基于西门子S7-1500PLC的新能源汽车电池涂胶变频PID调节控制系统设计
摘要 随着全球新能源板块的快速崛起，新能源汽车的热潮开始席卷全球。新能源汽车的核心应用就是电机和电池，随着市场的不断扩大，其中新能源电池在市场的推动下一度占据新能源汽车中的主导工序[1]。新能源汽车中电池的涂胶工艺是至关重要的，和传统涂胶不同的是新能源电池涂胶对涂胶的温度和涂胶压力的精度要求较高，这也使得传统控制手段无法实现全自动化的涂胶工艺[2]。本系统设计采用了双PID闭环控制调节，首先是通过温度传感器与加热器实现对挤出胶口温度的恒定输出。其次采用了变频器控制高精度螺杆实现出胶，通过出胶口压力传感器实现与模拟量输出变频器控制螺杆电机转速实现胶口压力的恒定，通过双闭环控制可以保证电池涂胶的均匀不间断。
系统采用了可编程器西门子S7-1500作为整个系统的核心控制器，通过集成控制实现涂胶原料自动补充、涂胶温度PID恒定、出胶变频PID调节实现压力恒定、HMI人机交互界面监控工作等功能。前期完成了对整个新能源汽车电池涂胶系统的组成结构设计，并分析PID算法控制的使用手段。结合整个系统的功能以及工艺流程，制定出最合理的控制方案。根据系统需求完成对硬件的选型分析，制定出系统的I/O分配表以及绘制出系统的主控电路图。根据要求制定出系统的流程图，结合I/O分配表和工艺流程采用西门子博图V16进行编程，并对程序进行仿真调试。为提高整个系统的可视化控制性，设计采用PN以太网远程监控反馈，绘制HMI人机交互界面，实现HMI和PLC的通信，并且HMI人机交互界面可以对控制系统进行参数设置和监控[3]。
关键词：可编程控制器 涂胶 PID控制 变频器
Design of new energy vehicle battery gluing control system based on PLC
Abstract With the rapid rise of the global new energy sector, the upsurge of new energy vehicles began to sweep the world. The core applications of new energy vehicles are motors and batteries. With the continuous expansion of the market, new energy batteries once occupied the leading process in new energy vehicles[1]. The gluing process of batteries in new energy vehicles is very important.Different from traditional gluing, new energy battery gluing requires higher precision of gluing temperature and gluing pressure, which also makes traditional control means unable to realize fully automatic gluing process[2]. In this design, double PID closed-loop control and adjustment are adopted. First, the constant output of extrusion die temperature is realized through temperature sensor and heater. Secondly, the frequency converter is used to control the high-precision screw to realize the glue discharge, the glue outlet pressure sensor and analog output frequency converter control the screw motor speed to realize the constant glue outlet pressure, and the double closed-loop control can ensure the uniform and uninterrupted glue application of the battery.
The system adopts the programmable Siemens S7-1500 as the core controller of the whole system. Through integrated control, it realizes the functions of automatic replenishment of gluing raw materials, constant gluing temperature PID, constant pressure by adjusting the frequency conversion PID of gluing, and monitoring the HMI human-computer interaction interface. In the early stage, the composition and structure design of the whole battery gluing system of new energy vehicles were completed, and the use means of PID algorithm control were analyzed reasonably. Combined with the function and process flow of the whole system, the most reasonable control scheme is worked out. According to the system requirements, the hardware selection analysis is completed, the I/O distribution table of the system is worked out and the main control circuit diagram of the whole system is drawn. According to the requirements, the flow chart of the whole system is made, and the program is compiled by Siemens Botu V16 combined with I/O allocation table and process flow, and the program is simulated and debugged. In order to improve the visual controllability of the whole system, PN Ethernet remote monitoring feedback is used to draw HMI human-computer interaction interface to realize the communication between HMI and PLC, and the HMI human-computer interaction interface can set and monitor the parameters of the control system[3].
Key words Programmable controller Gluing PID control Frequency convert
目录
第一章 绪论 1
1.1选题背景 1
1.2课题研究的目的及意义 2
1.3国内外技术现状及发展趋势 2
1.4设计的研究内容 4
第二章 新能源汽车电池涂胶系统方案设计 6
2.1新能源汽车电池涂胶系统组成结构 6
2.2 通过PID实现涂胶恒压恒温 6
2.2.1 PID的概述和实现的意义 7
2.2.2 PID控制的原理及特点 7
2.3系统功能方案设计 8
第三章 系统硬件选型及设计 11
3.1 PLC的选型及设计 11
3.1.1 PLC的型号的确定 11
3.1.2 I/O分配表及PLC外部接线图 12
3.2 变频器及电机选型及设计 15
3.2.1 加热器的选型 16
3.2.2螺杆电机和驱动电机的选型 17
3.3 传感器的选型及设计 20
3.3.1液位传感器选型 20
3.3.2 温度传感器选型 21
3.3.3 压力传感器选型 22
3.3.4 光电传感器选型 23
3.3.5 限位开关选型 24
3.4 阀门选型 25
3.5 加压泵选型 26
第四章 系统软件设计 28
4.1 涂胶系统控制流程 28
4.2 涂胶系统的程序设计 29
4.3 HMI上位机设计 36
第五章 仿真调试 40
5.1 涂胶运行准备 40
5.2 涂胶运行 41
结论 46
致谢 47
参考文献： 48
第一章绪论
1.1 选题背景
随着新能源汽车行业的快速崛起，新能源配套产业链快速成为时代发展趋势。新能源汽车中电池的喷胶系统就是较为典型的代表，随着工业产业的不断提高，喷胶的工艺要求和精度也随着上升。根据统计我国的兴能源电池装机比例达到全球市场份额的60%，韩国新能源电池研究机构SNE Research发布的最新数据表明，我国的新能源电池达到了362.7GWH，这也充分的说明了新能源电池的市场前景广阔。随着新能源电池的产量逐步提升，相与而来的问题就是装机过程的变化，新能源电池装机必须要采用涂胶工艺，涂胶主要是实现了新能源电池的固定、绝缘、散热的功能，所以涂胶工艺也会间接的影响到整个新能源汽车电池的稳定性。涂胶是指根据不同的工艺要求把胶浆均匀涂抹在产品表面的一种加工方式。涂胶的目的主要是粘贴固定、提高耐腐蚀性能，制造耐高温绝缘材料。随着科技的发展，传统的手工涂胶逐渐被涂胶机所替代，目前广泛应用的涂胶机器，利用电脑程序控制涂胶路径和出胶量，通过气压将胶液喷涂到所需的产品上，使得涂胶的厚度和时间都可以控制，设备操作简单，采购成本低，大大提升了涂胶的工艺质量。
传统的新能源电池涂胶都是通过半自动化设备实现的，采用了接触器和继电器控制，这种控制虽然能达到控制的要求以及部分功能，但是其硬件占用量较多，机械触点非常多，接线复杂后续维护管理困难。其次就是控制的工艺上，新能源电池的涂胶对胶的温度把控，以及涂胶的均匀程度都较高，显然传统的控制手段虽然能满足涂胶的工艺，但是会出现断胶或者触角不均匀导致电池表面涂胶粘连不到位的情况。其次当今的新能源电池胶对温度要求极高，在特定的温度下出胶可以更加平滑，温度过低会导致出胶粘性不均衡出胶压力难调，温度过高会导致胶水发生物理性变化失去胶水的一些作用。随着对涂胶工艺的不断完善和要求的提高，实现涂胶恒温恒压是至关重要的[4]。在智能化程度上，不仅控制系统能完成涂胶的工艺，对于数据的可视化程度也是智能化体现的一种，通过监控系统或者软件读取整个汽车电池涂胶的运行情况，以及一些参数的实时性，可以让用户更加智能的管理整个系统。
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