一种基于嵌入式的电池极片轧机控制器的制作方法

本发明涉及电气自动控制技术领域，特别是涉及一种基于嵌入式的电池极片轧机控制器。

背景技术：

锂离子电池具有高能量、无污染、不燃爆、可回收的特点，在国家能源战略方面和人们的日常生活方面有着重要的作用。目前真正意义上的基于嵌入式的电池极片轧机控制器还没出现。

《电池极片轧制与分切设备的控制系统研究》(王旭.电池极片轧制与分切设备的控制系统研究[D].河北工业大学,2013.)一文提出了采用嵌入式技术来设计一套电池极片轧制设备的控制系统，最终呈现形式为一块电路板，这块电路板可以实现电池极片扎生产的各个功能，然而该设计并没有实现真正的可插拔、切换的模块化设计，其可扩展性、可靠性、可维修性等都受到了不同程度的限制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于嵌入式的电池极片的轧机控制器，该控制器采用模块化的工艺设计，既能完成锂电池极片的轧制又为企业降低了成本，同时该控制器还具有可扩展性、可维修行、可替换性，方便了后续的功能扩展、设备升级和维护等工作，并且能监控电池极片生产的工作状况并进行调控。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：设计一种基于嵌入式电池极片轧机控制器，其特征在于该控制器包括微处理器、电源模块、轧制压力控制模块、轧辊间隙控制模块、轧辊速度控制模块、上位机控制模块、扩展功能模块、控制面板和控制基板；

所述微处理器为整个控制器的核心部件，分别与轧制压力控制模块、轧辊间隙控制模块、轧辊速度控制模块、上位机模块、扩展功能模块相连接；微处理器、电源模块、轧制压力控制模块、轧辊间隙控制模块、轧辊速度控制模块、上位机控制模块和扩展功能模块均插在控制基板上；所述电源模块为整个控制器供电；

所述电源模块一端与外部供电连接，另一端与控制器连接，提供24V、5V和3.3V的三种直流电源；

所述控制面板包括电源指示灯、工作状态指示灯、报警器、启动按钮、急停按钮和触摸屏；电源指示灯与电源模块连接，触摸屏与上位机控制模块连接；工作状态指示灯、报警器、启动按钮、急停按钮均与微处理器连接；

所述轧辊间隙控制模块的输出端与电池极片轧机生产线上的间隙步进电机或伺服电机连接，轧辊间隙控制模块负责控制轧辊间隙的调整；

所述轧制压力控制模块与电池极片轧机生产线控制轧制压力的电磁阀连接，通过控制电磁阀的通与断，完成对提供轧制压力的液压缸压力的调整；

所述轧辊速度控制模块的输出端与变频器相连接，轧辊速度控制模块用来调整轧辊的碾压速度；

所述上位机控制模块负责电池极片生产线的轧制监控和控制，通过上位机控制模块实现微处理器与触摸屏的连接通讯；

所述扩展功能模块是在微处理中预留出一部分输入、输出接口，对该轧机控制器的功能进行扩展。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)成本低。由于目前电池极片轧制设备的控制系统大多采用PLC作为控制核心，其成本较高。本发明应用嵌入式技术设计控制器，在保证系统稳定运行和正常生产的前提下，以达到降低成本、简化设备的目的，有利于电池极片生产设备在市场上的进一步推广。

2)维护方便。本发明中的所有功能均按最小控制单位进行模块化设计，即为可插拔控制模块，使用时根据实际要求选出多种功能块，将其组合安装到控制基板上，即完成控制系统的搭建；这种方式既满足当前控制功能的需求，又不会造成功能的浪费，同时还能满足未来的控制对象更换，或者升级换代的需求。使用中故障发生后即可拔出原有功能块后安装新的功能块即可立即使用，十分方便。

3)扩展功能。本发明的轧机控制器只需要修改程序并且连接相应的外部扩展模块插于控制基板之上，便可以完成某些生产过程中的其他工艺需求，如收放卷、分切等其他工艺。使得轧机控制器具有良好的扩展性和灵活性，可以满足一条完整的电池极片轧制及分切过程的需要。

4)操作方便。通过控制面板上的触摸屏，操作人员可以完成与控制器的人机交互。触控屏上除显示当前轧机设备运行实时状态信息等还设计有参数调节对话框，并在操作人员设置或者修改参数时提供帮助信息，该帮助信息为设计者在调试中的经验总结，涵盖该参数的调节方法，对系统的影响，以及如何验证参数设置是否生效等方法的介绍说明，每个参数都有极限范围的限制，一般操作人员无法修改限制范围，这既便于非专业人员调试修改，又便于其对设备的了解，更加安全方便。

5)数据采集快。通过触摸屏可以快速、方便地采集和处理数据，并控制设备的运行。人机界面可以灵活地配置各种数据采集模块，智能仪器仪表，无纸记录仪，无人值守的现场采集站等。

本发明控制器包括各个模块，采用插拔的方式与控制基板相互连接，使其具有更好地可扩展性及抗干扰性，更适于电池极片轧机企业的生产应用，将嵌入式系统应用到电池极片轧机生产线中，有利于降低设备成本，实现自动化控制，显著了提高生产效率。

附图说明

图1是本发明基于嵌入式电池极片轧机控制器一种实施例的整体结构示意图。

图2是本发明的控制面板8的示意图。

图中，1微处理器、2电源模块、3轧制压力控制模块、4轧辊间隙控制模块、5轧辊速度控制模块、6上位机控制模块、7扩展功能模块、8控制面板、9控制基板、10触摸屏、11电源指示灯、12工作状态指示灯、13启动按钮、14急停按钮、15报警器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步详细介绍本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明基于嵌入式电池极片轧机控制器(简称轧机控制器或控制器，参见图1-2)包括微处理器1、电源模块2、轧制压力控制模块3、轧辊间隙控制模块4、轧辊速度控制模块5、上位机控制模块6、扩展功能模块7、控制面板8和控制基板9；

所述微处理器1为整个控制器的核心部件，分别与轧制压力控制模块3、轧辊间隙控制模块4、轧辊速度控制模块5、上位机模块6、扩展功能模块7相连接；微处理器1、电源模块2、轧制压力控制模块3、轧辊间隙控制模块4、轧辊速度控制模块5、上位机控制模块6和扩展功能模块7均插在控制基板9上；所述电源模块2为整个控制器供电；

所述微处理器1包括单片机、通讯总线模块、模拟量处理模块、普通I/O接口及高速I/O接口；所述通讯总线模块、模拟量处理模块、普通I/O接口及高速I/O接口分别与单片机的引脚电连接；所述单片机通过内部编程设定，将单片机的各个引脚重新规划定义，使之与通讯总线模块、模拟量处理模块、普通I/O接口及高速I/O接口匹配；

所述通讯总线模块是微处理器与外部进行数据交换的通道，包含3种通讯接口，具体为RS232、RS485和CAN总线接口；其中RS232接口与控制面板的触控屏电连接，RS485接口与电能监测仪、变频器等连接，CAN总线与工厂现场CAN总线电连接；

所述模拟量处理模块包括模拟量输入和模拟量输出。其中模拟量输入信号为5路，模拟量输出信号是2路，这其中并不包括为扩展功能模块7所预留的模拟量输入、输出；其中模拟量输入信号为入口张力输入信号、入口纠偏输入信号、出口张力输入信号、出口纠偏输入信号及压机压力输入信号，模拟量输出信号是放卷磁粉制动器控制信号、收卷速度控制信号；

所述普通I/O接口和高速I/O接口共27路数字量接口，其中数字量输入信号为15个，数字量输出信号12个；

所述电源模块2一端与外部供电连接，另一端与控制器连接，提供24V、5V和3.3V的三种直流电源；

所述控制面板8包括电源指示灯11、工作状态指示灯12、报警器15、启动按钮13、急停按钮14和触摸屏10；电源指示灯11与电源模块2连接，触摸屏10与上位机控制模块6连接；工作状态指示灯12、报警器15、启动按钮13、急停按钮14均与微处理器1连接；

所述轧辊间隙控制模块2主要完成对轧辊间隙调整的控制，主要原理是把间隙步进电机或伺服电机的转动通过机械结构转化为轧辊的间隙的变化，轧辊间隙控制模块2的输出端与电池极片轧机生产线上的间隙步进电机或伺服电机连接；

所述轧制压力控制模块3主要控制的对象是电池极片轧机生产线控制轧制压力的电磁阀，通过控制电磁阀的通与断，完成对提供轧制压力的液压缸压力的调整；

所述轧辊速度控制模块3是用来调整轧辊的碾压速度，轧辊的碾压速度决定了整条生产线的生产速度，轧辊速度控制模块3的输出端与变频器相连接，变频器与轧辊电机连接，轧辊电机通过变频器对速度进行控制。

所述上位机控制模块4的主要是完成电池极片轧机生产线的轧制监控和控制的任务，上位机控制模块4的输出端与触摸屏相连，通过上位机控制模块4实现微处理器1与触摸屏的连接通讯；可以快速、方便地采集和处理数据，控制设备的运行；人机界面(触摸屏)可以灵活地配置各种数据采集模块，智能仪器仪表，无纸记录仪，无人值守的现场采集站。触摸屏的用户窗口主要有：主界面、生产线状态显示界面、手动界面等，主界面为一级界面，生产线状态显示界面和手动界面为二级界面，在主界面设定有工作模式选择按钮、增压按钮、泄压按钮、辊缝增大按钮、辊缝减小按钮。

所述扩展功能模块5是在微处理1中预留出一部分输入、输出接口，其目的是为了对该轧机控制器的功能进行扩展，如整体生产线中的收放卷、分切等功能都可以在该轧机控制器上通过扩展功能模块5实现。

本发明的进一步特征在于所述微处理器以C8051F020单片机为核心。

微处理1作为控制器的核心，轧制压力控制模块3、轧辊间隙控制模块4、轧辊速度控制模块5、扩展功能模块/7的各个输入端通过已经在微处理器1上设定好的输入通道端实现与微处理器1相连。而轧制压力控制模块3、轧辊间隙控制模块4、轧辊速度控制模块5、扩展功能模块7通过微处理器1上设定好的输出通道与各被控对象相连。而上位机控制模块6则通过RS232与微处理器1相连，轧辊速度控制模块3通过RS485与微处理器1相连。

电池极片轧机生产线的轧制设备的输入信号有按钮输入信号、开关量传感器和模拟量传感器，通过输入通道将各个信号传入微处理器1。微处理器1与输出通道相连接，其输出类型有继电器输出、脉冲输出、电平输出。这些输入和输出量通过微处理器1中的程序进行控制，实现轧机控制器的对电池极片轧制的生产控制。

增压按钮、泄压按钮为轧制压力控制模块3提供了按钮输入信号，增压按钮、泄压按钮设置在触摸屏上，与微处理器的输入通道相连接。增压阀和泄压阀作为轧制压力控制模块3的被控对象用来驱动液压缸，增压阀、泄压阀通过与输出通道相连接被微处理器1控制，在轧机生产线中通过增压按钮、泄压按钮来实现轧制过程中的轧制压力的调整。

扩展功能模块7为本发明轧机控制器提供了扩展能力，预留了一些输入、输出接口。其中输入信号的形式有按钮输入信号、模拟量传感器信号、开关量传感器信号三种；输出信号的形式有继电器输出、脉冲输出、电平输出三种。因此只需要修改程序并且连接相应的外部扩展电路和器件，便可以完成如收放卷、分切等其他工艺。使得轧机控制器具有良好的扩展性和灵活性。

轧制压力控制模块3主要控制对象是2个电磁阀，分别是用来增加压力的增压阀和用来减小压力的泄压阀。轧制压力控制模块3分为手动控制和自动控制。手动控制过程如下：当按下增压按钮时产生增压的按钮输入信号，经由输入通道被处理器1采集后产生液压缸加压控制信号来控制增压阀得电来实现液压缸增压，当增压按钮抬起时增压结束。减压过程与上述增压过程原理相同在此不再重复；自动控制过程如下：由压力传感器检测液压缸输出的压力值，产生一个模拟量信号，经由输入通道被微处理器1采集后进行A/D转换，由模拟量转换为数字量，接着与设定的压力值进行比较，若压力过大则由微处理器1产生液压缸泄压控制信号来控制泄压阀得电，实现液压缸泄压，然而若压力过小则由微处理器1产生液压缸增压控制信号来控制增压阀得电，实现液压缸增压。

轧机轧辊间隙控制模块4有手动调节和自动调节两种方式，手动调节的工作过程如下：当按下辊缝增大按钮时，产生一个增大辊缝的按钮输入信号，通过输入通道被微处理器1采集后处理，产生间隙调整电机方向信号和间隙调整电机脉冲信号(间隙调整电机方向信号是用来控制间隙调整电机实现正反转的信号、间隙调整电机脉冲信号是控制间隙调整电机的转速的信号)，控制间隙步进电机或伺服电机实现正传，从而增大轧机轧辊间隙，松开辊缝增大按钮，则停止调整。当按下辊缝减小按钮时产生一个减小辊缝的按钮输入信号，通过输入通道被微处理器1采集后处理，产生间隙调整电机方向信号和间隙调整电机脉冲信号，控制间隙步进电机或伺服电机实现反转，从而减小轧机轧辊间隙，松开辊缝减小按钮，停止调整。自动调节的过程如下：在工作状态中，传感器依据当前状态会产生辊缝过小信号或辊缝过大信号，两个信号可以通过输入通道被微处理器1采集经过对辊缝过小信号或辊缝过大信号的处理，微控制器1产生间隙调整电机脉冲信号和间隙调整电机方向信号，来实现间隙步进电机的正转或反转，从而实现辊缝间隙的调整。

上位机控制模块6是用来实现控制器与上位机(即触摸屏)之间的通讯，用来对生产线进行实时监控和数据采集等工作。通过点击屏幕上方的各个按钮，可以进入到相应的功能界面。手动界面为上位机控制的二级界面，通过主界面的工作模式选择按钮可进入手动界面，用户可在此界面选择相应手动操作，如电机的启动、停止，步进电机的单步运动，变频电机的速度调整，可通过手动界面操作测试出各个分设备的合理参数。生产线状态显示界面是上位机控制的二级界面，通过主界面的工作模式选择按钮可进入生产线状态显示界面，该界面为自动操作界面，用户可在此界面查看整套设备的运行状态，生产情况，报警信息等。报警信息界面为上位机控制的三级界面，进入自动操作界面会模拟真实设备的运动状况，同时当出现故障，界面会出现报警提示，并自动进入报警信息界面。

本发明未述及之处适用于现有技术。