基于西门子PCS7的批量控制系统在三元锂电正极材料行业的应用

基于西门子PCS7的批量控制系统在三元锂电正极材料行业的应用

邓君

宜宾锂宝新材料有限公司    四川 宜宾  644000

摘要：近年来，随着我国锂电新能源行业的不断发展，对于智能智造也提出更高的要求。在化工行业，通常使用连续控制方式。在汽车制造业主要使用离散控制方式。而三元锂电正极材料行业，应使用怎样的控制方案呢？在此，以西门子PCS7系统为例，讨论批量控制方式在三元锂电正极材料的应用。通过实际应用案例的分析，希望能对我国目前的三元锂电正极材料行业的自动化控制系统发展和应用提供一定的参考和借鉴。

关键词：PCS7系统；批量控制系统；三元锂电；正极材料；ISA88

引言

如今我国处于节能环保时代，倡导绿色出行。为减少空气污染，已在大量普及新能源气车。使得对锂电池的需求呈现爆发式增涨。在三元锂电正极材料行业，为达到智能智造的要求，实现全自动化生产的控制方式，可使用批量控制系统。实现高度集成的控制方式，提高生产效率，对物料进行生产过程跟踪，自动生成生产过程报表。最终实现“无人化”的高效管理模式。

一、批量控制系统原理

1. 什么是批量控制系统

批量控制系统具有产品多样，各种产品具有独立配方，且小批量生产的特点。生活中的典型案例就是烹饪。比如炒回锅肉，使用的主要配方为：猪肉、油、豆油、味精、豆瓣、青椒（或蒜苔）等，使用的设备为炒锅和锅铲。做粉蒸牛肉，使用的主要配方为：牛肉、粉子、豆瓣、香菜、味精等，使用的设备为蒸锅。根据不同的菜肴，使用不同的锅和不同的配方。

与传统的连续生产方式相比，什么才是批量控制的生产方式呢？为便于理解，将主要特点汇总如下：

在满足上述条件后，就能使用批量控制系统。

2. ISA-88模型和西门子PCS7批量控制系统介绍

ISA-88定义了三种主要模型：

1)过程模型，处理生产过程中化学和物理变化的各个方面。

2)物理模型，处理生产中使用的设备。

3)程序控制模型，处理产品的配方结构。

过程模型、程序控制模型和物理模型之间的关系如下图所示：

程序控制与单个设备的协调提供了过程模型中描述的处理功能。设备实体执行程序元素中定义的功能。定义过程控制元素以对应于过程模型的元素，以完成所需的批次工艺。配方中定义了程序控制元素。

通过应用设备控制，设备实体将执行配方程序元素所定义的功能，以完成特定产品的任务。这具有调试的过程灵活性，在许多批次工艺过程中都必不可少。它允许配方创建者无需重新设计设备实体便进行工艺活动中的重大更改。

在ISA88标准当中，将物理模型划分为7层。西门子PCS7系统对后4层进行响应，如下图：

在程序控制模型里，使用多层次的层级模型，用于基于特定过程单元完成整个过程或部分过程任务。它是定义配方程序的基础。模型中的每个独立元素都是一个过程，直接从属元素（如果有）包括其步骤。层次结构的最终目标是有效组织面向流程的任务。

程序模型的最高级别是总体配方程序。配方可能涉及多个生产单元，并且在配方单元过程中捕获顺序。配方单元过程由一个或多个配方操作组成，这些操作本身包含从属配方阶段。从属配方阶段是过程控制模型中最低级别的过程元素，这可以是配方中的表（配方阶段RPH）或设备控制中的实现（EPH），旨在完成全部或部分过程动作。如下图：

在过程模型中，批次工艺过程是在过程模型中组织的，该模型将整个过程划分为较小的，细分层次，如下图所示：

    在PCS7批控系统中，包含生产完整批次所有单元、设备模块和控制模块。

3. 批量控制系统的设计思想

通过ISA88标准，得知需改变连续化工的设计思路。将工艺对象按以下方式进行划分：工厂层级设备单元操作层级步控层级。

从连续控制的设计思想：以物料流动及形态的控制为核心，再设计设备的运行方式。改变为以设备单元为核心的设计思想：将一台（或套）设备定义为一个单元设计设备操作方式设计详细的设备操作步骤。

工艺运行人员按照配方的不同，自行选择与组合设备，实现批量控制的目的。从基础的设计方式上分析，比较类似于面向对象的编程方式。将每个设备定义为单独的类，设计每个设备有哪些生产方式。由生产人员根据客户订单进行设备的使用组合。

批量控制系统的生产主流程如下：

客户订单根据订单，生产人员建立主配方，选择生产策略和所需设备启动订单进行生产跟踪生产过程自动记录生成报表。

二、三元锂电正极材料生产工艺与批量控制系统

常见的三元锂电正极材料的产品有：811、515、622等等，代号表示不同的元素组合，分别为镍、钴、锰。

从生产过程分析，从总的工艺划分，需进行湿法包覆及干法包覆。生产不同产品时，需使用不同的设备配合。例如：生产515系统产品时，需使用气流磨等设备；而生产811等系列高镍产品时，需使用机械磨等设备。

从原料投入生产开始进行分析，每批次的物料进行混合完成后，才会投入下一批原料。

为提高产品质量，需对生产的实时情况进行分析，对原料生产流程进行跟踪防止不合格的产品流入到客户处。

生产完成后，需生成生产情况的汇总报表。

从以上工艺流程要求，结合批量控制的特点。完全符合此种控制方式。

三、实施方案

1. 网络构架设计

工厂网络共分为三层。分别为中央控制室的上层网络，DCS层级的下层网络，PLC层级的现场网络。三层网络可按车间区域及功能划分 Vlan，从而保障网络安全。如生产上需单一操作员站访问车间所有区域的工作模式，中心交换机需具有路由功能。典型的工厂应用网络结构如下：

2. 程序架构

按ISA88标准要求，进行单元设备的划分。按工艺产品需求，将计量仓、发送仓等划分为单元设备，再进行详细的功能设计。其主要流程如下：

以对象为基础编写CFC程序编写SFC程序编译下载CPU编译下载数据服务器编译下载批控服务器根据客户订单建主配方并发布建立订单执行。

四、结语

综上所述，批量控制非常适合于三元锂电正极材料的生产控制。可以真正实现自动化和现代化，从真正意义上实现操作人员和设备的统一，提高生产的效率和质量。当前随着社会的不断发展，批量控制是在三元锂电正极材料行业里满足企业智能智造的利器。

参考文献

【1】刘涛.西门子PCS7控制网络的配置策略及应用方式【J】。产业创新研究，2022（22）：171-172.

【2】卢洪旺.西门子PCS7自动化控制网络的配置【J】.集成电路应用，2020，37（09）：140-141.

【3】龙江.西门子PCS7控制网络的配置策略及应用【J】。化工管理，2018（04）：164