DCS在鋰電池真空烘烤系統(tǒng)上的應(yīng)用

王進(jìn)飛 高 楓 張 輝

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 47003）

目前，大多數(shù)鋰電池生產(chǎn)企業(yè)的電池干燥技術(shù)路線是通過創(chuàng)造高真空、高溫度均勻度、低露點(diǎn)的干燥環(huán)境進(jìn)行干燥，根據(jù)電池正負(fù)極材料生產(chǎn)商和電池體系的不同，干燥持續(xù)時(shí)間約為20～70h不等。

高真空、高溫度均勻度的鋰電池干燥環(huán)境由真空烘箱提供，其中真空烘箱提供了高溫度均勻度的密封腔體，通過外接真空泵對真空烘箱抽空實(shí)現(xiàn)高真空環(huán)境；低露點(diǎn)的環(huán)境主要是用于電池干燥完成后的流轉(zhuǎn)和注液工作，由低露點(diǎn)除濕機(jī)提供。由于鋰電池規(guī)?；a(chǎn)和真空烘箱腔體容積的限制，真空烘箱在生產(chǎn)中投入的數(shù)量非常多；同時(shí)出于成本投入的考慮，外接的真空泵與真空烘箱的對應(yīng)關(guān)系可能為一對一（圖1）或一對二（圖2），但在控制上無邏輯關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中，一對二的情況下，如果2臺(tái)真空烘箱異步抽真空的情況下就出會(huì)出現(xiàn)2臺(tái)真空烘箱“串氣”的問題。

圖1 真空泵與真空烘箱一對一

圖2 真空泵與真空烘箱一對二

1DCS簡介

DCS是集散控制系統(tǒng)的簡稱，是計(jì)算機(jī)（computer）、通信（communication）、CRT顯示、控制（control）技術(shù)（簡稱4C技術(shù)）發(fā)展起來的產(chǎn)物。它采用控制分散、操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，采用多級(jí)分層、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)和管理要求［1-2］。

2 基于鋰電池真空烘箱的DCS系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

基于鋰電池真空烘箱的DCS系統(tǒng)主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、I/0模塊、模擬量模塊、視頻監(jiān)控和通訊模塊等組建而成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示［3］。系統(tǒng)的通訊上采用MODBUS485通信和以太網(wǎng)TCP/IP并行的方式進(jìn)行，真空烘箱采用485通信協(xié)議、視頻監(jiān)控采用TCP/IP通信協(xié)議。

圖3DCS結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)的功能

2.2.1 數(shù)據(jù)的采集、記錄、顯示

真空烘箱在干燥過程中溫度、真空度均是由傳感器產(chǎn)生的模擬量，經(jīng)過模擬量模塊采集后進(jìn)入PLC內(nèi)部并在CRT上顯示出數(shù)值。DCS與真空烘箱建立通信后，通過讀取PLC內(nèi)溫度、真空度的數(shù)據(jù)地址即可實(shí)現(xiàn)對溫度、真空度數(shù)據(jù)的采集。環(huán)境濕度的露點(diǎn)一般由露點(diǎn)儀測量，通過露點(diǎn)儀輸出的模擬量進(jìn)入新增的模擬量模塊，然后通過485通信實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)值的采集［4］。通過編程語言開發(fā)相應(yīng)的操控軟件，實(shí)現(xiàn)集中顯示溫度、真空度值（圖4），并將相應(yīng)的數(shù)值保存在對應(yīng)的Excel表格之中；同時(shí)也可查看單臺(tái)真空烘箱的實(shí)時(shí)詳細(xì)數(shù)據(jù)（圖5）。

圖4 集中顯示溫度、真空度

圖5 單臺(tái)真空烘箱的實(shí)時(shí)詳細(xì)數(shù)據(jù)

2.2.2 真空烘箱和真空泵的遠(yuǎn)程操控

在工業(yè)計(jì)算機(jī)和真空烘箱PLC建立通訊的基礎(chǔ)上，軟件通過對真空烘箱相應(yīng)操作地址的讀取、寫入實(shí)現(xiàn)對真空烘箱的遠(yuǎn)程操控。真空泵啟、停的控制線路全部由繼電器和按鈕實(shí)現(xiàn)，通過增加具有485通訊功能的I/O模塊和軟件程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

為了保證真空烘箱內(nèi)部的真空環(huán)境和干燥效果，對于真空泵和真空烘箱的電控閥遵循下面的邏輯關(guān)系：

關(guān)：先關(guān)閥，再關(guān)泵；開：先開泵，再開閥。

真空泵和真空烘箱是一對一的情況下，遵循上述的邏輯關(guān)系；真空泵和真空烘箱是一對二的情況下，會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：

第一種情況：真空烘箱1、2同時(shí)工作，邏輯關(guān)系同一對一；第二種情況：真空烘箱1工作、真空烘箱2入爐，烘箱1的電控閥1先關(guān)閉，待烘箱1、2爐真空度差值達(dá)到一定值時(shí)，電控閥1再次打開。

2.2.3 關(guān)鍵數(shù)據(jù)圖形化顯示

干燥過程數(shù)據(jù)溫度、真空度和露點(diǎn)均是需要查看的過程數(shù)據(jù)。為了查看方便和數(shù)據(jù)對比分析，將溫度、真空度和露點(diǎn)的變化曲線顯示在同一張圖形上，如圖6所示。圖形化的變化曲線更直觀地反映了過程數(shù)據(jù)的變化情況，為詳細(xì)分析某段時(shí)間內(nèi)干燥數(shù)據(jù)變化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2.4 歷史數(shù)據(jù)查詢

干燥過程數(shù)據(jù)以一個(gè)完整的自動(dòng)循環(huán)過程為一個(gè)文件，根據(jù)設(shè)置的查詢條件進(jìn)行查詢。對于同一個(gè)真空烘箱來說，通過對歷史數(shù)據(jù)的查詢可以有效地找出設(shè)備狀態(tài)變化的時(shí)間；而對于全部的真空烘箱來說，可以通過大量數(shù)據(jù)的分析得出真空烘箱的高可靠性性能指標(biāo)，并以此為依據(jù)提高真空烘箱的生產(chǎn)效率。

圖6 溫度、真空度和露點(diǎn)的曲線變化

2.2.5 真空泵設(shè)備間的監(jiān)控布置

真空泵屬于旋轉(zhuǎn)類設(shè)備，存在將外物卷入旋轉(zhuǎn)部件的安全隱患。一旦遠(yuǎn)程操控，操作人員很難掌握設(shè)備間的實(shí)際情況，可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。為避免安全事故的發(fā)生，一方面在真空泵的控制線路上設(shè)置“遠(yuǎn)程/近地”操作的選擇開關(guān)；另一方面安裝視頻監(jiān)控，開啟真空泵之前必須通過視頻查看真空泵設(shè)備間情況，確保安全。

3 結(jié)論

DCS作為成熟的工業(yè)控制技術(shù)已有多年歷史，由于系統(tǒng)本身可靠性高、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在電力、冶金、化工、建材等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。DCS在鋰電行業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段，此次在鋰電池真空烘箱上的應(yīng)用取得了很好的效果：一方面，建立了真空泵與真空烘箱電控閥的邏輯關(guān)系，避免了干燥過程中真空度的波動(dòng)和電池的二次污染；另一方面，數(shù)據(jù)的積累不但解決了設(shè)備狀態(tài)的判定和管理問題，降低了鋰電池的水分含量，而且為真空烘箱性能指標(biāo)提供了數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

［1］李澈.DCS技術(shù)在設(shè)備巡檢中的應(yīng)用［J］.蘇鹽科技，2012（3）：9-10.

［2］毛勇利.基于MODBUS協(xié)議的DCS與PLC通訊應(yīng)用［J］.科技傳播，2013（1）:188，182.

［3］李洪文.基于PLC和PC的DCS系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.信息技術(shù)，2014（14）:339.

［4］朱丹波，孫瑜，薛會(huì)建，等.基于西門子S7-300的干燥部DCS應(yīng)用一例［J］.中華紙業(yè)，2005，26（7）:60-62.