新能源電池數字化工廠建設解析

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長春 130011

建設必要性

隨著網絡技術、信息技術以及人工智能技術的飛速發展，各行各業均面臨著智能化時代的嶄新機遇和挑戰?；诩瘓F全面體系與數字化建設和一汽-大眾管理數字化的戰略要求，以數字化轉型驅動工廠運營體系變革，即以快速反應處理工廠里各種狀態變化，以變化的控制手段主動適應變化，以提前預測感知避免意外變化，從而在制造業的新時代里，不斷提升工廠“質量優、效率高、成本低、全透明”的競爭優勢，也是部門“數字化轉型”的核心課題。

相較傳統工廠，新能源電池工廠有更高的需求。

1.保證產品的高安全性

安全性是電動汽車消費者關注的第一要素，保證新能源電池產品的高安全性是維系電動汽車產品競爭力的第一要務。對于新能源產品，制造保障安全和設計保障安全同樣重要。在電池工廠的各制造環節中，焊接工藝需保證產品的強度，擰緊和涂膠工藝需保證產品的密封性，試漏和電檢等檢測工藝需保證對產品的密封、絕緣、耐壓、充放電和通信等關鍵性能給出準確評價。每個環節的質量控制都不容紕漏，需要完整地記錄過程控制參數和檢測結果值。基于此，國家也已經出臺了新能源電池產品的溯源管理規定，明確要求生產企業對生產全過程進行有效的信息采集和數據追溯。

2.保證生產過程的高安全性

新能源電池產品的高壓和可燃風險，需要生產企業重視生產過程的安全性保障。比如高壓工位操作人員需要經過系統的培訓考核才能獲得操作資質，相應的安全穿戴也有嚴格的標準要求。

3.保證產品的快速迭代

新能源電池產品更趨近于電子類產品，具備快速迭代的特點。模組、軟件甚至整包設計方案僅在項目建設期就可能產生多次變更或迭代，這便要求設備能夠更柔性地適應品種變化，同時項目和生產的組織更敏捷高效。

4.保證制造過程的節能環保

新能源電池產品本身是應對社會節能環保的要求而誕生的，新能源電池工廠也應采取綜合利用優化能耗、避免浪費、減少排放及使用新型能源等措施，保證其制造全過程更加節能環保。

以上需求利用傳統技術手段很難有所突破，唯有通過數字化的創新手段才能滿足。新能源電池數字化工廠建設不僅要保證工廠運營優質高效，而且是“質量更精細、更安全可靠、更柔性敏捷、更節能環保需求”的現實需要。

一汽-大眾動力在新能源產品生產準備方面的建設重點，是長春奧迪和佛山大眾MEB電池工廠。兩款電池總成均為各自品牌面向未來的主力產品，投資包含殼體焊裝線和電池包裝配線。在結合傳統工廠相關數字化建設經驗的基礎上，在電池工廠建設過程中，明確提出了全數字化新能源工廠的建設目標，以期樹立一汽-大眾全新數字化工廠標桿，也望為一汽集團和一汽-大眾后續廣闊的數字化工廠建設鋪路奠基。

建設目標

通過系統分析工廠數字化建設的現狀經驗，為新能源電池數字化工廠設定包括智能裝備、數據標準體系、數字化管控系統群以及人工智能應用四個方面的建設目標。

1.裝備高效自動化

新能源電池數字化工廠的高建設目標，要求在裝備層有更高水平的技術創新。機器人、自動化運輸裝備、機器視覺以及新型傳感器等智能裝備技術的發展，使我們有可能更柔性化地組織生產線，豐富實時自動化的數據采集手段。

2.數據基礎標準化

以往企業工廠內的設備與IT系統之間缺乏有效數據連接，設備層的數據無法傳遞出去，只能通過人工記錄統計，造成工時浪費的同時已遠遠滿足不了實時化、大數據的管理需要。因此，需要在新能源工廠實現設備與IT系統以及IT系統之間的高效互連互通，實現主動地數據規劃、規范數據結構、構建數據中臺及挖掘數據價值，這是亟待解決的問題。

3.經營業務在線化

傳統工廠IT系統覆蓋率低，僅有零散的設備或生產線管理系統用于控制設備、收集質量數據等，眾多業務流程（如質量分析、安全管理、維修管理以及工廠服務等）缺乏專門的業務IT系統服務于未來數字化管理方式，因此急需提升業務IT系統覆蓋程度。

4.管理決策智能化

數據標準化和業務在線化后，希望能夠實現數字業務化，即通過管理決策智能化，在以下六點收獲數字化的經濟效益。

1）通過參數預判、智能質檢等措施降低廢品率，預防潛在缺陷。

2）通過系統互聯互通，實現全價值鏈單件流和準時化供貨，最大化降低零件和總成庫存。

3）通過主動智能化控制用能設備等措施，降低工廠能耗。

4）通過信息流高效傳遞，減少停臺和節拍損失，提升產線效率。

5）通過三維建模和仿真技術，提前發現工廠設計缺陷，并解決工藝瓶頸，減少實物階段糾錯投入。

6）通過工藝智能建模，實現工藝參數快速優化選擇，減少大量工藝試驗消耗。

建設方案

新能源電池數字化工廠的建設的整體架構，如圖1所示?！皹I務數字化，數字業務化”體現在四個方面，其建設內容具體如下。

1.智能裝備

機器人是柔性化產線的基礎裝備，在長春奧迪和佛山大眾MEB電池產線上分別投入了105臺Fanuc機器人和116臺KUKA機器人，用于完成焊接、搬運、組裝、擰緊和涂膠等工藝內容，實現不同品種電池產品的零換線時間切換。同時，計劃在電池工廠投入協作機器人用于零件抽檢、備件取送貨和返修輔助操作等。

自動導航運輸設備（AGV）是柔性配送運輸的基礎，在兩條電池產線內，AGV將廣泛用于零件上線、總成線內運輸以及發運等環節。其中，在長春奧迪電池裝配線首次采用基于即時定位與地圖構建技術（SLAM）的AGV系統，這套解決方案與北京大興國際機場的智能泊車系統完全相同。

圖1 數字化工廠建設的整體架構

機器視覺技術近年來發展迅速，在電池產線內，應用雙目視覺系統導引機器人自動抓取模組、殼體等零件，實現零件的自動上下料。同時，通過部署熱成像視覺攝像系統，實時監控產線和物流區域內總成和模組等的零件溫度，實現異常溫度變化的即時報警，提前發現電池熱失控，保證生產安全。另外，在重點工位也部署了視頻監控系統，實現設備異常提醒、人員進入權限確認和勞保用品穿戴智能檢查等功能。

利用射頻識別和超寬帶通信技術，實現了工廠內定位和運輸環節的數據傳遞。

2.數據標準體系

大眾集團2019年在工業生產領域提出了數字生產平臺（DPP）的概念，核心目標即通過標準化的數據交換打造統一開放的工業云平臺。其中工廠數據服務總線（PSB，Plant Service Bus）是DPP平臺內工廠管控系統的連接和交互中樞，其相較于傳統工廠IT架構的優點如圖2所示。

傳統工廠IT架構沒有統一的總線概念，因此設備層和IT系統層接口眾多、復雜性高、可靠性差，且不易升級和擴展，實現互連互通困難，無法滿足工業4.0的需要。而基于PSB的IT架構，是一種面向服務的架構，將系統層與設備層解耦，通過標準化接口實現有效鏈接，避免復雜接口關系的同時可以滿足工業4.0高效互連互通的需要，接口規范和解耦后也更容易在未來過渡到互聯網企業等使用的微服務架構中，是符合未來趨勢的IT架構。

圖2 工廠數據服務總線優勢示意

在新能源電池數字化工廠的建設過程中，基于PSB的交互要求，實現了數據標準體系打造的4個標準化：即：硬件架構標準化、數據內容標準化、數據格式標準化以及采集方式標準化。

（1）硬件架構標準化 對工廠和產線的網絡架構、IP地址規劃、網絡設備等進行了規范要求和配置。

（2）數據內容標準化 根據數據使用的需求，將訂單、產品、物料、設備、人員和工廠環境等各類數據進行了標準化梳理。

（3）數據格式標準化 各類系統之間的交互都實用了標準化的文件格式，如：“xml”“json”。

（4）采集方式標準化 各類系統交互都使用統一的消息隊列技術，以打造統一的數據中臺。

3.數字化管控系統群

打造由制造執行系統、安全管理系統、質量管理系統、發運配送系統、訂單系統、環境管理系統、維修管理系統以及項目管理系統組成的工廠管控在線系統群，支撐各運營部門的信息化和數字化管理需求。其中制造執行系統是管控系統群的核心。各智能裝備系統、工廠數據服務總線和數字化管控系統的架構關系如圖3所示。

圖3 數字化管控系統群架構關系

4.人工智能應用

在實現大量詳盡數據采集的基礎上，開展人工智能技術在新能源工廠運營管理中應用的探索?？梢灶A見到的智能化應用包括如下四點。

（1）智能質量分析 如基于擰緊曲線的擰緊缺陷智能判斷。

（2）智能工藝優化 如基于來料參數和環境參數的焊接和涂膠工藝參數智能優化。

（3）預防性維修 如基于機器人運行狀態數據的故障預測判斷。

（4）智能排產和物流調度 如基于訂單數據和設備狀態的智能排產及基于運力分配算法的車輛智能調度。

結語

通過新能源電池數字化工廠全面建設，為動力總成事業部數字化轉型摸索經驗，總結積累數字化技術應用標準，建立動力總成數字化工廠的標桿。