鋰電正極材料數字化車間建設指南

曾帥強、謝禮飛、何易鵬、顏秀文、王建業

（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，系國家大力支持發展的新型產業。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成本。目前多數企業已經實現了鋰電正極材料生產線的自動化，但只有極少數生產線實現了局部的數字化和智能化。

隨著中國制造2025的政策驅動和工業互聯網的推廣普及，多數企業開始大力推動鋰電材料車間生產線的自動化工作，這一方面解決了國內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效率、產品質量和產品一致性，為企業創造了更高效益。

自動化是數字化的基礎，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信息、產品工藝信息、產品質量信息、能耗信息、故障信息等進行實時監控、反饋、分析以及輔助管理層決策，建設鋰電正極材料數字化車間尤為迫切。

2 工藝流程與設備

鋰電正極材料生產車間為典型流程型車間，其生產工藝流程包括：混配料、一次燒結、一次粉碎、包覆、二次燒結、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 數據采集

鋰電正極材料生產過程會產生大量的數據，包括設備運行數據、物料計量數據、工藝參數數據、傳感器反饋數據、產品在線質量檢測數據、現場監控數據等等，這些數據形成信息流。根據數據類型與接收對象的不同，這些數據可以傳遞給設備管理人員，可以傳遞給工藝管理人員，也可以傳遞給質量管理人員。

在非數字化車間，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據，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數據，及時的獲取最新動態的、最全面的信息，可以通過在車間部署數據采集裝置來獲取信息。這些數據采集裝置包括設備原本自帶的通訊反饋裝置，以及專用數據采集網關[4]。

鋰電正極材料車間所需采集的數據可以分為設備運行狀態數據、生產工藝數據、產品質量數據和車間監控數據四類。設備運行狀態數據主要包括：設備運行時的電流、電壓、轉速、頻率、開/關機時間時長等；生產工藝數據主要包括：物料配比、批次計量、混合時長、燒結溫度、進氣量、排氣量等；產品質量數據主要是指：物料粒度、金屬異物含量、PH值、比表面積、密度等；車間監控數據主要指車間內設備、人員、安全、廠務等監控數據。

數據采集要根據企業生產管理的需要進行部署，既要保證基本數據的全面采集，又要有所側重、兼顧成本。

圖3 鋰電正極材料數字化車間網絡架構

4 車間網絡層級與通訊要求

實現鋰電正極材料車間數字化目標，需要部署車間級通訊網絡。網絡架構分為設備層、執行層和管理層，如圖3所示。

設備層采用Modbus或Profibus等通訊協議與傳感器、分布式I/O交互數據，實現對配混料設備、破碎設備、包裝設備、燒結設備的通訊與控制。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工業以太網接口。

執行層采用工業以太網總線通訊，實現車間主生產設備與工程師站、巡檢系統相互連接，對生產設備進行監控，查詢故障設備報警信息以及對故障設備進行維護，同時進行生產計劃與調度、工藝管理、設備管理、質量管理、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（企業資源規劃）、SRM（供應鏈管理）等信息化軟件實現企業運營與供銷管理。

圖4 鋰電正極材料數字化車間信息管理系統

5 數字化車間信息管理系統

鋰電車間信息管理系統（圖4）將車間設備層、執行層和管理互聯成一個有機的整體，實現各個層級之間、層級內部的數據互通、信息自流動。設備層采集到的各類數據，經車間網絡系統傳輸至執行層，數據經過分析、處理后形成指令反饋回設備層，形成一個信息閉環。這些不同類型的數據流閉環形成生產計劃、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，執行層的數據會傳達至管理層，數據經分析處理后形成決策指令傳回執行層，形成一個信息閉環。這些信息閉環直接作用于企業資源規劃管理和供應鏈管理等的決策。

6 結論與展望

鋰電正極材料數字化車間是智能制造和工業互聯網大環境下的必然產物，代表了先進生產力的發展方向。其數字化、信息化特點使得車間海量數據可以全盤采集、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據做出正確的判斷和決策。

同時，鋰電正極材料數字化車間還為智能工廠的建設打下堅實基礎。通過工業互聯網、云平臺和工業APP，可以實現智能排產、智能產銷、個性化定制，還可以建立數字孿生工廠進行工藝仿真優化等。數字化車間具有非常廣闊的前景，將成為第四次工業革命的主要戰場。