鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線總體方案設(shè)計(jì)

楊代靜，丁國富

鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線總體方案設(shè)計(jì)

楊代靜，丁國富

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所，四川 成都 610031）

結(jié)合某企業(yè)智能生產(chǎn)線建設(shè)的工程實(shí)際，在對鋰離子電池正極材料現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)智能生產(chǎn)線建設(shè)需求，然后對鋰離子電池正極材料的智能生產(chǎn)線進(jìn)行了總體方案和主要功能模塊的規(guī)劃設(shè)計(jì)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該方案對鋰離子電池正極材料生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化水平有較好地提升，更有效地保證了生產(chǎn)質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

鋰離子電池正極材料；智能生產(chǎn)線；生產(chǎn)管控

鋰離子電池正極材料包括高鎳系材料、三元材料和高電壓氧化鈷鋰材料，屬于典型的有色金屬高端功能材料。正極材料占鋰離子電池成本的40%以上，直接決定了電池的能量密度和使用壽命等性能指標(biāo)，因此鋰離子電池正極材料的性能、品質(zhì)和成本是制約鋰離子電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的瓶頸。鋰離子電池是我國新能源產(chǎn)業(yè)的重要支柱，為了滿足市場快速擴(kuò)容的需求，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的戰(zhàn)略升級，打破國外的壟斷局面，促進(jìn)動(dòng)力電池新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，需要響應(yīng)國家智能制造戰(zhàn)略，建設(shè)全自動(dòng)化高端鋰離子電池材料智能生產(chǎn)線。

大數(shù)據(jù)分析是當(dāng)前智能制造的基礎(chǔ)和核心技術(shù)，梁志宇等[1]對制造業(yè)中的大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用進(jìn)行了充分的論述。針對鋰電子電池及鋰離子電池正極材料的生產(chǎn)制備，國內(nèi)外展開了廣泛研究；王莉等[2]在分析鋰電池對正極材料的要求基礎(chǔ)上，探討了制備高性能正極材料的工藝要求及制備工藝；胡國榮[3]從合成工藝、工藝裝備、環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)安全和成本等多方面分析了高鎳三元正極材料產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)，為產(chǎn)業(yè)化制備提供了參考。當(dāng)前，不管是離散型還是流程型的制造企業(yè)，都非常有必要結(jié)合國家的制造業(yè)戰(zhàn)略，進(jìn)行智能化、信息化生產(chǎn)線的改造和建設(shè)[4-5]，目前已有從生產(chǎn)線數(shù)字化建模和生產(chǎn)仿真、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程管控等[6-9]多方面進(jìn)行深入的研究。此外文獻(xiàn)[10-12]也為本文的鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)提供了必要的參考。

本文在對某企業(yè)的工程實(shí)際需求進(jìn)行詳細(xì)分析之后，結(jié)合國家智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)行了鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線的方案設(shè)計(jì)，確保正極材料的制備質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

1 鋰離子電池材料的生產(chǎn)工藝分析

鋰離子電池正極材料通常是Li、Ni、Co、Mn等金屬元素的混合氧化物，其主要加工過程是將鋰鹽與金屬氧化物或氫氧化鈉物及添加劑按一定配比混合，混合物在800～1100℃下進(jìn)行高溫固相反應(yīng)，形成鋰與鎳鈷錳等元素的金屬氧化物，將高溫?zé)Y(jié)出來的坯料經(jīng)粗粉碎、精細(xì)粉碎至指定粒度，然后經(jīng)過篩、除鐵等工序去除物料中的雜質(zhì)，最后用真空包裝機(jī)包裝入庫，得到成品正極材料。

為了滿足高端鋰離子電池材料對品質(zhì)穩(wěn)定性的苛刻要求，同時(shí)適應(yīng)大規(guī)模定制化生產(chǎn)的客戶需求趨勢，在智能生產(chǎn)線建設(shè)時(shí)需要解決三個(gè)問題：①全密閉自動(dòng)化生產(chǎn)控制問題；②產(chǎn)品雜質(zhì)控制與生產(chǎn)環(huán)境控制問題；③批次內(nèi)一致性與批次間穩(wěn)定性問題。

正極材料的生產(chǎn)屬于流程型生產(chǎn)，各種正極材料的工藝基本相同，生產(chǎn)流程可分為一次處理和二次處理兩個(gè)工段，每個(gè)工段都包括配混料、焙燒、破碎、過篩除鐵和包裝等五大工序，每個(gè)工序又分為不同的工步。

為滿足鋰離子電池材料的生產(chǎn)要求，同時(shí)也適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線的建設(shè)，需要對原有的生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行改進(jìn)：一方面將生產(chǎn)工序劃分成配混料工段、燒結(jié)工段和后處理工段三個(gè)工段，每個(gè)工段建立獨(dú)立的控制系統(tǒng)；另一方面將工序細(xì)化為詳細(xì)的13個(gè)工步，每個(gè)工步制定詳細(xì)的自動(dòng)化方案；在每個(gè)工步之間和每個(gè)工序之間建立完善的粉末材料轉(zhuǎn)移、傳遞方案；詳細(xì)工藝流程如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的正極材料生產(chǎn)工藝流程

2 鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線總體方案設(shè)計(jì)

在分析鋰離子電池正極材料的現(xiàn)有生產(chǎn)工藝流程及相關(guān)工藝難題的基礎(chǔ)上，對相關(guān)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后，需要結(jié)合自動(dòng)化、信息化、智能化的相關(guān)技術(shù)手段，在大數(shù)據(jù)平臺的支撐下，設(shè)計(jì)鋰離子電池正極材料的智能生產(chǎn)線，應(yīng)集成數(shù)字化生產(chǎn)車間、自動(dòng)化生產(chǎn)線、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)管控系統(tǒng)及基于企業(yè)云的協(xié)同管理系統(tǒng)，總體方案如圖2所示。

圖2 鋰電池材料自動(dòng)化生產(chǎn)線的總體方案圖

各主要功能模塊描述如下：

（1）生產(chǎn)線數(shù)字化建模

在對鋰離子正極材料的產(chǎn)能需求進(jìn)行分析和對生產(chǎn)線的設(shè)備產(chǎn)能進(jìn)行配置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立包含配料、混合、裝缽、焙燒、卸缽、粉碎、過篩、除鐵、包裝等工序的加工設(shè)備模型，以及建立輥道、天車、升降機(jī)等物流設(shè)備模型，將所有設(shè)備模型按照實(shí)際生產(chǎn)線布局與配置進(jìn)行布置，建立如圖3所示的基于實(shí)際生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的虛擬三維生產(chǎn)線仿真模型。在實(shí)際生產(chǎn)車間現(xiàn)場，為了有效利用生產(chǎn)場地和車間生產(chǎn)管理，在每一個(gè)生產(chǎn)車間，實(shí)現(xiàn)每五條生產(chǎn)線并列布置的布局。

（2）生產(chǎn)過程仿真與優(yōu)化

在建立鋰離子正極材料智能生產(chǎn)線三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，利用Tecnomatix Plant Simulation軟件建立生產(chǎn)車間的二維仿真模型。圖4為車間1、2號生產(chǎn)線配混料工段的二維仿真模型，為模型配置相關(guān)工藝參數(shù)后，即可準(zhǔn)

確模擬生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)作，通過統(tǒng)計(jì)分析可獲得生產(chǎn)線的各類生產(chǎn)指標(biāo)。通過仿真可得到五條生產(chǎn)線一天的工作產(chǎn)能及生產(chǎn)率：該車間生產(chǎn)一天的投產(chǎn)量為417袋碳酸鋰和417袋前驅(qū)體，產(chǎn)能為48＋48＋48＋164＋320＝628 件；車間的生產(chǎn)率為一天產(chǎn)能/24 h＝26.2 件/h。同時(shí)可以通過生產(chǎn)過程仿真的統(tǒng)計(jì)分析可以得到生產(chǎn)線各設(shè)備的利用率，圖5為該車間第一條生產(chǎn)線上各關(guān)鍵設(shè)備的利用率，分析得到裝缽機(jī)、卸缽機(jī)、包裝機(jī)，輥道等設(shè)備的利用率很低，需要對工藝過程進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 鋰電子電池正極材料生產(chǎn)線三維模型

圖4 配混料工段二維仿真模型圖

圖5 生產(chǎn)線設(shè)備利用率的仿真分析

（3）智能生產(chǎn)線及過程控制系統(tǒng)（Process Control System，PCS）

為了實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動(dòng)化和智能化，一方面，需要在工藝裝備上安裝相應(yīng)的傳感器，采集生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行過程控制和整個(gè)生產(chǎn)線的管控。另一方面，PCS系統(tǒng)作為鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)控制生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行控制。從智能制造的角度，PCS系統(tǒng)的主要功能包括感知和控制，一方面PCS系統(tǒng)通過SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集生產(chǎn)過程中的設(shè)備信息和數(shù)據(jù)，同時(shí)PCS系統(tǒng)根據(jù)ERP的生產(chǎn)任務(wù)及已經(jīng)采集的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制。在鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線中，可以分解為前端配混料PCS系統(tǒng)、中段焙燒PCS系統(tǒng)和后段后處理PCS系統(tǒng)三個(gè)組成部分，分別采用獨(dú)立的PLC系統(tǒng)控制，系統(tǒng)之間通過TCP/IP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，相互協(xié)作，完成連續(xù)不斷的生產(chǎn)過程。在PCS系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不僅對相應(yīng)的生產(chǎn)和物流設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)也為整個(gè)的智能制造系統(tǒng)提供豐富的設(shè)備信息與信號，通過OPC協(xié)議與SCADA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為MES系統(tǒng)對生產(chǎn)的管控提供有力的數(shù)據(jù)支持。

（4）MES系統(tǒng)

MES系統(tǒng)是PCS系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的橋梁，一方面從ERP系統(tǒng)接收生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)通過PCS系統(tǒng)向智能設(shè)備傳達(dá)生產(chǎn)控制指令，一方面從智能設(shè)備采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一存儲在大數(shù)據(jù)平臺中，并向生產(chǎn)管控系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示、向ERP系統(tǒng)反饋生產(chǎn)進(jìn)度等，保證生產(chǎn)任務(wù)優(yōu)化執(zhí)行及生產(chǎn)過程優(yōu)化管理。

（5）生產(chǎn)管控系統(tǒng)

鋰離子電池正極材料生產(chǎn)的流程制造過程中，對車間的數(shù)字化、信息化程度和智能化要求比較高，同時(shí)各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、重點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等與生產(chǎn)質(zhì)量關(guān)系密切。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程透明，生產(chǎn)車間可視化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可管理、生產(chǎn)質(zhì)量可控制，需要對現(xiàn)場各類實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，并以可視化的手段分層次、有重點(diǎn)地呈現(xiàn)出各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果，并直觀提供給不同部門、不同技術(shù)層次的人員參考，最終構(gòu)建生產(chǎn)流程可視化智能管控系統(tǒng)。生產(chǎn)管控系統(tǒng)的主要功能，將

生產(chǎn)流程中實(shí)時(shí)采集的人、機(jī)、物料的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行融合、分析、處理，實(shí)現(xiàn)組態(tài)可視化展示、預(yù)警和告警等。生產(chǎn)管控系統(tǒng)對智能決策支持系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)的各種統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，動(dòng)態(tài)地向管理者和生產(chǎn)線反饋分析結(jié)果，讓相關(guān)人員充分掌握生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也可對所有信息，如質(zhì)量信息、物流信息等，進(jìn)行追溯和關(guān)聯(lián)分析，提高生產(chǎn)線的質(zhì)量管控水平。

（6）企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)

將ERP系統(tǒng)與智能設(shè)備、MES系統(tǒng)、智能管控系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)等進(jìn)行深度集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)級的資源、供應(yīng)鏈、客戶等管理和生產(chǎn)流程的協(xié)同及數(shù)據(jù)的全面貫通。同時(shí)采用互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)技術(shù)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)向分布于企業(yè)云端的各種分級終端進(jìn)行個(gè)性化業(yè)務(wù)展示，通過手機(jī)APP、電腦、Pad等設(shè)備，客戶可以動(dòng)態(tài)了解訂單進(jìn)程，管理人員可以隨時(shí)誰地實(shí)時(shí)便捷地獲取人員、物料、產(chǎn)品不良品率、能耗、績效等生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)，也可以實(shí)時(shí)掌控生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基于云端的協(xié)同管理。

（7）其他

此外，智能生產(chǎn)線的運(yùn)行還需要企業(yè)云協(xié)同平臺的支撐，企業(yè)云協(xié)同平臺是整個(gè)智能生產(chǎn)線進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和智能制造的基礎(chǔ)。根據(jù)鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)的實(shí)際需求，構(gòu)建基于企業(yè)服務(wù)總線與大數(shù)據(jù)管理技術(shù)融合的大數(shù)據(jù)集成化管理系統(tǒng)架構(gòu)，將企業(yè)的PCS系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、ERP等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理，充分發(fā)揮各個(gè)子系統(tǒng)的作用，提高企業(yè)信息化和智能化管理水平。

3 鋰離子電池正極材料生產(chǎn)線的應(yīng)用

在智能生產(chǎn)線總體方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合某鋰離子電池正極材料生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際需求，建設(shè)了包括高鎳系正極材料、三元材料和高電壓氧化鈷鋰材料的三個(gè)車間共15條全自動(dòng)密閉化的智能生產(chǎn)線，從原材料投入、加工到成品包裝，實(shí)現(xiàn)了全生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、信息化和智能化運(yùn)行。本研究工作側(cè)重在智能化生產(chǎn)線建設(shè)過程中從生產(chǎn)設(shè)備智能化改造及工藝流程智能化管控兩個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)改造。

（1）鋰離子電池正極材料關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的智能化改造升級

通過以下措施，使生產(chǎn)線具備全面的感知能力，通過車間設(shè)備傳感器與工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，可以將工藝與生產(chǎn)控制所需信息與實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成到生產(chǎn)管控系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。

①儲料設(shè)備加裝重量傳感器，為生產(chǎn)線上所有料倉、合批機(jī)等具有物料儲存功能的設(shè)備配置3套重量傳感器；

②所有機(jī)械式儀器儀表更換為數(shù)字化儀表，如輥道窯機(jī)械式電流電壓表更換為數(shù)字式智能電流電壓表、電磁除鐵器勵(lì)磁電流電壓表更換為數(shù)字式電流電壓表、溫度傳感器增加485通訊接口；

③為高速混合機(jī)投料口增加電控鎖，通過與MES系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)增加防誤投料功能；

④為不具備通訊能力的PLC增加通訊模塊；

⑤梳理生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址，編制統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)地址表，形成生產(chǎn)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)。

（2）建立信息化生產(chǎn)流程管控體系

為實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控與透明化、人性化、可視化、信息化管理，設(shè)計(jì)了生產(chǎn)流程管控系統(tǒng)，在相關(guān)軟件開發(fā)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線的可視化生產(chǎn)管控。如圖6所示，鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線的可視化管控系統(tǒng)首先從生產(chǎn)設(shè)備和物流設(shè)備采集信息和數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到云端，也就是企業(yè)協(xié)同云平臺，在進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析及挖掘的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)車間級和設(shè)備級的可視化狀態(tài)監(jiān)控。

圖6 生產(chǎn)流程可視化管控系統(tǒng)

圖7所示界面為生產(chǎn)管理人員通過生產(chǎn)管控軟件對生產(chǎn)線窯爐電壓/電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集與監(jiān)控，為實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)提供了良好的數(shù)據(jù)支持。

在整個(gè)鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，通過生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)與PCS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的深度融合，解決了當(dāng)前生產(chǎn)制造系統(tǒng)對流程型行業(yè)適應(yīng)性差的問題，通過相關(guān)流程管控算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程各工序批次全部由生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)自動(dòng)生成，不需要人為干預(yù)，極大地提高了生產(chǎn)線的智能化水平。

圖7 某車間1#生產(chǎn)線窯爐實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文結(jié)合某企業(yè)鋰離子電池正極材料生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際需求和國家智能制造戰(zhàn)略，針對流程型生產(chǎn)模式，設(shè)計(jì)并建設(shè)了鋰離子電池正極材料智能生產(chǎn)線。

智能生產(chǎn)線的建設(shè)，一方面，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，產(chǎn)品的產(chǎn)量從智能化生產(chǎn)線建設(shè)之前的8600 t提高到9500 t，并且還在穩(wěn)步提高；另一方面，提升了生產(chǎn)企業(yè)在鋰離子電池正極材料生產(chǎn)線的智能化、信息化和自動(dòng)化的水平，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線的透明化管控與精益生產(chǎn)管理。

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Overall Scheme Design of Intelligent Production Line for Lithium-Ion Battery Cathode Materials

YANG Daijing，DING Guofu

(Institute of Advanced Design and Manufacturing, School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Combined with the engineering practice of the construction of an intelligent production line for lithium-ion battery cathode materials in an enterprise, first of all, based on the analysis of the existing production process of lithium-ion battery cathode materials, the existing production process is improved to meet the needs of intelligent production line construction. Next, the overall scheme and the planning and design of the main functional modules for the intelligent production line of lithium-ion battery cathode materials are carried out. The intelligent production line has been implemented in the actual production of enterprises. The actual operation results of the production line after the transformation show that the program has improved the automation and intelligence level of the production of lithium-ion battery cathode materials, the production quality is more effectively guaranteed and the production efficiency has been improved.

lithium-ion battery cathode material；intelligent production line；production control

TN805

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.012

1006-0316 (2022) 03-0074-07

2021-12-30

2017國家工信部智能制造專項(xiàng)項(xiàng)目——高端鋰離子電池材料智能生產(chǎn)車間

楊代靜（1994－），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化，E-mail：daijing_yang@foxmail.com；丁國富（1972－），男，四川樂至人，工學(xué)博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐詳?shù)字化設(shè)計(jì)與制造為核心的先進(jìn)制造技術(shù)研究。