锂电正极材料数字化车间建设指南

曾帅强、谢礼飞、何易鹏、颜秀文、王建业

（1.湖南烁科热工智能装备有限公司，长沙 410111；2.中国电子科技集团公司第四十八研究所 长沙 410111）

1 背景

锂电池属新能源行业，系国家大力支持发展的新型产业。锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等构成。其中，正极材料是锂电池最为关键的原材料，是决定锂电池性能提升的关键，占锂电池成本40%以上，也直接决定了电池的生产成本。目前多数企业已经实现了锂电正极材料生产线的自动化，但只有极少数生产线实现了局部的数字化和智能化。

随着中国制造2025的政策驱动和工业互联网的推广普及，多数企业开始大力推动锂电材料车间生产线的自动化工作，这一方面解决了国内人工成本不断提高带来的人工成本问题，另一方面提高了生产效率、产品质量和产品一致性，为企业创造了更高效益。

自动化是数字化的基础，自动化解决了机器替代体力劳动的问题，但未能解决替代脑力劳动和智能决策的问题，自动化设备运行过程中源源不断发生的信息流却得不到通畅传达和充分有效利用[2，3]。为了进一步加强对自动化设备的运行状态信息、产品工艺信息、产品质量信息、能耗信息、故障信息等进行实时监控、反馈、分析以及辅助管理层决策，建设锂电正极材料数字化车间尤为迫切。

2 工艺流程与设备

锂电正极材料生产车间为典型流程型车间，其生产工艺流程包括：混配料、一次烧结、一次粉碎、包覆、二次烧结、二次粉碎、混批、除磁、包装。典型工艺流程如图1所示。

图1 锂电正极材料工艺流程

生产工艺所需设备包括：称重料仓、螺旋输送机、高速混合机、辊道炉、旋轮磨机、气流磨机、超细粉碎机、振动筛、除铁器、吨袋包装机等。典型设备流程如图2所示。

图2 锂电正极材料设备流程

3 数据采集

锂电正极材料生产过程会产生大量的数据，包括设备运行数据、物料计量数据、工艺参数数据、传感器反馈数据、产品在线质量检测数据、现场监控数据等等，这些数据形成信息流。根据数据类型与接收对象的不同，这些数据可以传递给设备管理人员，可以传递给工艺管理人员，也可以传递给质量管理人员。

在非数字化车间，车间管理人员只能从不同设备的仪表或控制显示屏来获取相关数据，通常需要安排人员进行定期抄录。为了能够更加方便、实时的掌握车间的各种生产数据，及时的获取最新动态的、最全面的信息，可以通过在车间部署数据采集装置来获取信息。这些数据采集装置包括设备原本自带的通讯反馈装置，以及专用数据采集网关[4]。

锂电正极材料车间所需采集的数据可以分为设备运行状态数据、生产工艺数据、产品质量数据和车间监控数据四类。设备运行状态数据主要包括：设备运行时的电流、电压、转速、频率、开/关机时间时长等；生产工艺数据主要包括：物料配比、批次计量、混合时长、烧结温度、进气量、排气量等；产品质量数据主要是指：物料粒度、金属异物含量、PH值、比表面积、密度等；车间监控数据主要指车间内设备、人员、安全、厂务等监控数据。

数据采集要根据企业生产管理的需要进行部署，既要保证基本数据的全面采集，又要有所侧重、兼顾成本。

图3 锂电正极材料数字化车间网络架构

4 车间网络层级与通讯要求

实现锂电正极材料车间数字化目标，需要部署车间级通讯网络。网络架构分为设备层、执行层和管理层，如图3所示。

设备层采用Modbus或Profibus等通讯协议与传感器、分布式I/O交互数据，实现对配混料设备、破碎设备、包装设备、烧结设备的通讯与控制。时间分辨粒度可为秒、毫秒、微秒。各种传感器（光电开关、行程开关、光纤传感器等）、变送器（差压变送器、温度变送器等）、执行器、RTU、条码/二维码扫描器、RFID、以及上下料机器人、搬运AGV、自动化仓储设备等智能装备在此层运行。智能仪器仪表、控制器、上位机、服务器等可以是RS-232、RS-485、RS-422串行通信接口或RJ-45工业以太网接口。

执行层采用工业以太网总线通讯，实现车间主生产设备与工程师站、巡检系统相互连接，对生产设备进行监控，查询故障设备报警信息以及对故障设备进行维护，同时进行生产计划与调度、工艺管理、设备管理、质量管理、安全管理、能源管理等。时间分辨粒度可为时、分、秒、毫秒。

管理层采用ERP（企业资源规划）、SRM（供应链管理）等信息化软件实现企业运营与供销管理。

图4 锂电正极材料数字化车间信息管理系统

5 数字化车间信息管理系统

锂电车间信息管理系统（图4）将车间设备层、执行层和管理互联成一个有机的整体，实现各个层级之间、层级内部的数据互通、信息自流动。设备层采集到的各类数据，经车间网络系统传输至执行层，数据经过分析、处理后形成指令反馈回设备层，形成一个信息闭环。这些不同类型的数据流闭环形成生产计划、工艺管理、设备管理、物料管理、能源管理等10个功能模块。

同时，执行层的数据会传达至管理层，数据经分析处理后形成决策指令传回执行层，形成一个信息闭环。这些信息闭环直接作用于企业资源规划管理和供应链管理等的决策。

6 结论与展望

锂电正极材料数字化车间是智能制造和工业互联网大环境下的必然产物，代表了先进生产力的发展方向。其数字化、信息化特点使得车间海量数据可以全盘采集、实时传导并储存记录，可以让车间信息变得透明，方便车间管理者和决策者有效的通过实时数据做出正确的判断和决策。

同时，锂电正极材料数字化车间还为智能工厂的建设打下坚实基础。通过工业互联网、云平台和工业APP，可以实现智能排产、智能产销、个性化定制，还可以建立数字孪生工厂进行工艺仿真优化等。数字化车间具有非常广阔的前景，将成为第四次工业革命的主要战场。