锂电生产企业控制系统设计及应用

锂电生产企业控制系统设计及应用

陈锴鹏

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摘要：在“双碳”目标背景下，以锂电行业为代表的新能源行业飞速发展，我国一跃成为世界第一锂电大国。锂电行业产品链长，工艺指标要求高，对过程指标的控制效果有着严格的需求。分散控制系统（DCS）作为工业控制的核心技术，在工艺画面监视、过程参数控制、历史曲线查询等多方面有着独特的优势。本文对锂电生产企业控制系统的整体设计为思路做了研究和探讨。

关键字：锂电行业；过程控制；DCS

引言：锂电池作为一种清洁高效储能产品，在新能源行业中扮演这至关重要的角色。受全球政策的影响，锂电产业得以飞速的发展，我国作为锂电第一大国，锂电池出货量更是占到了全球出货量的70%。随着下游市场需求的激增，锂电池原料供给侧出现了短缺，原材料价格不断上涨，也刺激了诸多企业纷纷投资锂电行业，装置产能较之前也有了很大程度上的提升。

DCS系统作为流程工业过程控制的核心手段，距今已经有将近50年的发展历史，因其控制精度高、容量大、通讯速率快、系统协同性强，在大规模锂电材料生产过程控制中有着无可比拟的优势。

一、锂电行业概述

根据工艺流程划分，锂电行业分为正极材料、负极材料、电解液、隔膜材料几个大类。从成本构成来看，正极材料在锂电池组成材料中占比最高，约40%；负极材料占比约15%；电解液占比约12%；隔膜材料约15%；电芯组装、钢外壳等其他成本约占18%。根据锂电正极材料的不同，锂电池又被分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池等。

锂电行业生产工艺有以下几个特点：

1、生产工艺流程长。锂电池生产需要用到原材料为碳酸锂、天然石墨、镍钴锰等矿产资源，需要经过一系列工序的加工制成前驱体、正负极材料和电解液，最后经涂布、卷绕等工序加工成锂电池，生产工艺流程长，产业上下游影响影响较大；

2、产品纯度要求高。锂电材料的纯度直接决定了电池的性能、使用寿命以及安全性，锂电材料需要经过严格控制产品中杂质的含量；

3、生产环境较差。锂电池生产需要经过破碎、煅烧、粉碎、筛分等工序，原料粉尘大，且需要用到大量的硫酸、氢氟酸等腐蚀及有毒有害物质，容易危害员工健康。

基于以上特点，锂电行业需要提高自动化程度，提高产品品质，保护生产安全，增强企业核心竞争力。

二、DCS系统硬件设计

1、DCS网络架构设计

DCS网络架构共分为四个层次，现场层、控制层、监控层和管理层。其中现场层负责完成IO卡件与现场仪表及阀门信号之间的通讯，通常采用硬接线或者总线通讯的方式完成；控制层指的是逻辑控制器与IO卡件之间的通讯，通常采用双路冗余的工业总线，保证通讯网络可靠；监控层通常指上位机和下位机之间的通讯网络，一般采用冗余的工业以太网络；管理层网络通常是DCS系统与外部网络之间的数据传输网络，推荐采用OPC接口机，经过经过公安部认证备案的单向隔离网闸来对外传输数据，防止病毒通过网络入侵DCS，保证过程生产控制网络的安全。

网络设备是DCS系统数据传输的核心工具，采用工业级以太网交换机，100Mbps以上传输速率。锂电生产企业厂房一般比较大，设置多个区域机柜间用来放置机柜，以尽可能的缩短机柜现场设备的电缆长度。当通讯距离超过100m时，应采用光纤代替双绞线进行数据通信，防止信号衰减严重。

2、控制站硬件设计

分散控制系统包括工程师站、操作员站、网络设备、电源设备、控制机柜、辅助机柜、控制器以及输入输出IO模件组成。工程师站和操作员站多为PC机，为了满足现场监控需求，至少应采用主频1.5GHz以上cpu，8G以上内存，500G以上硬盘以满足数据存储要求。操作系统应采用WIN7以上版本或LinuX系统。这里推荐采用开源的LinuX系统，稳定性和安全性较高。

输入输出卡件的类型由现场仪表、阀门决定，锂电行业常用的仪表有热电阻、热电偶、压力变送器、各种流量计、液位变送器、液位开关、PH计、称重仪、分析仪表、开关阀和调节阀等。为了便于统一备品备件类型及后期维保，应尽量减少信号的类型，选择4~20mA电流输入信号、4~20mA电流输出信号、数字量输入信号、继电器输出信号、频率信号、电阻信号、电偶信号等标准信号。

3、与外部通讯设计

锂电生产过程中需要用到各种成套设备，如回转窑、辊道窑、压滤机等，随着设备自动化程度的提高，成套的PLC种类也非常多，通讯协议也是五花八门，有Modbus-RTU、Modbus-TCP、Profibus DP、Profinet等。如果通讯协议不进行统一，会给全厂集中监控带来很多麻烦。Modbus-TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的Modbus系列通讯协议的派生产品，使用TCP/IP以太网数据模型，传输速率快，易于拓展，便于维护。

4、系统供电设计

DCS系统可以接收两路电源，其中一路采用UPS电源，另外一路采用GPS电源。UPS容量需要经过严格的计算，保证系统用电裕量。计算UPS容量可根据以下原则：

DCS系统卡件、控制器多为低功耗设计，按照400W/面机柜计算；

安全栅、隔离器按照1.5W/只计算功耗；

数字量输入继电器按照0.15W/只计算功耗，驱动电磁阀的继电器按照4W/只，根据现场阀门动作频率系数计算总功耗；

现场大功率仪表、操作站、工程师站依据功率单独计算负荷；

直流电源整体功率因数约0.9，操作站、工程师站功率因数约0.8，依据功率因数计算UPS整体负荷，UPS的容量应按计算负荷的0.8倍～1.2倍确定。

三、DCS系统软件设计

DCS系统软件是进行底层逻辑组态以及实现人机交互的工具，DCS系统具有的功能包括数据采集、控制运算图形显示、状态监视、系统诊断、报警监视、远程通信、实时数据显示、历史数据管理、操作记录查询、事故追忆、报警记录、报表打印等。

1、工程师站软件配置

工程师站用来用于程序开发、系统诊断、控制系统组态、数据库和画面的编辑及修改。工程师站需要配置实时监控软件、组态软件、历史数据库软件、报表软件等。

2、操作员站软件配置

操作员站仅拥有各自工序监控操作的权利，仅需要配置实施监控软件。目前部分DCS软件采用对等式的设计，可以根据对登陆账号设置不同的操作权限，根据权限自动配置相关软件授权。

3、历史服务器软件配置

历史服务器是用来存储装置生产操作历史数据的，因此需要配置历史数据库软件。历史服务器常设置为2台，数据库冗余配置，防止因硬盘损坏造成数据丢失。

4、OPC接口机软件配置

OPC接口机是用来配置外部通讯的，需要配置OPC软件用来对通讯点位配置。

三、控制策略设计

控制策略需要根据工艺的反应特点来确定。锂电行业常用的控制策略有储罐液位控制、反应釜温度控制、反应PH值控制、比例投料控制、压滤机一键顺控联锁等。

1、温度控制策略

锂电材料的合成反应通常时间比较长，能持续48小时以上，反应过程中温度相对稳定，鲜有剧烈放热或吸热的反应。针对此类反应的特点，控制时要针对当前温度偏差和单位时间改变量进行综合判定，防止温度超调。

2、PH值控制策略

锂电材料生产过程中很多场合都需要对PH进行控制来保证反应所需要的环境。PH值通过硫酸或者液碱的滴加来调整。需要注意的是调节阀的特性曲线多为等百分比特性，在小开度范围内调节精度较差，因此针对不同的进料量需求，采用不同管径的阀门来控制。

四、发展及展望

目前，DCS系统在锂电行业的应用已经非常普遍，大大提高了锂电行业的生产效率。但是目前行业发展的趋势对电池的能量密度、容量要求越来越高，对原材料的品质要求也在逐渐提高，目前针对锂电行业的精馏、提纯等工艺，先进控制、高级报警等DCS系统先进技术也在进一步研究应用中，相信未来会对电池行业技术水平提高提供技术支持。

五、结束语

总体来说，针对锂电行业的特征和工艺需求，在锂电行业控制系统设计环节，需要对其中的软硬件进行优化配置、完善其中的自动化、智能化控制架构，并且考虑全厂信息化系统和智能工厂的构建接口，构建先进、智能、高效的控制系统。

参考文献：

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[3]彭杰.Modbus协议在火力发电机组分散控制系统中的应用[J].机电信息,2022(24)。