鋰電池電解液生產(chǎn)中的精確定量控制

徐穎棟

摘 要：電解液是鋰離子電池的關(guān)鍵材料。生產(chǎn)過程中原材料的精確配比決定電解液的產(chǎn)品質(zhì)量。因此在加料過程中對控制精度有嚴格的要求。本文認為影響控制精度的主要因素是執(zhí)行機構(gòu)動作滯后，據(jù)此提出了補償方法。利用CENTUM_VP集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)了改良后的批量加料控制，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在深圳新宙邦科技股份有限公司生產(chǎn)鋰電池電解液的過程中，并獲得了滿意的效果，計量精度控制在0.3‰以內(nèi)，具有極高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：電解液；CENTUM_VP；精度定量；補償；閥門動作滯后

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.108

0 引言

電解液是鋰離子電池的關(guān)鍵材料，是鋰電池獲得高電壓、高比能的保證。鋰離子電池電解液由高純度有機溶劑、六氟磷酸鋰及必要的添加劑，在一定溫度壓力條件下，按一定比例配制而成的。嚴格按照配方比例配制電解液是電解液生產(chǎn)的必要，它直接決定電解液的評估指標(biāo)。因此對精確加料的可靠性，準(zhǔn)確性有極高的要求。隨著自動化系統(tǒng)的不斷發(fā)展，采用自動加料控制系統(tǒng)是有效提升自動化水平，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段之一。

在電解液配制過程中，閥門動作滯后對加料精度有重要影響。通過分析閥門動作滯后對精確加料的影響方式及原理，提出了相應(yīng)的補償措施。還將采用CENTUM_VP集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)電解液配制過程中的精確控制。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中證明，加入補償系統(tǒng)的精確加料控制系統(tǒng)，加料精度明顯提高。生產(chǎn)安全性和生產(chǎn)效率也有了顯著提升，增加了企業(yè)效益。

1 閥門動作滯后對精度的影響

在電解液配制過程中精確的配制比例至關(guān)重要。精確加料是指盡可能減少每次加料的實際加料量和預(yù)期加料量的誤差。包括實際加料總量與預(yù)期加料總量的誤差，以及各個組分原料的實際加料量和預(yù)期加料量的誤差。

閥門動作滯后是影響加料精度的主要因素。在沒有補償功能的控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)加料的配方計算出預(yù)期加料量，當(dāng)實際加料量達到預(yù)期加料量時，關(guān)閉閥門。從控制器輸出關(guān)閉閥門的信號到現(xiàn)場閥門完全關(guān)閉的過程，也就是閥門關(guān)閉滯后的時間t，包括繼電器動作時間和閥門動作時間。閥門關(guān)閉動作滯后一定會引起誤差。誤差量是閥門滯后時間t和閥門關(guān)閉過程中原料瞬時流量q的乘積，即tq。

2 控制系統(tǒng)精度補償設(shè)計

理論上只要在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個關(guān)閉閥門的提前量Qf，在實際加料量Q=Qs-Qf（Q為實際加料量，Qs為加料量的設(shè)定值）時，控制系統(tǒng)提前輸出關(guān)閉閥門的指令。當(dāng)閥門完全關(guān)閉時，就可以消除誤差。那么合理的提前量Qf應(yīng)該與閥門動作滯后引起的誤差tq相等，即Qf=tq。

由上述可知Qf=Q-Qs，可見閥門動作滯后引起的誤差可以從控制系統(tǒng)中讀出。但是在實際生產(chǎn)過程中因為儲罐液位高度變化引起閥前流體壓力經(jīng)常變化。導(dǎo)致加料時的瞬時流量q并不穩(wěn)定，使得提前量的設(shè)定值必須根據(jù)閥前物料壓力的變化經(jīng)常修改。加之其它工況改變的因素，在實際操作中設(shè)定提前量并不能保證加料精度。

在這里我們注意到Qf=tq，既然不能得到穩(wěn)定的瞬時流量q，我們考慮縮短閥門關(guān)閉動作滯后時間t。因此我們又增加了一個預(yù)關(guān)閥加料量Qp（要求Qp>Qf），即在實際加料量Q=Qs-Qp時，控制系統(tǒng)就發(fā)出指令將閥門穩(wěn)定在一個較小的開度（ML）運行一段時間。然后在實際加料量Q=Qs-Qf時關(guān)閉閥門。這樣做的優(yōu)點在于，閥門接到關(guān)閉指令之前已經(jīng)處于一個較小的開度，閥門關(guān)閉滯后的時間t大大縮短。并且物料流量控制在一個較小的值，也比較穩(wěn)定，受閥前壓力變化的影響也減小到可以忽略。由Qf=tq，可知Qf將大大減小并且穩(wěn)定。由圖1可見閥門的動作過程。

MV：閥門開度。 MH：閥門最大開度。 ML：閥門最小開度。

Qs：加料量的設(shè)定值。 Qp：預(yù)關(guān)閥加料提前量。 Qf：加料提前量。

TW：計算實際加料量延時時間。

3 精確定量控制系統(tǒng)實現(xiàn)

CENTUM VP是橫河電機綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)（又稱DCS，集散控制系統(tǒng)）的最新產(chǎn)品系列。CENTUM VP有一個簡單而通用的結(jié)構(gòu)，包括人機界面，現(xiàn)場控制站和控制網(wǎng)絡(luò)。 它不僅支持連續(xù)和批量過程控制，而且還支持生產(chǎn)操作管理。

在此案例中我們采用CENTUM VP系統(tǒng)實現(xiàn)上節(jié)所述的補償算法，對閥門動作滯后作出有效補償。在CENTUM VP一個典型的精確加料系統(tǒng)編程組態(tài)如圖2所示：

上圖中，F(xiàn)IC102是物料實時流量，通過控制器的模擬量輸入通道進行實時監(jiān)測。PVI功能塊的功能是將現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換成實際工程值并顯示在控制系統(tǒng)。BSETU-2功能塊是流量累加批量控制塊，物料實時流量（PV）值輸入到該功能塊，該功能塊計算每批次的流量累積值也就是實際加料量，并根據(jù)實際加料量輸出控制信號，控制閥門的開度。通過設(shè)定BSETU-2中的參數(shù)，控制閥門按照我們設(shè)計的圖1的方式運行。

BSETU-2中設(shè)計的參數(shù)及其作用包括：

BSET：預(yù)加料設(shè)定值。

PLST：預(yù)關(guān)閥加料提前量，當(dāng)加料量達到（BSET-PLST）時閥門開始關(guān)閉，并關(guān)閉至最小開度。

LPV：加料提前量。閥門在加料量達到（BSET-LPV）時閥門完全關(guān)閉。

TU：閥門打開時間。閥門從關(guān)閉到最大開度的打開時間。

TD：閥門關(guān)閉時間。閥門從最大開度到完全關(guān)閉的時間。通過調(diào)節(jié)TU和TD的時間可以使閥門緩慢動作，減小流量的波動，使計量更加準(zhǔn)確。

MH：閥門的最大開度。

ML：閥門的最小開度。加料量達到（BSET-PLST）時閥門將關(guān)閉到這個開度。

TW：計算實際加料量延時時間。閥門完全關(guān)閉后延時TW時間，采集最終的流量累積值作為實際加料量。

以上參數(shù)可以在操作員操作界面更改。控制系統(tǒng)還設(shè)計了啟動、停止和暫停按鈕，保證了操作簡便可靠。系統(tǒng)具備自動控制和手動控制無擾切換功能，在需要時，操作人員可手動實現(xiàn)對現(xiàn)場閥門的開關(guān)。系統(tǒng)還設(shè)置了從新調(diào)整的功能，在出現(xiàn)較大誤差時可以設(shè)定新的（增大）總配制量，系統(tǒng)將從新計算加料量并補充各組分的原料。正產(chǎn)過程中系統(tǒng)將自動紀錄并顯示閥位狀態(tài)、預(yù)加料量、實際加料量、誤差量、誤差百分比、物料流量等各種數(shù)據(jù)，并生成報表。

4 應(yīng)用實例

深圳新宙邦科技股份有限公司是全球領(lǐng)先的電子化學(xué)品和功能材料企業(yè)。主要生產(chǎn)鋰離子電解液。

所設(shè)計的基于CENTUM VP的具有精確加料補償功能的自動批量加料系統(tǒng)，應(yīng)用于深圳新宙邦科技股份有限公司鋰電池電解液生產(chǎn)中。通過對補償參數(shù)的測定，該自動加料控制系統(tǒng)的補償效果顯著，控制精度極高。并且造作簡便可靠，取得了滿意的效果，控制精度始終保持在0.3‰以內(nèi)。下表列舉了實際的誤差范圍及允差標(biāo)準(zhǔn)。

本文介紹的是精確定量控制在鋰電池電解液生產(chǎn)中的應(yīng)用。在精細化工生產(chǎn)中凡是需要自動加料系統(tǒng)的生產(chǎn)過程普遍適用該方法，該方法具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值?？刂品桨敢部梢杂蒀ENTUM_VP集散控制系統(tǒng)移植到其它控制系統(tǒng)中。

參考文獻：

[1]王為民，王儉，邵長安.批量加料控制系統(tǒng)中的精確定量控制[J]. 自動化儀表，2009，30（07）：55-57.

[2]CENTUM VP過程控制器說明書[S].