锂电池电解液生产中的精确定量控制

徐颖栋

摘 要：电解液是锂离子电池的关键材料。生产过程中原材料的精确配比决定电解液的产品质量。因此在加料过程中对控制精度有严格的要求。本文认为影响控制精度的主要因素是执行机构动作滞后，据此提出了补偿方法。利用CENTUM_VP集散控制系统实现了改良后的批量加料控制，该系统已经应用在深圳新宙邦科技股份有限公司生产锂电池电解液的过程中，并获得了满意的效果，计量精度控制在0.3‰以内，具有极高的应用价值。

关键词：电解液；CENTUM_VP；精度定量；补偿；阀门动作滞后

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.108

0 引言

电解液是锂离子电池的关键材料，是锂电池获得高电压、高比能的保证。锂离子电池电解液由高纯度有机溶剂、六氟磷酸锂及必要的添加剂，在一定温度压力条件下，按一定比例配制而成的。严格按照配方比例配制电解液是电解液生产的必要，它直接决定电解液的评估指标。因此对精确加料的可靠性，准确性有极高的要求。随着自动化系统的不断发展，采用自动加料控制系统是有效提升自动化水平，提高生产效率和产品质量的有效手段之一。

在电解液配制过程中，阀门动作滞后对加料精度有重要影响。通过分析阀门动作滞后对精确加料的影响方式及原理，提出了相应的补偿措施。还将采用CENTUM_VP集散控制系统实现电解液配制过程中的精确控制。在实际生产应用中证明，加入补偿系统的精确加料控制系统，加料精度明显提高。生产安全性和生产效率也有了显著提升，增加了企业效益。

1 阀门动作滞后对精度的影响

在电解液配制过程中精确的配制比例至关重要。精确加料是指尽可能减少每次加料的实际加料量和预期加料量的误差。包括实际加料总量与预期加料总量的误差，以及各个组分原料的实际加料量和预期加料量的误差。

阀门动作滞后是影响加料精度的主要因素。在没有补偿功能的控制系统中，控制系统根据加料的配方计算出预期加料量，当实际加料量达到预期加料量时，关闭阀门。从控制器输出关闭阀门的信号到现场阀门完全关闭的过程，也就是阀门关闭滞后的时间t，包括继电器动作时间和阀门动作时间。阀门关闭动作滞后一定会引起误差。误差量是阀门滞后时间t和阀门关闭过程中原料瞬时流量q的乘积，即tq。

2 控制系统精度补偿设计

理论上只要在控制系统中设置一个关闭阀门的提前量Qf，在实际加料量Q=Qs-Qf（Q为实际加料量，Qs为加料量的设定值）时，控制系统提前输出关闭阀门的指令。当阀门完全关闭时，就可以消除误差。那么合理的提前量Qf应该与阀门动作滞后引起的误差tq相等，即Qf=tq。

由上述可知Qf=Q-Qs，可见阀门动作滞后引起的误差可以从控制系统中读出。但是在实际生产过程中因为储罐液位高度变化引起阀前流体压力经常变化。导致加料时的瞬时流量q并不稳定，使得提前量的设定值必须根据阀前物料压力的变化经常修改。加之其它工况改变的因素，在实际操作中设定提前量并不能保证加料精度。

在这里我们注意到Qf=tq，既然不能得到稳定的瞬时流量q，我们考虑缩短阀门关闭动作滞后时间t。因此我们又增加了一个预关阀加料量Qp（要求Qp>Qf），即在实际加料量Q=Qs-Qp时，控制系统就发出指令将阀门稳定在一个较小的开度（ML）运行一段时间。然后在实际加料量Q=Qs-Qf时关闭阀门。这样做的优点在于，阀门接到关闭指令之前已经处于一个较小的开度，阀门关闭滞后的时间t大大缩短。并且物料流量控制在一个较小的值，也比较稳定，受阀前压力变化的影响也减小到可以忽略。由Qf=tq，可知Qf将大大减小并且稳定。由图1可见阀门的动作过程。

MV：阀门开度。 MH：阀门最大开度。 ML：阀门最小开度。

Qs：加料量的设定值。 Qp：预关阀加料提前量。 Qf：加料提前量。

TW：计算实际加料量延时时间。

3 精确定量控制系统实现

CENTUM VP是横河电机综合生产控制系统（又称DCS，集散控制系统）的最新产品系列。CENTUM VP有一个简单而通用的结构，包括人机界面，现场控制站和控制网络。 它不仅支持连续和批量过程控制，而且还支持生产操作管理。

在此案例中我们采用CENTUM VP系统实现上节所述的补偿算法，对阀门动作滞后作出有效补偿。在CENTUM VP一个典型的精确加料系统编程组态如图2所示：

上图中，FIC102是物料实时流量，通过控制器的模拟量输入通道进行实时监测。PVI功能块的功能是将现场信号转换成实际工程值并显示在控制系统。BSETU-2功能块是流量累加批量控制块，物料实时流量（PV）值输入到该功能块，该功能块计算每批次的流量累积值也就是实际加料量，并根据实际加料量输出控制信号，控制阀门的开度。通过设定BSETU-2中的参数，控制阀门按照我们设计的图1的方式运行。

BSETU-2中设计的参数及其作用包括：

BSET：预加料设定值。

PLST：预关阀加料提前量，当加料量达到（BSET-PLST）时阀门开始关闭，并关闭至最小开度。

LPV：加料提前量。阀门在加料量达到（BSET-LPV）时阀门完全关闭。

TU：阀门打开时间。阀门从关闭到最大开度的打开时间。

TD：阀门关闭时间。阀门从最大开度到完全关闭的时间。通过调节TU和TD的时间可以使阀门缓慢动作，减小流量的波动，使计量更加准确。

MH：阀门的最大开度。

ML：阀门的最小开度。加料量达到（BSET-PLST）时阀門将关闭到这个开度。

TW：计算实际加料量延时时间。阀门完全关闭后延时TW时间，采集最终的流量累积值作为实际加料量。

以上参数可以在操作员操作界面更改。控制系统还设计了启动、停止和暂停按钮，保证了操作简便可靠。系统具备自动控制和手动控制无扰切换功能，在需要时，操作人员可手动实现对现场阀门的开关。系统还设置了从新调整的功能，在出现较大误差时可以设定新的（增大）总配制量，系统将从新计算加料量并补充各组分的原料。正产过程中系统将自动纪录并显示阀位状态、预加料量、实际加料量、误差量、误差百分比、物料流量等各种数据，并生成报表。

4 应用实例

深圳新宙邦科技股份有限公司是全球领先的电子化学品和功能材料企业。主要生产锂离子电解液。

所设计的基于CENTUM VP的具有精确加料补偿功能的自动批量加料系统，应用于深圳新宙邦科技股份有限公司锂电池电解液生产中。通过对补偿参数的测定，该自动加料控制系统的补偿效果显著，控制精度极高。并且造作简便可靠，取得了满意的效果，控制精度始终保持在0.3‰以内。下表列举了实际的误差范围及允差标准。

本文介绍的是精确定量控制在锂电池电解液生产中的应用。在精细化工生产中凡是需要自动加料系统的生产过程普遍适用该方法，该方法具有广泛的推广和应用价值。控制方案也可以由CENTUM_VP集散控制系统移植到其它控制系统中。

参考文献：

[1]王为民，王俭，邵长安.批量加料控制系统中的精确定量控制[J]. 自动化仪表，2009，30（07）：55-57.

[2]CENTUM VP过程控制器说明书[S].