鋰電池電解液生產中的精確定量控制

徐穎棟

摘 要：電解液是鋰離子電池的關鍵材料。生產過程中原材料的精確配比決定電解液的產品質量。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行機構動作滯后，據此提出了補償方法。利用CENTUM_VP集散控制系統實現了改良后的批量加料控制，該系統已經應用在深圳新宙邦科技股份有限公司生產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，具有極高的應用價值。

關鍵詞：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的必要，它直接決定電解液的評估指標。因此對精確加料的可靠性，準確性有極高的要求。隨著自動化系統的不斷發展，采用自動加料控制系統是有效提升自動化水平，提高生產效率和產品質量的有效手段之一。

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，提出了相應的補償措施。還將采用CENTUM_VP集散控制系統實現電解液配制過程中的精確控制。在實際生產應用中證明，加入補償系統的精確加料控制系統，加料精度明顯提高。生產安全性和生產效率也有了顯著提升，增加了企業效益。

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期加料量的誤差。包括實際加料總量與預期加料總量的誤差，以及各個組分原料的實際加料量和預期加料量的誤差。

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中，控制系統根據加料的配方計算出預期加料量，當實際加料量達到預期加料量時，關閉閥門。從控制器輸出關閉閥門的信號到現場閥門完全關閉的過程，也就是閥門關閉滯后的時間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和閥門關閉過程中原料瞬時流量q的乘積，即tq。

2 控制系統精度補償設計

理論上只要在控制系統中設置一個關閉閥門的提前量Qf，在實際加料量Q=Qs-Qf（Q為實際加料量，Qs為加料量的設定值）時，控制系統提前輸出關閉閥門的指令。當閥門完全關閉時，就可以消除誤差。那么合理的提前量Qf應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中讀出。但是在實際生產過程中因為儲罐液位高度變化引起閥前流體壓力經常變化。導致加料時的瞬時流量q并不穩定，使得提前量的設定值必須根據閥前物料壓力的變化經常修改。加之其它工況改變的因素，在實際操作中設定提前量并不能保證加料精度。

在這里我們注意到Qf=tq，既然不能得到穩定的瞬時流量q，我們考慮縮短閥門關閉動作滯后時間t。因此我們又增加了一個預關閥加料量Qp（要求Qp>Qf），即在實際加料量Q=Qs-Qp時，控制系統就發出指令將閥門穩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時關閉閥門。這樣做的優點在于，閥門接到關閉指令之前已經處于一個較小的開度，閥門關閉滯后的時間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：加料量的設定值。 Qp：預關閥加料提前量。 Qf：加料提前量。

TW：計算實際加料量延時時間。

3 精確定量控制系統實現

CENTUM VP是橫河電機綜合生產控制系統（又稱DCS，集散控制系統）的最新產品系列。CENTUM VP有一個簡單而通用的結構，包括人機界面，現場控制站和控制網絡。 它不僅支持連續和批量過程控制，而且還支持生產操作管理。

在此案例中我們采用CENTUM VP系統實現上節所述的補償算法，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編程組態如圖2所示：

上圖中，FIC102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測。PVI功能塊的功能是將現場信號轉換成實際工程值并顯示在控制系統。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，并根據實際加料量輸出控制信號，控制閥門的開度。通過設定BSETU-2中的參數，控制閥門按照我們設計的圖1的方式運行。

BSETU-2中設計的參數及其作用包括：

BSET：預加料設定值。

PLST：預關閥加料提前量，當加料量達到（BSET-PLST）時閥門開始關閉，并關閉至最小開度。

LPV：加料提前量。閥門在加料量達到（BSET-LPV）時閥門完全關閉。

TU：閥門打開時間。閥門從關閉到最大開度的打開時間。

TD：閥門關閉時間。閥門從最大開度到完全關閉的時間。通過調節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）時閥門將關閉到這個開度。

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

以上參數可以在操作員操作界面更改。控制系統還設計了啟動、停止和暫停按鈕，保證了操作簡便可靠。系統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對現場閥門的開關。系統還設置了從新調整的功能，在出現較大誤差時可以設定新的（增大）總配制量，系統將從新計算加料量并補充各組分的原料。正產過程中系統將自動紀錄并顯示閥位狀態、預加料量、實際加料量、誤差量、誤差百分比、物料流量等各種數據，并生成報表。

4 應用實例

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

所設計的基于CENTUM VP的具有精確加料補償功能的自動批量加料系統，應用于深圳新宙邦科技股份有限公司鋰電池電解液生產中。通過對補償參數的測定，該自動加料控制系統的補償效果顯著，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。下表列舉了實際的誤差范圍及允差標準。

本文介紹的是精確定量控制在鋰電池電解液生產中的應用。在精細化工生產中凡是需要自動加料系統的生產過程普遍適用該方法，該方法具有廣泛的推廣和應用價值。控制方案也可以由CENTUM_VP集散控制系統移植到其它控制系統中。

參考文獻：

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

[2]CENTUM VP過程控制器說明書[S].