基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的NMP輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：鋰電企業(yè)的NMP新液罐區(qū)與勻漿車間往往距離較遠(yuǎn)，中間隔著廠房和馬路，當(dāng)勻漿車間需要NMP時(shí)，罐區(qū)開啟新液泵通過新液管道將NMP輸送到勻漿車間的NMP暫存罐中，勻漿車間為了滿足即用即輸?shù)膶?shí)際需要，通常采用放置線纜與罐區(qū)控制柜聯(lián)鎖的方式與罐區(qū)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，然而這種方式不僅要挖溝破路，費(fèi)時(shí)費(fèi)力還極大地增加了項(xiàng)目成本。針對這一問題，基于巨控云平臺(tái)交互技術(shù)，選用自帶I/O功能的4G通信模塊，不僅實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，省去了挖溝布線的麻煩，縮短了施工周期，還實(shí)現(xiàn)了罐區(qū)對泵閥的邏輯控制。經(jīng)設(shè)計(jì)控制電路、組立控制柜、模塊編程、云平臺(tái)組態(tài)，并完成系統(tǒng)調(diào)試后，在實(shí)現(xiàn)對罐區(qū)泵閥的邏輯控制基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了罐區(qū)與車間之間的數(shù)據(jù)交互，測試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)交互延時(shí)僅1 s，且系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，具有較好的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；NMP罐區(qū)；輸送系統(tǒng)；無線通信；云平臺(tái)；自動(dòng)控制

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.015

0 引 言

近年來，隨著我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鋰電池產(chǎn)業(yè)投資熱度不減[1-2]。N-甲基吡咯烷酮（NMP）是生產(chǎn)鋰離子電池電極的重要輔助材料，作為溶劑用來溶解/溶脹PVDF，同時(shí)稀釋漿料，使黏結(jié)劑與其他物質(zhì)充分接觸并均勻分布[3-5]。鋰電生產(chǎn)企業(yè)為保障NMP的穩(wěn)定供應(yīng)，往往需要準(zhǔn)備一定量的庫存，存儲(chǔ)在罐區(qū)NMP新液罐內(nèi)。當(dāng)勻漿車間需要NMP時(shí)，罐區(qū)開啟新液泵通過新液管道將NMP輸送到勻漿車間的NMP暫存罐中[4-5]，勻漿車間為了滿足即用即輸?shù)膶?shí)際需求，需要與罐區(qū)聯(lián)動(dòng)，即采用信號聯(lián)鎖啟動(dòng)罐區(qū)的新液泵，停止輸液時(shí)，罐區(qū)先關(guān)閉新液泵，勻漿車間延時(shí)一段時(shí)間后再關(guān)閉氣動(dòng)開關(guān)閥，防止管道憋壓[6]。通常采用敷設(shè)通信電纜（光纖）與罐區(qū)的控制柜聯(lián)鎖，然而，現(xiàn)實(shí)中罐區(qū)NMP新液罐與勻漿車間往往距離較遠(yuǎn)，中間隔有廠房和馬路，敷設(shè)通信所需的電纜（光纖）成本巨大[7]。為解決該問題，本文基于巨控物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)[8]，選用兩個(gè)自帶I/O功能的4G通信模塊設(shè)計(jì)罐區(qū)和車間的控制電路，利用模塊內(nèi)置的可邏輯編程功能，實(shí)現(xiàn)對罐區(qū)泵閥和車間操作的邏輯控制；利用該模塊的4G數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能和云端數(shù)據(jù)交互功能，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)和車間遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)交互，省去挖溝布線的麻煩，不僅縮短了施工周期，還極大地節(jié)省了項(xiàng)目成本[7-9]。

1 系統(tǒng)控制邏輯概述

為了滿足用戶就近使用的要求，設(shè)計(jì)兩個(gè)控制柜，分別安裝在罐區(qū)新液泵房和勻漿車間。

罐區(qū)新液泵房控制柜主要完成對出口流量計(jì)流量、出口電動(dòng)閥開關(guān)到位和新液罐液位的數(shù)據(jù)采集，包括對新液泵A/B、出口電動(dòng)閥的開關(guān)控制，輸出報(bào)警信號等。新液泵A/B采用“一用一備”模式，默認(rèn)啟動(dòng)A，故障時(shí)自動(dòng)切換到B。新液泵具備兩種操作模式：就地模式和遠(yuǎn)程模式。在就地模式下，通過按下罐區(qū)控制柜門上的啟/停按鈕實(shí)現(xiàn)泵的啟/停；在遠(yuǎn)程模式下，通過勻漿車間發(fā)送啟停信號，實(shí)現(xiàn)泵的啟/停。泵出口裝有電動(dòng)閥，其目的是防止液體回流，造成空管，影響計(jì)量，該電動(dòng)閥與泵啟停同步，無論泵旋鈕處于何種模式，泵啟動(dòng)的同時(shí)閥門打開，泵停止的同時(shí)閥門關(guān)閉。電動(dòng)閥完全關(guān)閉大概需要15 s，不會(huì)造成泵憋壓。

勻漿車間控制柜主要完成對泵的就地/遠(yuǎn)程啟停、故障狀態(tài)指示；對電動(dòng)閥門開關(guān)是否到位的指示；對聯(lián)鎖手自動(dòng)狀態(tài)的指示；對罐區(qū)液位高低的指示和報(bào)警蜂鳴輸出。當(dāng)聯(lián)鎖旋鈕處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，用戶通過按下柜門上的啟停按鈕，實(shí)現(xiàn)對罐區(qū)泵的遠(yuǎn)程啟停；當(dāng)聯(lián)鎖旋鈕處于自動(dòng)狀態(tài)，則依據(jù)勻漿車間給出的啟停信號，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)泵的遠(yuǎn)程啟停，具體流程如圖1所示。

在系統(tǒng)輸液過程中，如果罐區(qū)液位低，則報(bào)警指示亮，系統(tǒng)會(huì)立即停止輸液，罐區(qū)和車間控制柜的蜂鳴器同時(shí)鳴響。

2 電氣原理設(shè)計(jì)

2.1 罐區(qū)控制電路設(shè)計(jì)

罐區(qū)控制電路的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對新液泵和電動(dòng)閥的控制，依據(jù)罐區(qū)的啟停控制要求和旋鈕的不同模式設(shè)計(jì)控制電路，如圖2所示。

當(dāng)旋鈕SS01處于就地模式時(shí)，市電L01上的電流流過該旋鈕至PB01，此時(shí)按下啟動(dòng)按鈕PB01，新液泵A回路導(dǎo)通，KM101接觸器線圈得電主觸頭吸合，新液泵A運(yùn)行，且運(yùn)行指示燈PBL01亮起；當(dāng)新液泵A需要停止，旋鈕SS01仍處于就地模式時(shí)，用戶只需按下停止按鈕PB02，KM101接觸器線圈失電斷開主觸頭，且運(yùn)行指示燈PBL01熄滅，新液泵A停止運(yùn)行[10]。

當(dāng)旋鈕SS01旋到遠(yuǎn)程模式時(shí)，市電L01上的電流流到KA01觸頭，若罐區(qū)遠(yuǎn)程通信模塊接收到勻漿車間發(fā)出的啟動(dòng)信號，無線模塊立即向KA01發(fā)送導(dǎo)通信號，新液泵A回路導(dǎo)通，KM101接觸器線圈得電主觸頭吸合，新液泵A運(yùn)行，且運(yùn)行指示燈PBL01亮起；當(dāng)勻漿車間發(fā)出停止信號，罐區(qū)無線通信模塊收到后立即向KA01發(fā)送斷開信號，KM101接觸器線圈失電斷開主觸頭，且運(yùn)行指示燈PBL01熄滅，新液泵A停止運(yùn)行。

新液泵B的就地、遠(yuǎn)程啟動(dòng)原理同上，此處不再贅述。罐區(qū)新液泵出口總管的電動(dòng)閥門與新液泵采用同步控制，取新液泵A和B的接觸器常開觸點(diǎn)KM101、KM102并聯(lián)驅(qū)動(dòng)中間繼電器線圈CR101。當(dāng)新液泵A或B接觸器吸合，驅(qū)動(dòng)中繼CR101線圈得電吸合，CR101常開觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)閥的正轉(zhuǎn)線圈，實(shí)現(xiàn)閥門的聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)；新液泵A或B接觸器斷開，CR101常閉觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)閥的反轉(zhuǎn)線圈，實(shí)現(xiàn)閥門的聯(lián)動(dòng)關(guān)閉。

2.2 罐區(qū)無線模塊配置

依據(jù)罐區(qū)新液泵房控制柜所要實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：9路數(shù)字量輸入（DI），4路數(shù)字量輸出（DO），2路模擬量輸入（AI）。本文選用巨控GRM231QM1-8D4I-CLK模塊，該模塊具備4路數(shù)字量輸出（DO），16路數(shù)字量輸入（DI），4路模擬量輸入（AI），正好滿足需要。該模塊的接線圖如圖3所示。A1～A4為數(shù)字量輸出（DO）：A1、A2分別控制新液泵A、B的啟停；A3控制蜂鳴器；A4為備用DO。B1～B4為數(shù)字量輸入（DI）；X1～X5為數(shù)字量輸入（DI）；Q1～Q2為模擬量輸入（AI），分別采集流量計(jì)、液位計(jì)的信息。

2.3 車間無線模塊配置

依據(jù)勻漿車間控制柜所要實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：5路數(shù)字量輸入（DI），12路數(shù)字量輸出（DO）。本文選用巨控GRM231QM3-12DI-CLK模塊，該模塊具備12路數(shù)字量輸出（DO），12路數(shù)字量輸入（DI），正好滿足需要。該模塊的接線圖如圖4所示。X1～X4為數(shù)字量輸出（DO），分別為新液泵A/B的運(yùn)行指示燈、A/B的遠(yuǎn)程指示燈；X5～X8為數(shù)字量輸出（DO），分別為電動(dòng)閥開/關(guān)到位指示燈、新液泵A/B故障指示燈；X9～X12為數(shù)字量輸出（DO），分別為新液罐液位高指示燈、低報(bào)警指示燈、蜂鳴器和聯(lián)鎖指示燈；Q1～Q4為數(shù)字量輸入（DI），分別為新液泵A/B啟動(dòng)按鈕、新液泵A/B停止按鈕；A1～A2為數(shù)字量輸入（DI），分別為聯(lián)鎖旋鈕、備用DI。

3 控制柜設(shè)計(jì)與制作

基于圖2～圖4的接線圖，依據(jù)《GB 50054—2011低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)兩套低壓控制柜：罐區(qū)新液泵房控制柜和勻漿車間控制柜。

罐區(qū)新液泵房控制柜內(nèi)器件主要包括巨控GRM231QM1-8D4I-CLK模塊、低壓器件、直流開關(guān)電源、浪涌保護(hù)器、EMI濾波器。其中低壓器件包括主斷路器、熔斷器、電源指示燈、馬達(dá)保護(hù)器、接觸器、中間繼電器，選擇旋鈕、啟停按鈕、指示燈和蜂鳴器。直流開關(guān)電源選用明緯NDR-75-24，為系統(tǒng)提供24 V直流電壓。馬達(dá)保護(hù)器在電動(dòng)機(jī)超時(shí)啟動(dòng)、過流、欠流、斷相、堵轉(zhuǎn)、短路、過壓、欠壓、漏電（接地）、三相不平衡、過熱、軸承磨損、定轉(zhuǎn)子偏心和繞組老化時(shí)，予以保護(hù)和報(bào)警[11]，新液泵A和B的功率為2.2 kW，本文選用施耐德GV2-PM10C馬達(dá)保護(hù)器；浪涌保護(hù)器（SPD）可有效防止浪涌對控制柜內(nèi)電器的損害，本文選用施耐德EA9L208F400/3P+N；EMI濾波器（單相交流電源濾波器）可有效濾除開關(guān)噪聲和輸入線引入的諧波。控制柜采用非標(biāo)定制設(shè)計(jì)，元件排布如圖5所示。

勻漿車間控制柜內(nèi)器件主要包括巨控GRM231QM3-12DI-CLK模塊、低壓器件、直流開關(guān)電源。其中低壓器件包括主斷路器、電源指示燈、中間繼電器，選擇旋鈕、啟停按鈕、指示燈和蜂鳴器。直流開關(guān)電源選用明緯NDR-75-24，為系統(tǒng)提供24 V直流電壓。控制柜采用非標(biāo)定制設(shè)計(jì)，元件排布如圖6所示。

4 軟件編程與調(diào)試

4.1 遠(yuǎn)程模塊編程與調(diào)試

通過使用巨控GRMDEV5軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)模塊對儀表的數(shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)換，對設(shè)備狀態(tài)的讀取和命令的執(zhí)行，對控制邏輯的判斷和輸出[12]。軟件運(yùn)行后，打開左上角的文件菜單，首先選擇新建工程，選擇對應(yīng)的系列（GRM230）和具體的型號，在數(shù)據(jù)詞典下新建變量組，在新建的變量組內(nèi)新建圖3、圖4模塊接線圖上的變量和運(yùn)算過程中的中間變量，在事件控制中依據(jù)控制內(nèi)容編寫邏輯運(yùn)算程序；其次在工程選項(xiàng)的本機(jī)I/O選項(xiàng)和擴(kuò)展I/O選項(xiàng)點(diǎn)擊“綁定變量（工程值）”，選擇之前新建的變量，不綁定變量無法進(jìn)行數(shù)據(jù)外部交互；最后回到主界面點(diǎn)擊“編譯”進(jìn)行程序編譯，編譯無誤后點(diǎn)擊“通過云端下載工程”，執(zhí)行下載操作[13-14]。程序開發(fā)流程如圖7所示。

下載完程序后，檢查發(fā)現(xiàn)柜子面板上各指示燈和泵出口電動(dòng)閥門的關(guān)到位指示燈亮起，符合實(shí)際情況，如圖8所示。

4.2 數(shù)據(jù)交互云平臺(tái)的組態(tài)與調(diào)試

巨控云平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)異地模塊之間點(diǎn)對點(diǎn)開關(guān)量、模擬量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互的橋梁[15]，實(shí)現(xiàn)異地模塊之間數(shù)據(jù)交互功能的大致步驟如下：

步驟1：申請一個(gè)設(shè)備組名，登錄后，點(diǎn)擊頁面左側(cè)的設(shè)備組管理頁面，在設(shè)備管理頁面添加需要數(shù)據(jù)交互的設(shè)備ID。

步驟2：回到頁面左側(cè)，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)交換管理頁面，在交換內(nèi)容對話框里輸入需要交互的目標(biāo)設(shè)備變量名和源設(shè)備變量名，目標(biāo)設(shè)備在左側(cè)，源設(shè)備在右側(cè)，中間用“=”相連，如圖9所示。數(shù)據(jù)交換周期設(shè)置為1 s，即每隔1 s，罐區(qū)新液泵房控制柜的變量賦值給勻漿車間控制柜的變量一次。

通過后臺(tái)監(jiān)視到數(shù)據(jù)已經(jīng)從罐區(qū)的遠(yuǎn)程模塊（ID： 23509050100）傳輸?shù)杰囬g的遠(yuǎn)程模塊（ID： 23506890108），可以看到控制柜面板上對應(yīng)的指示燈已亮起，如圖10所示。

4.3 系統(tǒng)調(diào)試

提前將罐區(qū)新液泵A/B的進(jìn)出口閥門打開，由于泵出口均裝有止回閥，NMP不會(huì)在兩泵之間循環(huán)；在車間面板上按下新液泵啟動(dòng)按鈕（綠色），新液泵的運(yùn)行指示燈亮起；同時(shí)電動(dòng)閥開啟，大概15 s后，電動(dòng)閥開到位指示燈亮起。在車間面板上按下新液泵停止按鈕（紅色），新液泵立即停止，同時(shí)電動(dòng)閥關(guān)閉，電動(dòng)閥開到位指示燈熄滅，大概15 s后，電動(dòng)閥關(guān)到位指示燈亮起。

為防止新液泵抽不到液體，造成泵干磨，防止勻漿車間誤關(guān)閉閥門，造成管道憋壓，在罐區(qū)遠(yuǎn)程模塊的控制邏輯中增加“泵開無流量”事件控制，即新液泵啟動(dòng)后，泵出口流量持續(xù)10 s小于0.2 m3/h，此時(shí)，立即停止新液泵。10 s既是泵抽出流量且流量計(jì)顯示穩(wěn)定的可靠時(shí)間，又是勻漿車間誤關(guān)閥門管道憋壓的緩沖時(shí)間。時(shí)間設(shè)置過短，流量計(jì)流量無法穩(wěn)定，泵無法啟動(dòng)，時(shí)間設(shè)置過長，勻漿車間誤關(guān)閥門憋壓太久，易造成管道爆裂。0.2 m3/h既能區(qū)分泵有無流量，又能克服泵在低流量運(yùn)行時(shí)的干擾。

5 結(jié) 語

本文基于帶I/O接口的4G通信模塊設(shè)計(jì)電路，利用該模塊內(nèi)置的可編程功能，通過簡單的編程語言，實(shí)現(xiàn)對罐區(qū)泵閥和車間操作的邏輯控制，擺脫了對PLC或DCS的依賴，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了4G數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，省去了挖溝布線的麻煩，極大地縮短了施工周期，降低了成本。應(yīng)用該模塊的云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互管理功能作為橋梁，通過云管理平臺(tái)組態(tài)配置所需交互的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)異地模塊與模塊之間的點(diǎn)對點(diǎn)開關(guān)量、模擬量的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互。該平臺(tái)通過賽門鐵克安全認(rèn)證，具備定時(shí)傳輸和智能閥值判斷功能，可最大程度節(jié)約流量。經(jīng)組立控制柜、模塊編程調(diào)試和云平臺(tái)組態(tài)配置后，實(shí)現(xiàn)了罐區(qū)與廠房之間的無線數(shù)據(jù)交互，針對實(shí)際運(yùn)行過程中存在的泵抽不上液體、泵持續(xù)運(yùn)行燒壞泵頭等問題，采用出口無流量加延時(shí)來判定，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，最終確定云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互周期為1 s、延時(shí)10 s和出口流量小于0.2 m3/h作為“泵開無流量”的最佳參數(shù)，在該參數(shù)設(shè)定下，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)

[1]袁佩玲，丁星星，郭鵬，等.新能源電池領(lǐng)域?qū)щ妱┘夹g(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化[J].過程工程學(xué)報(bào)，2023，23（8）：1118-1130.

[2]張佳怡，何佳莉，謝江鵬，等.滲透汽化技術(shù)用于鋰電池生產(chǎn)中N-甲基吡咯烷酮回收的研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào)，2023，74（8）：3203-3215.

[3] CHEN C， TATAGARI R V， LIN H， et al. Investigating TEP as a greener alternative to NMP in Ni-rich cathode fabrication [J]. Journal of energy chemistry， 2023， 78（3）： 240-245.

[4] SHEN X， YU H， BEN L， et al. High energy density in ultra-thick and flexible electrodes enabled by designed conductive agent/binder composite [J]. Journal of energy chemistry， 2024， 90（3）： 133-143.

[5]汪莎莎，李延昂，鄧慧嬋，等.用于電化學(xué)執(zhí)行器的非金屬電極材料研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào)，2024，69（z1）：578-595.

[6]孫曉輝，曾紅燕，李景康.淺談鋰離子電池正極漿料的制備方法及其特性[J].浙江化工，2022，53（3）：12-16.

[7]王劍，胡協(xié)桂，宋顯國，等.無線通信模塊在油液凈化系統(tǒng)的應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2021（7）：70-71.

[8]廖曉梅，申晟，余億坤.水電閥門液壓系統(tǒng)無線遠(yuǎn)程智能控制的研究[J].機(jī)床與液壓，2020，48（14）：91-95.

[9]李江恒，趙燕熙.基于云平臺(tái)的大型露天礦半連續(xù)廢石輸送系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用[J].中國礦業(yè)，2020，29（1）：75-80.

[10]劉茂成，張兵.基于時(shí)間繼電器的時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)，2022（24）：1-2.

[11]翟培亮.綜合保護(hù)裝置在電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2020（1）：21-25.

[12]劉萬存，袁亮文，高永光.基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的TIG/MIG智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].熱加工工藝，2022，51（15）：142-146.

[13]于吉生，張盛開，程彭勃，等.基于PLC的制桶生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2023，45（12）：150-153.

[14]劉明澤，姚繼中，崔小健.基于S7-200 SMART PLC火警短信報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2022，35（5）：137-139.

[15]蘭永平，虎恩典，王振，等.基于云平臺(tái)的礦井提升機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2023（4）：6-9.

作者簡介：劉茂成（1986—），男，碩士，中級工程師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化設(shè)計(jì)研發(fā)。

趙元崇（1993—），男，助理工程師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)集成與應(yīng)用。

張 兵（1988—），男，碩士，中級工程師，研究方向?yàn)楣に囋O(shè)計(jì)與應(yīng)用。

收稿日期：2024-04-10 修回日期：2024-05-14