基于數(shù)字化生產(chǎn)車間的動(dòng)力鋰電池電芯智能制造新模式

0 引言

制造業(yè)是國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，而汽車制造業(yè)又是戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)，面對(duì)全球節(jié)能減排的巨大壓力，發(fā)展新能源汽車成為了我國(guó)由汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路。動(dòng)力鋰電池電芯作為電能的載體，是新能源汽車的心臟，目前鋰電池行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，如何應(yīng)用基于數(shù)字化車間的智能制造技術(shù)形成高度自動(dòng)化、智能化、多功能、高效率、低消耗的電池生產(chǎn)新模式是鋰電行業(yè)取得突破性發(fā)展的關(guān)鍵。

1 智能制造的概念及背景

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種建立在新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)有效集成并應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、管理和服務(wù)的全生命周期，在制造的過程中進(jìn)行診斷、分析、決策、控制，實(shí)現(xiàn)訂單需求響應(yīng)、新產(chǎn)品輔助開發(fā)、智能化倉儲(chǔ)物流以及實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)過程及供應(yīng)鏈進(jìn)行優(yōu)化的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)的總稱。

隨著德國(guó)工業(yè)4.0概念的提出，目前智能制造逐漸成為了未來工業(yè)發(fā)展的主題，其應(yīng)用水平和普及程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。中國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，但還不是強(qiáng)國(guó)。面對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)，我國(guó)提出了《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略，其中動(dòng)力鋰電池電芯的智慧工廠模式涉及綠色制造和智能制造兩大工程。

2 動(dòng)力鋰電池及制造工藝淺析

動(dòng)力鋰電池是為電動(dòng)車提供動(dòng)力的電源（見圖1），鋰電池的工藝復(fù)雜，工序繁多（見圖2），而且每道工序?qū)﹄姵氐男阅芏加泻艽笥绊憽Ｕ麄€(gè)制造過程需要對(duì)環(huán)境的溫度、濕度等進(jìn)行控制，為了提升電池質(zhì)量需要采用精密的高度自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格而有效的監(jiān)控，減少電池的差異性，其生產(chǎn)過程也需要非常的科學(xué)、合理、標(biāo)準(zhǔn)化，以減少人的參與。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

圖2 制造工藝流程

3 智能制造新模式的總體規(guī)劃與層級(jí)劃分

新模式以建成“智能化+數(shù)字化+信息化企業(yè)”為總體目標(biāo)，結(jié)合智能化生產(chǎn)控制中心、智能裝配中心與生產(chǎn)線、智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程管控和智能化倉儲(chǔ)/運(yùn)輸與物流形成數(shù)字化生產(chǎn)車間（見圖3），按層級(jí)劃分可分為企業(yè)層、車間層和執(zhí)行層三個(gè)層面。

圖3 智能制造新模式的總體規(guī)劃與層級(jí)劃分

該模式既有層級(jí)劃分，又是有機(jī)的整體，可實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互，多維度的管理過程，能夠?qū)⒖蛻粜枨蟆a(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品試制及量產(chǎn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行更科學(xué)的結(jié)合。和傳統(tǒng)的制造模式相比，可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)增強(qiáng)客戶需求的靈敏度。從產(chǎn)品質(zhì)量角度解讀，該模式能夠加快售后部分的分析，縮短處理時(shí)間。對(duì)于有問題的產(chǎn)品，可以利用MES系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行追溯，實(shí)現(xiàn)一碼查詢，便可以追溯到初始的生產(chǎn)原材批次，以及工藝制程中的關(guān)鍵參數(shù)，最終達(dá)到快速解決問題的效果。

3.1 企業(yè)層總體規(guī)劃

企業(yè)層以PLM系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)為核心，針對(duì)動(dòng)力鋰離子電池生產(chǎn)制造流程，構(gòu)建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)網(wǎng)和制造工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，建立數(shù)字化工廠資源數(shù)據(jù)高效協(xié)同與集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和企業(yè)資源的數(shù)字化管理和可視化生產(chǎn)控制新模式（見圖4），實(shí)現(xiàn)從訂單到產(chǎn)品的全過程智能制造。

圖4 可視化生產(chǎn)管控新模式

3.2 車間層的設(shè)計(jì)

數(shù)字化車間層是以車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為核心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全面管控，以數(shù)字化裝配車間（見圖5）為例，該設(shè)計(jì)結(jié)合電池結(jié)構(gòu)和熱性能仿真系統(tǒng)（ANSYS）、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化三維設(shè)計(jì)與工藝仿真、工藝流程設(shè)計(jì)及數(shù)字化建模、建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、制造過程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與可視化，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)管理軟件無縫結(jié)合，使ANSYS、MES、ERP系統(tǒng)之間高效協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造加工的全自動(dòng)智能運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5 數(shù)字化車間架構(gòu)

在鋰電池生產(chǎn)制程中，可根據(jù)MES采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將六西格瑪管理質(zhì)量管理體系理念進(jìn)行具體的實(shí)施。對(duì)于新引進(jìn)設(shè)備，在完成設(shè)備調(diào)試之后，將CMK值作為設(shè)備過程能力指數(shù)的評(píng)估值，從而做到質(zhì)量管理體系和設(shè)備管理有機(jī)結(jié)合，當(dāng)CMK小于1.67時(shí)，需要對(duì)設(shè)備的相關(guān)動(dòng)作步進(jìn)行拆分，逐步提升和優(yōu)化，使設(shè)備具備穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)。以關(guān)鍵工序的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算CPK值，評(píng)價(jià)關(guān)鍵工序的過程能力，當(dāng)該值小于1.67時(shí)，需要利用積累的數(shù)據(jù)，從人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面對(duì)該工序進(jìn)行深入分析，找到影響的主要因素，制定相應(yīng)的改善方案，提高過程能力，最終保證產(chǎn)品的關(guān)鍵特性。

3.3 執(zhí)行層的設(shè)計(jì)

執(zhí)行層是以智能化生產(chǎn)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)為核心，結(jié)合工藝裝備特點(diǎn)，通過生產(chǎn)工藝流程建模、開發(fā)應(yīng)用核心智能制造裝備，實(shí)現(xiàn)控制中心、生產(chǎn)裝備、物聯(lián)網(wǎng)之間的信息交流和數(shù)據(jù)信息的全面采集。

采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用在線故障診斷與分析系統(tǒng)，建立現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線Profibus網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場(chǎng)PLC。采集車間各個(gè)生產(chǎn)線上的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、匯總、自動(dòng)分析診斷故障，并把故障發(fā)生的時(shí)間、位置、原因及排除的情況記錄到設(shè)備檔案數(shù)據(jù)庫中，并形成報(bào)表，車間診斷無法解決的問題將通過廣域網(wǎng)由遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)在線診斷，從而快速解決問題。

鋰電池行業(yè)作為目前的新興行業(yè)，相關(guān)的過程存在較多特殊特性，因此鋰電設(shè)備存在大比例的非標(biāo)設(shè)計(jì)，設(shè)備的某些性能還存在不足。伴隨著相關(guān)數(shù)據(jù)的不斷積累，對(duì)設(shè)備的相關(guān)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，從而確定各工藝設(shè)備產(chǎn)生故障的主要因素及其固有的故障規(guī)律。以此設(shè)定相關(guān)的防范指標(biāo)，通過對(duì)該指標(biāo)的檢測(cè)來達(dá)到對(duì)設(shè)備的預(yù)見性維護(hù)保養(yǎng)。對(duì)于設(shè)備機(jī)械部分零件的磨損情況建立數(shù)字化模型，分析關(guān)鍵部件的生命周期，并以此作為根據(jù)，進(jìn)行備件的種類、數(shù)量以及安全庫存，進(jìn)行合理的實(shí)施，達(dá)到有效保證生產(chǎn)持續(xù)性的目的。對(duì)于設(shè)備中的易損件種類及其數(shù)量的評(píng)估更準(zhǔn)確，形成更為科學(xué)精準(zhǔn)的判定。從財(cái)務(wù)角度，可以確保設(shè)備的維修維護(hù)費(fèi)用更為準(zhǔn)確，更能夠充分發(fā)揮資金使用的有效性。

基于數(shù)據(jù)報(bào)表，可以得到生產(chǎn)制程中，設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間、設(shè)備的平均維修時(shí)間等數(shù)據(jù)，從一定程度上對(duì)相關(guān)工程師的能力做出評(píng)價(jià)，對(duì)存在的短板進(jìn)行凝練和甄別，協(xié)同搭配，更為科學(xué)地推動(dòng)團(tuán)隊(duì)專業(yè)能力的提升。

4 信息數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究

智能制造數(shù)字化工廠最關(guān)鍵的就是信息的數(shù)字化，若想實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能制造，必須從產(chǎn)品的最初設(shè)計(jì)階段開始對(duì)信息進(jìn)行數(shù)字化處理，在產(chǎn)品的制造過程中對(duì)產(chǎn)品的制造信息進(jìn)行數(shù)字化，通過信息管理軟件對(duì)制造信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)信息收集、整理、判斷、決策等高智能工作。

4.1 產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)的數(shù)字化

將用戶需求和市場(chǎng)信息通過數(shù)字化設(shè)計(jì)支撐平臺(tái)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)字化仿真與模擬平臺(tái)轉(zhuǎn)化成數(shù)字模型，再應(yīng)用產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出合理的工藝路線，再將信息發(fā)送到數(shù)字化車間的MES系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成數(shù)字化車間能夠執(zhí)行的指令，從而設(shè)計(jì)出符合客戶需求的產(chǎn)品，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品特性設(shè)計(jì)出最佳的加工工藝路線形成以客戶需求為驅(qū)動(dòng)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)（見圖6）。

圖6 產(chǎn)品數(shù)字化三維設(shè)計(jì)與工藝仿真

4.2 生產(chǎn)管理的數(shù)字化

建立集成接口標(biāo)準(zhǔn)，基于ESB實(shí)現(xiàn)ERP、PDM、MES等多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成，打通設(shè)計(jì)、工藝、制造、管理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流與業(yè)務(wù)流，實(shí)現(xiàn)各異構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一接口管理和信息傳遞，減少接口數(shù)量，提高生產(chǎn)管理效率。

如圖7所示，三大系統(tǒng)之間信息共享，增強(qiáng)生產(chǎn)活動(dòng)的協(xié)同高效性，從設(shè)計(jì)到制造，變更信息，可迅速進(jìn)行有效傳遞，避免由于信息滯后性造成的物料浪費(fèi)，最大程度使物料得到充分利用，降低成本。緊跟市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，圍繞客戶需求，進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化，高效地匹配客戶的訂單要求，提高產(chǎn)品交付及時(shí)性。同時(shí)，基于數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠更客觀、更準(zhǔn)確地評(píng)估成本，加強(qiáng)決策精準(zhǔn)性，使企業(yè)的戰(zhàn)略性布局更科學(xué)有效。

圖7 MES/PLM/ERP系統(tǒng)高效協(xié)同與集成

5 結(jié)語

數(shù)字化車間新模式應(yīng)用是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)智能制造的重要手段，它是以智能系統(tǒng)和裝備研制集成建設(shè)為基礎(chǔ)，以信息化技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和模式在研發(fā)設(shè)計(jì)、工藝流程、生產(chǎn)裝備、過程控制、物料管理等環(huán)節(jié)的集成應(yīng)用為紐帶的集成建設(shè)和應(yīng)用工程，是先進(jìn)智能制造技術(shù)在實(shí)際制造過程中的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目的順利實(shí)施將形成動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)制造行業(yè)可推廣復(fù)制的智能制造新模式，提升國(guó)產(chǎn)動(dòng)力電池在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，為國(guó)內(nèi)新能源汽車的高質(zhì)、快速發(fā)展提供有力支撐。