1 引言　

　　2018年中國儲能類鋰離子電池產量同比增加48.57%，達5. 2GWh， 預計2019年中國儲能類鋰離子電池產量達 6.8GWh。鋰電池在傳統行業中主要是應用于數碼產品，而在國內快速擴張地新能源汽車市場的引導下，目前在新興領域主要是應用于新能源汽車動力電池、儲能等領域。

       本文以鋰電行業后段設備的疊片機為例， 詳細介紹CC-Link IE TSN網絡在該設備中重要作用以及對設備關鍵點進行分析。

　　2 工藝流程

　　鋰電行業主要設備包括有涂布機、分切機、卷繞機/疊片機等，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，大致工序如圖1所示。

　　本文以其中疊片機為例，來詳細為大家介紹一下。在過去，鋰電行業基本都是使用卷繞機設備來對應該陽、陰極片堆疊，但是由于發熱膨脹以及方型電池的市場需求等原因，特別是新能源汽車這方面，方形電池更受歡迎。因此目前國內更多是使用疊片機來進行陽、陰極片的疊加再進行焊接，只有在圓柱形電池方面還是使用卷繞設備。

　　圖 1 鋰電行業工藝圖

　　如圖2所示，這就是一臺使用CC-Link IE TSN網絡進行搭建的疊片機，該設備通過Z字形疊片方式(圖3)， 實現將陽極片、陰極片以及隔離膜堆疊成電芯。

圖 2 疊片機設備

圖 3 Z 字形疊片方式

　　我們來看下整個工藝步驟，首先對隔離膜進行放卷作業，在放卷過程中開始進行一級糾偏;然后通過張力擺桿來對整個隔離膜進行張力大小調整，而張力數據由下方的張力傳感器來提供;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作業時，由于快速移動導致隔離膜繃斷，同時也可以防止由于放料卷放料過程中半徑減小引起的誤差，因此使用了儲料輥;張力控制結束之后是使用離子風鋁棒來進行隔膜的除塵、除靜電作業以及進行隔膜二級糾偏;最后底部直線電機的左右高速平移，同時左右放置陰、陽極片，通過CCD視覺來檢測極片位置，在完成規定極片的疊片后，通過氣動卡爪來抓住產品，并由氣刀切割隔離膜，最終完成最后成品。當然，這只是該道工序的成品，后續還需要進行焊接極耳等操作。

　　在整個設備中，最重要的是對高速運行的直線電機平臺進行高精度地控制，整個直線電機運動距離是320mm，時間為0.3s，在平臺左右高速移動時，對于速度的控制十分困難，需要不斷地調整增益、剛性等數據， 同時也要與儲料輥、張力控制器聯動，優化整體的凸輪控制曲線，防止過沖。

　　因此本臺設備使用了全球第一個基于TSN技術開發的CC-Link IE TSN工業開放式總線網絡作為運動控制設備總線網絡，連接三菱電機最新推出的MELSERVO-J5伺服控制器來進行控制，在設備調試階段，由于CC- Link IE TSN穩定高速的傳輸速度，使整個設備在運行過程中非常穩定。

　　如果說高速的運動控制是提升整體生產節拍，那隔離膜的糾偏就是提升整個產品的精度，本段工藝主要使用了兩次糾偏，一級糾偏是放置在放料卷位置，伺服掛接32：1的減速器通過絲桿去控制放卷設備;而二級糾偏主要是伺服直接控制絲桿來實現糾偏作業，因為二級糾偏是疊片前的最后一道工序，如果使用減速器會影響整體精度， 目前精度已經可以控制在0. 3mm以內， 如果在出料口使用更多一級糾偏，可以把精度控制在0.1mm上下。

　　　　　圖 4 疊片機結構圖

　　圖 5 直線電機平臺

　　圖 6 一級糾偏 

圖 7 二級糾偏

圖 8 一級糾偏機械

　　圖 9 二級糾偏機械

　　3 CC-Link IE TSN網絡概述

　　在正式了解該通訊總線網絡前，我們先認識下什么是TSN技術。TSN技術，就是Time Sensit iv e Networks，中文來講就是時間敏感網絡。他的前身是AVB技術，也就是音視頻橋接技術，主要是應用在現場直播以及汽車中控方面，隨著自身協議的完善，IEEE802.1 工作組在2012 年的時候正式把該技術更名為TSN技術。TSN不是一個單一的標準或者說協議，它是由多種協議組成的，到目前為止他的協議標準還處于在不斷地完善和補充過程中。TSN標準作為普通以太網技術的一個擴展協議，他的目的就是對普通以太網在實時性、時間同步性、高精度、安全性方面做一個有效的補充。在過去，工業現場總線網絡很少去使用普通以太網協議就是因為在安全性、高精度等方面不滿足需求，因此經過普通以太網協議擴展后的TSN技術是非常適合工業領域的。

　　而CC-Link IE TSN作為全球首款應用TSN技術的千兆工業開放式網絡，由CLPA正式于2018年11月全球發布，僅僅只需一根網線就可以連接多種不同的協議，包括CC-Link IE TSN協議、TCP/IP協議、UDP、MODBUS/ TCP、SLMP等等，同時也可以兼容各種基于TSN技術的其他工業開放總線網絡協議。

　　同時，由于TSN技術的時間同步與時間分割功能， 在使用過程中大家可以根據自身設備的要求來設置各自不同的刷新周期，傳統的網絡中，在同一個網絡內，對每一臺設備的通信周期都是一致的，而CC-Link IE TSN則可以針對不同的設備配置不同的通信周期，比方說伺服放大器這樣的需要高速控制的設備可以配置高速的通信周期、而遠程I/O、變頻、溫控設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絡資源，使設備的控制性能最大化。

　　圖 10 TSN 技術

　　圖 11 CC-Link IE TSN 結構圖

圖 12 同網段不同數據刷新周期

　　4 控制系統

　　如圖13所示，整個控制系統使用了9個放大器控制總共10臺電機，分別是3臺100W、3臺700W、2臺400W 的伺服電機和兩臺直線電機，所有的伺服控制器都是通過CC-Link IE TSN網絡來進行數據高速通訊，使用PLC模塊可以完成控制。

圖 13 電控系統

　　與此同時，通過TCP/IP協議使用通用型交換機連接1 臺三菱GT2512 的人機界面和1 臺研華(Advantech)的SRK- CTR- 00工控機，其中人機界面主要是為了方便直觀的在設備外側觀察數據和進行觸屏控制，而工控機主要是為了控制4 個康耐視(Cognex)的CCD來實現精準地極片定位，使隔離膜與極片之間保持一致。另外值得一提的是，J5系列伺服的網口也可以通過普通以太網交換機額外直連千兆/百兆的以太網設備進行高速通訊，實現多種網絡混合通信。

圖 14 PLC 配置圖

　　圖15是人機界面的控制面板，通過MELSOFT協議與三菱的R系列PLC連線并進行控制，使用人機界面大大方便了后期對于設備的改造，虛擬的點位控制更改起來也非常方便，無需再去更改設備接線等，方便設備后期的維護和修改。

圖 15 GOT 控制面板

　圖 16 設置界面

　　在調試的時候也發現目前三菱電機已經把工程軟件進行了比較完善的升級，如圖16 所示，相較于過去，如今已經可以直接通過GX Works 3 對伺服系統進行編程與設置，擺脫了過去需要打開多個軟件十分不方便;程序中也可以大量使用標簽來制作程序，方便廠家去制作符合自身標準的規范設備，同時伺服程序中的全局標簽也可以選擇去共享給PLC進行映射使用，大大方便了工程師的使用。

　　5 結語

　　CC-Link IE TSN作為目前最新的工業總線網絡，在工業現場設備中將會得到更多應用，目前三菱電機推出的RD 78G系列的運動控制模塊單個已經可以連接最多256 軸/設備，且可以累計使用三個模塊達到700多軸，變頻器A800等多系列產品也支持CC-Link IE TSN網絡，同時相比于過去，CC-Link IE TSN網絡更加開放，主、從站設備都支持各個廠家進行軟件或硬件形式開發。

　　針對國內的市場，半導體、鋰電、汽車等行業的單機設備或線體在未來將會更加復雜，需要增加更多的軸、更多設備去對應;同時，對應當前5G網絡與工業物聯網系統的使用也需要與IT互相兼容的工業網絡，CC- Link IE TSN既可以方便與上位系統兼容，也可以與下位多協議同時傳輸，因此十分適合未來設備的發展。