鋰電正極材料數(shù)字化車間建設指南

曾帥強、謝禮飛、何易鵬、顏秀文、王建業(yè)

（1.湖南爍科熱工智能裝備有限公司，長沙 410111；2.中國電子科技集團公司第四十八研究所 長沙 410111）

1 背景

鋰電池屬新能源行業(yè)，系國家大力支持發(fā)展的新型產(chǎn)業(yè)。鋰電池主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解液等構成。其中，正極材料是鋰電池最為關鍵的原材料，是決定鋰電池性能提升的關鍵，占鋰電池成本40%以上，也直接決定了電池的生產(chǎn)成本。目前多數(shù)企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了鋰電正極材料生產(chǎn)線的自動化，但只有極少數(shù)生產(chǎn)線實現(xiàn)了局部的數(shù)字化和智能化。

隨著中國制造2025的政策驅(qū)動和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推廣普及，多數(shù)企業(yè)開始大力推動鋰電材料車間生產(chǎn)線的自動化工作，這一方面解決了國內(nèi)人工成本不斷提高帶來的人工成本問題，另一方面提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品一致性，為企業(yè)創(chuàng)造了更高效益。

自動化是數(shù)字化的基礎，自動化解決了機器替代體力勞動的問題，但未能解決替代腦力勞動和智能決策的問題，自動化設備運行過程中源源不斷發(fā)生的信息流卻得不到通暢傳達和充分有效利用[2，3]。為了進一步加強對自動化設備的運行狀態(tài)信息、產(chǎn)品工藝信息、產(chǎn)品質(zhì)量信息、能耗信息、故障信息等進行實時監(jiān)控、反饋、分析以及輔助管理層決策，建設鋰電正極材料數(shù)字化車間尤為迫切。

2 工藝流程與設備

鋰電正極材料生產(chǎn)車間為典型流程型車間，其生產(chǎn)工藝流程包括：混配料、一次燒結(jié)、一次粉碎、包覆、二次燒結(jié)、二次粉碎、混批、除磁、包裝。典型工藝流程如圖1所示。

圖1 鋰電正極材料工藝流程

生產(chǎn)工藝所需設備包括：稱重料倉、螺旋輸送機、高速混合機、輥道爐、旋輪磨機、氣流磨機、超細粉碎機、振動篩、除鐵器、噸袋包裝機等。典型設備流程如圖2所示。

圖2 鋰電正極材料設備流程

3 數(shù)據(jù)采集

鋰電正極材料生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，包括設備運行數(shù)據(jù)、物料計量數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)、傳感器反饋數(shù)據(jù)、產(chǎn)品在線質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)等等，這些數(shù)據(jù)形成信息流。根據(jù)數(shù)據(jù)類型與接收對象的不同，這些數(shù)據(jù)可以傳遞給設備管理人員，可以傳遞給工藝管理人員，也可以傳遞給質(zhì)量管理人員。

在非數(shù)字化車間，車間管理人員只能從不同設備的儀表或控制顯示屏來獲取相關數(shù)據(jù)，通常需要安排人員進行定期抄錄。為了能夠更加方便、實時的掌握車間的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，及時的獲取最新動態(tài)的、最全面的信息，可以通過在車間部署數(shù)據(jù)采集裝置來獲取信息。這些數(shù)據(jù)采集裝置包括設備原本自帶的通訊反饋裝置，以及專用數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關[4]。

鋰電正極材料車間所需采集的數(shù)據(jù)可以分為設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)和車間監(jiān)控數(shù)據(jù)四類。設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)主要包括：設備運行時的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、頻率、開/關機時間時長等；生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)主要包括：物料配比、批次計量、混合時長、燒結(jié)溫度、進氣量、排氣量等；產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)主要是指：物料粒度、金屬異物含量、PH值、比表面積、密度等；車間監(jiān)控數(shù)據(jù)主要指車間內(nèi)設備、人員、安全、廠務等監(jiān)控數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集要根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)管理的需要進行部署，既要保證基本數(shù)據(jù)的全面采集，又要有所側(cè)重、兼顧成本。

圖3 鋰電正極材料數(shù)字化車間網(wǎng)絡架構

4 車間網(wǎng)絡層級與通訊要求

實現(xiàn)鋰電正極材料車間數(shù)字化目標，需要部署車間級通訊網(wǎng)絡。網(wǎng)絡架構分為設備層、執(zhí)行層和管理層，如圖3所示。

設備層采用Modbus或Profibus等通訊協(xié)議與傳感器、分布式I/O交互數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對配混料設備、破碎設備、包裝設備、燒結(jié)設備的通訊與控制。時間分辨粒度可為秒、毫秒、微秒。各種傳感器（光電開關、行程開關、光纖傳感器等）、變送器（差壓變送器、溫度變送器等）、執(zhí)行器、RTU、條碼/二維碼掃描器、RFID、以及上下料機器人、搬運AGV、自動化倉儲設備等智能裝備在此層運行。智能儀器儀表、控制器、上位機、服務器等可以是RS-232、RS-485、RS-422串行通信接口或RJ-45工業(yè)以太網(wǎng)接口。

執(zhí)行層采用工業(yè)以太網(wǎng)總線通訊，實現(xiàn)車間主生產(chǎn)設備與工程師站、巡檢系統(tǒng)相互連接，對生產(chǎn)設備進行監(jiān)控，查詢故障設備報警信息以及對故障設備進行維護，同時進行生產(chǎn)計劃與調(diào)度、工藝管理、設備管理、質(zhì)量管理、安全管理、能源管理等。時間分辨粒度可為時、分、秒、毫秒。

管理層采用ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）、SRM（供應鏈管理）等信息化軟件實現(xiàn)企業(yè)運營與供銷管理。

圖4 鋰電正極材料數(shù)字化車間信息管理系統(tǒng)

5 數(shù)字化車間信息管理系統(tǒng)

鋰電車間信息管理系統(tǒng)（圖4）將車間設備層、執(zhí)行層和管理互聯(lián)成一個有機的整體，實現(xiàn)各個層級之間、層級內(nèi)部的數(shù)據(jù)互通、信息自流動。設備層采集到的各類數(shù)據(jù)，經(jīng)車間網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸至執(zhí)行層，數(shù)據(jù)經(jīng)過分析、處理后形成指令反饋回設備層，形成一個信息閉環(huán)。這些不同類型的數(shù)據(jù)流閉環(huán)形成生產(chǎn)計劃、工藝管理、設備管理、物料管理、能源管理等10個功能模塊。

同時，執(zhí)行層的數(shù)據(jù)會傳達至管理層，數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后形成決策指令傳回執(zhí)行層，形成一個信息閉環(huán)。這些信息閉環(huán)直接作用于企業(yè)資源規(guī)劃管理和供應鏈管理等的決策。

6 結(jié)論與展望

鋰電正極材料數(shù)字化車間是智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下的必然產(chǎn)物，代表了先進生產(chǎn)力的發(fā)展方向。其數(shù)字化、信息化特點使得車間海量數(shù)據(jù)可以全盤采集、實時傳導并儲存記錄，可以讓車間信息變得透明，方便車間管理者和決策者有效的通過實時數(shù)據(jù)做出正確的判斷和決策。

同時，鋰電正極材料數(shù)字化車間還為智能工廠的建設打下堅實基礎。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云平臺和工業(yè)APP，可以實現(xiàn)智能排產(chǎn)、智能產(chǎn)銷、個性化定制，還可以建立數(shù)字孿生工廠進行工藝仿真優(yōu)化等。數(shù)字化車間具有非常廣闊的前景，將成為第四次工業(yè)革命的主要戰(zhàn)場。