骤804：检测张力传感器的值；
步骤806：读取PID参数；
步骤808：计算出输出值；
步骤810：转化为相应的频率；
步骤812：写入到CPLD；
步骤814：输出到电机。
与现有技术相比，本发明的实施例采用以上集散控制系统后，在以下几个方面获得了改善：
(1)和PLC优势互补，简化系统的构建过程，控制程序设计变得简单。把过程逻辑设计交给PLC，电机运动控制、联合控制则由各个分散的单片机功能模块实现，而且每个单片机模块通过CAN总线相连，只需要一根标准CAN总线连接线就可以完成模块之间的通信，这位控制系统的布局提供最优的可能性。所以以上集散系统中PLC和单片机控制模块相得益彰，PLC在设计过程逻辑的时候，不用再考虑电机的具体控制，程序的复杂程度可以达到最简化，提高了程序可靠性和稳定性，符合软件开发的最简化原则，而用专用控制器来实现各个电机的运动控制、联动控制，则是发挥单片机控制模块能实现复杂算法和控制策略的优点。在整个集散系统中二者的结合达到了最优化的配合。
(2)增强了可扩展性和丰富了IO资源，降低了成本和提高可维护性。由于CAN总线本身的优点，理论上可以在一路总线上挂载上百个模块，可以根据不同锂电池制造设备的需求挂载相应的模块，非常方便灵活。对于一些制造流程复杂，控制对象繁多的设备，需要200-300个IO口，对于PLC来说，一个模块最多只有40个输入输出IO口，这就需要大量的PLC扩展模块，极大的提高了整个设备的成本，但是单片机控制模块达到了80个输出输入IO口，节约了大量成本。另外在模拟量处理方面PLC需要单独的模块，但是单片机控制模块在设计时，针对设备的需要把模拟量处理模块集成到了控制器里，虽然单片机控制模块增加了这么多功能，但是针对单个控制模块，单片机控制模块的成本仍然比较低，因此对于需要使用大量控制模块的锂电池制造设备来说，往往在控制系统方面能降低50％以上的成本。基于集散系统的特性，在设备维护时，只需更换相应的模块的即可，简单方便。
(3)提高系统的实时控制效果和控制精度。PLC的控制周期较长，而集散控制系统每个单片机控制模块在接受到控制命令和参数后，进行单独运行控制，控制周期能达到1ms。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂电池生产设备控制系统，用于控制锂电池生产设备中电机的运动及获得各种控制信息，包括可编程逻辑控制器，其特征在于，还包括与所述可编程逻辑控制器连接的集散控制器，所述集散控制器接受所述可编程逻辑控制器的控制命令，控制相应的电机运动，并将电机运动的控制信息返回给所述可编程逻辑控制器。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述集散控制器包括单片机，所述集散控制器通过所述单片机与所述可编程逻辑控制器相连接。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述单片机包括与所述可编程逻辑控制器通信连接的通信模块和与电机通信连接的电机控制模块；所述通信模块包括用于与所述可编程逻辑控制器通信的RS232接口和/或RS422接口、控制命令接口；所述控制命令接口与所述可编程逻辑控制器的IO接口连接，用于接受所述可编程逻辑控制器的IO控制命令，向所述可编程逻辑控制器返回动作应答信号；所述电机控制模块包括控制信号输出接口，用于输出电机的驱动信号。
4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述电机控制模块还包括定长电机控制单元、PID放料电机控制单元和纠偏电机控制单元，所述定长电机控制单元用于根据定长参数发出定长电机控制信号，所述PID放料电机控制单元用于根据PID参数输出电机控制信号，所述纠偏电机控制单元用于根据纠偏参数输出纠偏电机控制信号。
5.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述控制信号输出接口包括伺服电机控制信号接口和直流电机控制信号接口，所述伺服电机控制信号接口用于输出控制伺服电机的差分脉冲信号，所述直流电机控制信号接口用于输出直流电机的控制信号。
6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述单片机还包括复杂可编程逻辑器件，所述控制信号输出接口设置在所述复杂可编程逻辑器件上，所述直流电机控制信号接口为DA接口。
7.如权利要求2至6所述的控制系统，其特征在于，所述单片机还包括AD接口，用于连接模拟量输入的传感器。
8.如权利要求1至6所述的控制系统，其特征在于，所述集散控制器至少有两个，所述集散控制器之间通过控制器局域网络总线通信连接。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，还包括通信中转站，所述通信中转站分别与所述可编程逻辑控制器及所述控制器局域网络总线连接，用于通信协议的转换。
10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述通信中转站还用于将基于Hostlink协议的命令转换为基于控制器局域网络总线协议的命令，并以广播形式放送到控制器局域网络总线上。
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