鋰離子電池正極材料智能生產線總體方案設計

楊代靜，丁國富

鋰離子電池正極材料智能生產線總體方案設計

楊代靜，丁國富

（西南交通大學 機械工程學院 先進設計與制造技術研究所，四川 成都 610031）

結合某企業智能生產線建設的工程實際，在對鋰離子電池正極材料現有生產工藝進行分析的基礎上，對現有生產工藝過程進行改進，以適應智能生產線建設需求，然后對鋰離子電池正極材料的智能生產線進行了總體方案和主要功能模塊的規劃設計。實際運行結果表明該方案對鋰離子電池正極材料生產的自動化和智能化水平有較好地提升，更有效地保證了生產質量，提高了生產效率。

鋰離子電池正極材料；智能生產線；生產管控

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，因此鋰離子電池正極材料的性能、品質和成本是制約鋰離子電池產業快速發展的瓶頸。鋰離子電池是我國新能源產業的重要支柱，為了滿足市場快速擴容的需求，實現制造業的戰略升級，打破國外的壟斷局面，促進動力電池新能源產業的快速發展，需要響應國家智能制造戰略，建設全自動化高端鋰離子電池材料智能生產線。

大數據分析是當前智能制造的基礎和核心技術，梁志宇等[1]對制造業中的大數據分析和應用進行了充分的論述。針對鋰電子電池及鋰離子電池正極材料的生產制備，國內外展開了廣泛研究；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、環境保護、生產安全和成本等多方面分析了高鎳三元正極材料產業化的難點，為產業化制備提供了參考。當前，不管是離散型還是流程型的制造企業，都非常有必要結合國家的制造業戰略，進行智能化、信息化生產線的改造和建設[4-5]，目前已有從生產線數字化建模和生產仿真、制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）設計、生產過程管控等[6-9]多方面進行深入的研究。此外文獻[10-12]也為本文的鋰離子電池正極材料智能生產線方案設計提供了必要的參考。

本文在對某企業的工程實際需求進行詳細分析之后，結合國家智能制造發展戰略，進行了鋰離子電池正極材料智能生產線的方案設計，確保正極材料的制備質量，提高生產效率。

1 鋰離子電池材料的生產工藝分析

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℃下進行高溫固相反應，形成鋰與鎳鈷錳等元素的金屬氧化物，將高溫燒結出來的坯料經粗粉碎、精細粉碎至指定粒度，然后經過篩、除鐵等工序去除物料中的雜質，最后用真空包裝機包裝入庫，得到成品正極材料。

為了滿足高端鋰離子電池材料對品質穩定性的苛刻要求，同時適應大規模定制化生產的客戶需求趨勢，在智能生產線建設時需要解決三個問題：①全密閉自動化生產控制問題；②產品雜質控制與生產環境控制問題；③批次內一致性與批次間穩定性問題。

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

為滿足鋰離子電池材料的生產要求，同時也適應自動化生產線的建設，需要對原有的生產工藝過程進行改進：一方面將生產工序劃分成配混料工段、燒結工段和后處理工段三個工段，每個工段建立獨立的控制系統；另一方面將工序細化為詳細的13個工步，每個工步制定詳細的自動化方案；在每個工步之間和每個工序之間建立完善的粉末材料轉移、傳遞方案；詳細工藝流程如圖1所示。

圖1 改進后的正極材料生產工藝流程

2 鋰離子電池正極材料智能生產線總體方案設計

在分析鋰離子電池正極材料的現有生產工藝流程及相關工藝難題的基礎上，對相關生產工藝進行改進優化后，需要結合自動化、信息化、智能化的相關技術手段，在大數據平臺的支撐下，設計鋰離子電池正極材料的智能生產線，應集成數字化生產車間、自動化生產線、生產執行系統、生產管控系統及基于企業云的協同管理系統，總體方案如圖2所示。

圖2 鋰電池材料自動化生產線的總體方案圖

各主要功能模塊描述如下：

（1）生產線數字化建模

在對鋰離子正極材料的產能需求進行分析和對生產線的設備產能進行配置設計的基礎上，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備模型，以及建立輥道、天車、升降機等物流設備模型，將所有設備模型按照實際生產線布局與配置進行布置，建立如圖3所示的基于實際生產線數據的虛擬三維生產線仿真模型。在實際生產車間現場，為了有效利用生產場地和車間生產管理，在每一個生產車間，實現每五條生產線并列布置的布局。

（2）生產過程仿真與優化

在建立鋰離子正極材料智能生產線三維實體模型的基礎上，利用Tecnomatix Plant Simulation軟件建立生產車間的二維仿真模型。圖4為車間1、2號生產線配混料工段的二維仿真模型，為模型配置相關工藝參數后，即可準

確模擬生產線實際運作，通過統計分析可獲得生產線的各類生產指標。通過仿真可得到五條生產線一天的工作產能及生產率：該車間生產一天的投產量為417袋碳酸鋰和417袋前驅體，產能為48＋48＋48＋164＋320＝628 件；車間的生產率為一天產能/24 h＝26.2 件/h。同時可以通過生產過程仿真的統計分析可以得到生產線各設備的利用率，圖5為該車間第一條生產線上各關鍵設備的利用率，分析得到裝缽機、卸缽機、包裝機，輥道等設備的利用率很低，需要對工藝過程進行改進。

圖3 鋰電子電池正極材料生產線三維模型

圖4 配混料工段二維仿真模型圖

圖5 生產線設備利用率的仿真分析

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

為了實現工藝流程的自動化和智能化，一方面，需要在工藝裝備上安裝相應的傳感器，采集生產過程中的實時數據，便于進行過程控制和整個生產線的管控。另一方面，PCS系統作為鋰離子電池正極材料智能生產線的關鍵組成部分，負責控制生產設備的自動化運行控制。從智能制造的角度，PCS系統的主要功能包括感知和控制，一方面PCS系統通過SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）數據采集系統采集生產過程中的設備信息和數據，同時PCS系統根據ERP的生產任務及已經采集的生產設備數據對生產設備進行控制。在鋰離子電池正極材料智能生產線中，可以分解為前端配混料PCS系統、中段焙燒PCS系統和后段后處理PCS系統三個組成部分，分別采用獨立的PLC系統控制，系統之間通過TCP/IP工業網絡進行通訊，相互協作，完成連續不斷的生產過程。在PCS系統運行過程中，不僅對相應的生產和物流設備進行控制，同時也為整個的智能制造系統提供豐富的設備信息與信號，通過OPC協議與SCADA數據采集系統進行數據交換，為MES系統對生產的管控提供有力的數據支持。

（4）MES系統

MES系統是PCS系統和ERP系統的橋梁，一方面從ERP系統接收生產任務，同時通過PCS系統向智能設備傳達生產控制指令，一方面從智能設備采集生產數據，統一存儲在大數據平臺中，并向生產管控系統傳送數據進行可視化展示、向ERP系統反饋生產進度等，保證生產任務優化執行及生產過程優化管理。

（5）生產管控系統

鋰離子電池正極材料生產的流程制造過程中，對車間的數字化、信息化程度和智能化要求比較高，同時各種生產數據、環境數據、重點設備狀態數據等與生產質量關系密切。為實現生產過程透明，生產車間可視化、生產數據可管理、生產質量可控制，需要對現場各類實時監控數據進行集中統一管理，并以可視化的手段分層次、有重點地呈現出各類實時數據及其分析結果，并直觀提供給不同部門、不同技術層次的人員參考，最終構建生產流程可視化智能管控系統。生產管控系統的主要功能，將

生產流程中實時采集的人、機、物料的動態信息進行融合、分析、處理，實現組態可視化展示、預警和告警等。生產管控系統對智能決策支持系統、ERP系統的各種統計分析數據進行可視化展示，動態地向管理者和生產線反饋分析結果，讓相關人員充分掌握生產系統的運行狀態，同時也可對所有信息，如質量信息、物流信息等，進行追溯和關聯分析，提高生產線的質量管控水平。

（6）企業資源計劃（ERP）系統

將ERP系統與智能設備、MES系統、智能管控系統、智能決策系統等進行深度集成，實現企業級的資源、供應鏈、客戶等管理和生產流程的協同及數據的全面貫通。同時采用互聯網云服務技術，將生產數據向分布于企業云端的各種分級終端進行個性化業務展示，通過手機APP、電腦、Pad等設備，客戶可以動態了解訂單進程，管理人員可以隨時誰地實時便捷地獲取人員、物料、產品不良品率、能耗、績效等生產經營數據，也可以實時掌控生產線的運行狀態，實現基于云端的協同管理。

（7）其他

此外，智能生產線的運行還需要企業云協同平臺的支撐，企業云協同平臺是整個智能生產線進行大數據分析和智能制造的基礎。根據鋰離子電池正極材料智能生產的實際需求，構建基于企業服務總線與大數據管理技術融合的大數據集成化管理系統架構，將企業的PCS系統、MES系統、ERP等系統的數據進行集成管理，充分發揮各個子系統的作用，提高企業信息化和智能化管理水平。

3 鋰離子電池正極材料生產線的應用

在智能生產線總體方案設計基礎上，結合某鋰離子電池正極材料生產企業的實際需求，建設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車間共15條全自動密閉化的智能生產線，從原材料投入、加工到成品包裝，實現了全生產過程的自動化、信息化和智能化運行。本研究工作側重在智能化生產線建設過程中從生產設備智能化改造及工藝流程智能化管控兩個方面進行技術改造。

（1）鋰離子電池正極材料關鍵生產設備的智能化改造升級

通過以下措施，使生產線具備全面的感知能力，通過車間設備傳感器與工業通信網絡，可以將工藝與生產控制所需信息與實時生產數據集成到生產管控系統中進行顯示。

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

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

③為高速混合機投料口增加電控鎖，通過與MES系統聯動增加防誤投料功能；

④為不具備通訊能力的PLC增加通訊模塊；

⑤梳理生產設備網絡地址，編制統一的網絡地址表，形成生產設備物聯網。

（2）建立信息化生產流程管控體系

為實現車間生產線的實時數據監控與透明化、人性化、可視化、信息化管理，設計了生產流程管控系統，在相關軟件開發的基礎上，實現了鋰離子電池正極材料智能生產線的可視化生產管控。如圖6所示，鋰離子電池正極材料智能生產線的可視化管控系統首先從生產設備和物流設備采集信息和數據，然后通過網絡傳遞到云端，也就是企業協同云平臺，在進行大數據分析及挖掘的基礎上，實現車間級和設備級的可視化狀態監控。

圖6 生產流程可視化管控系統

圖7所示界面為生產管理人員通過生產管控軟件對生產線窯爐電壓/電流數據進行實時準確采集與監控，為實現精益化生產提供了良好的數據支持。

在整個鋰離子電池正極材料智能生產線的設計和實施過程中，通過生產制造執行系統與PCS系統中數據采集系統的深度融合，解決了當前生產制造系統對流程型行業適應性差的問題，通過相關流程管控算法的設計，實現了生產過程各工序批次全部由生產制造執行系統自動生成，不需要人為干預，極大地提高了生產線的智能化水平。

圖7 某車間1#生產線窯爐實時生產監測數據

4 結語

本文結合某企業鋰離子電池正極材料生產企業的實際需求和國家智能制造戰略，針對流程型生產模式，設計并建設了鋰離子電池正極材料智能生產線。

智能生產線的建設，一方面，提升了產品的質量和生產效率，產品的產量從智能化生產線建設之前的8600 t提高到9500 t，并且還在穩步提高；另一方面，提升了生產企業在鋰離子電池正極材料生產線的智能化、信息化和自動化的水平，實現了產線的透明化管控與精益生產管理。

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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項目——高端鋰離子電池材料智能生產車間

楊代靜（1994－），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為機械制造及其自動化，E-mail：daijing_yang@foxmail.com；丁國富（1972－），男，四川樂至人，工學博士，教授、博士生導師，主要研究方向為以數字化設計與制造為核心的先進制造技術研究。