徐穎棟

摘 要：電解液是鋰離子電池的關(guān)鍵材料。生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中對(duì)控制精度有嚴(yán)格的要求。本文認(rèn)為影響控制精度的主要因素是執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作滯后，據(jù)此提出了補(bǔ)償方法。利用CENTUM_VP集散控制系統(tǒng)實(shí)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(guò)程中，并獲得了滿(mǎn)意的效果，計(jì)量精度控制在0.3‰以?xún)?nèi)，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電解液；CENTUM_VP；精度定量；補(bǔ)償；閥門(mén)動(dòng)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(jī)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(yán)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(píng)估指標(biāo)。因此對(duì)精確加料的可靠性，準(zhǔn)確性有極高的要求。隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷發(fā)展，采用自動(dòng)加料控制系統(tǒng)是有效提升自動(dòng)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(guò)程中，閥門(mén)動(dòng)作滯后對(duì)加料精度有重要影響。通過(guò)分析閥門(mén)動(dòng)作滯后對(duì)精確加料的影響方式及原理，提出了相應(yīng)的補(bǔ)償措施。還將采用CENTUM_VP集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電解液配制過(guò)程中的精確控制。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中證明，加入補(bǔ)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(mén)動(dòng)作滯后對(duì)精度的影響

在電解液配制過(guò)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(shí)際加料量和預(yù)期加料量的誤差。包括實(shí)際加料總量與預(yù)期加料總量的誤差，以及各個(gè)組分原料的實(shí)際加料量和預(yù)期加料量的誤差。

閥門(mén)動(dòng)作滯后是影響加料精度的主要因素。在沒(méi)有補(bǔ)償功能的控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)加料的配方計(jì)算出預(yù)期加料量，當(dāng)實(shí)際加料量達(dá)到預(yù)期加料量時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)。從控制器輸出關(guān)閉閥門(mén)的信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)完全關(guān)閉的過(guò)程，也就是閥門(mén)關(guān)閉滯后的時(shí)間t，包括繼電器動(dòng)作時(shí)間和閥門(mén)動(dòng)作時(shí)間。閥門(mén)關(guān)閉動(dòng)作滯后一定會(huì)引起誤差。誤差量是閥門(mén)滯后時(shí)間t和閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中原料瞬時(shí)流量q的乘積，即tq。

2 控制系統(tǒng)精度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

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

由上述可知Qf=Q-Qs，可見(jiàn)閥門(mén)動(dòng)作滯后引起的誤差可以從控制系統(tǒng)中讀出。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)閮?chǔ)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(shí)的瞬時(shí)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(shí)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(shí)流量q，我們考慮縮短閥門(mén)關(guān)閉動(dòng)作滯后時(shí)間t。因此我們又增加了一個(gè)預(yù)關(guān)閥加料量Qp（要求Qp>Qf），即在實(shí)際加料量Q=Qs-Qp時(shí)，控制系統(tǒng)就發(fā)出指令將閥門(mén)穩(wěn)定在一個(gè)較小的開(kāi)度（ML）運(yùn)行一段時(shí)間。然后在實(shí)際加料量Q=Qs-Qf時(shí)關(guān)閉閥門(mén)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，閥門(mén)接到關(guān)閉指令之前已經(jīng)處于一個(gè)較小的開(kāi)度，閥門(mén)關(guān)閉滯后的時(shí)間t大大縮短。并且物料流量控制在一個(gè)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(jiàn)閥門(mén)的動(dòng)作過(guò)程。

MV：閥門(mén)開(kāi)度。 MH：閥門(mén)最大開(kāi)度。 ML：閥門(mén)最小開(kāi)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(jì)算實(shí)際加料量延時(shí)時(shí)間。

3 精確定量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

CENTUM VP是橫河電機(jī)綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)（又稱(chēng)DCS，集散控制系統(tǒng)）的最新產(chǎn)品系列。CENTUM VP有一個(gè)簡(jiǎn)單而通用的結(jié)構(gòu)，包括人機(jī)界面，現(xiàn)場(chǎng)控制站和控制網(wǎng)絡(luò)。 它不僅支持連續(xù)和批量過(guò)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(shí)現(xiàn)上節(jié)所述的補(bǔ)償算法，對(duì)閥門(mén)動(dòng)作滯后作出有效補(bǔ)償。在CENTUM VP一個(gè)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(shí)時(shí)流量，通過(guò)控制器的模擬量輸入通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。PVI功能塊的功能是將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)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(shí)時(shí)流量（PV）值輸入到該功能塊，該功能塊計(jì)算每批次的流量累積值也就是實(shí)際加料量，并根據(jù)實(shí)際加料量輸出控制信號(hào)，控制閥門(mén)的開(kāi)度。通過(guò)設(shè)定BSETU-2中的參數(shù)，控制閥門(mén)按照我們?cè)O(shè)計(jì)的圖1的方式運(yùn)行。

BSETU-2中設(shè)計(jì)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(dá)到（BSET-PLST）時(shí)閥門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，并關(guān)閉至最小開(kāi)度。

LPV：加料提前量。閥門(mén)在加料量達(dá)到（BSET-LPV）時(shí)閥門(mén)完全關(guān)閉。

TU：閥門(mén)打開(kāi)時(shí)間。閥門(mén)從關(guān)閉到最大開(kāi)度的打開(kāi)時(shí)間。

TD：閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間。閥門(mén)從最大開(kāi)度到完全關(guān)閉的時(shí)間。通過(guò)調(diào)節(jié)TU和TD的時(shí)間可以使閥門(mén)緩慢動(dòng)作，減小流量的波動(dòng)，使計(jì)量更加準(zhǔn)確。

MH：閥門(mén)的最大開(kāi)度。

ML：閥門(mén)的最小開(kāi)度。加料量達(dá)到（BSET-PLST）時(shí)閥門(mén)將關(guān)閉到這個(gè)開(kāi)度。

TW：計(jì)算實(shí)際加料量延時(shí)時(shí)間。閥門(mén)完全關(guān)閉后延時(shí)TW時(shí)間，采集最終的流量累積值作為實(shí)際加料量。

以上參數(shù)可以在操作員操作界面更改?？刂葡到y(tǒng)還設(shè)計(jì)了啟動(dòng)、停止和暫停按鈕，保證了操作簡(jiǎn)便可靠。系統(tǒng)具備自動(dòng)控制和手動(dòng)控制無(wú)擾切換功能，在需要時(shí)，操作人員可手動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的開(kāi)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(shí)可以設(shè)定新的（增大）總配制量，系統(tǒng)將從新計(jì)算加料量并補(bǔ)充各組分的原料。正產(chǎn)過(guò)程中系統(tǒng)將自動(dòng)紀(jì)錄并顯示閥位狀態(tài)、預(yù)加料量、實(shí)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(bào)表。

4 應(yīng)用實(shí)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(jì)的基于CENTUM VP的具有精確加料補(bǔ)償功能的自動(dòng)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(guò)對(duì)補(bǔ)償參數(shù)的測(cè)定，該自動(dòng)加料控制系統(tǒng)的補(bǔ)償效果顯著，控制精度極高。并且造作簡(jiǎn)便可靠，取得了滿(mǎn)意的效果，控制精度始終保持在0.3‰以?xún)?nèi)。下表列舉了實(shí)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(xì)化工生產(chǎn)中凡是需要自動(dòng)加料系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程普遍適用該方法，該方法具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。控制方案也可以由CENTUM_VP集散控制系統(tǒng)移植到其它控制系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

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[2]CENTUM VP過(guò)程控制器說(shuō)明書(shū)[S].