新能源電池?cái)?shù)字化工廠建設(shè)解析

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長(zhǎng)春 130011

建設(shè)必要性

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)均面臨著智能化時(shí)代的嶄新機(jī)遇和挑戰(zhàn)?；诩瘓F(tuán)全面體系與數(shù)字化建設(shè)和一汽-大眾管理數(shù)字化的戰(zhàn)略要求，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)工廠運(yùn)營(yíng)體系變革，即以快速反應(yīng)處理工廠里各種狀態(tài)變化，以變化的控制手段主動(dòng)適應(yīng)變化，以提前預(yù)測(cè)感知避免意外變化，從而在制造業(yè)的新時(shí)代里，不斷提升工廠“質(zhì)量?jī)?yōu)、效率高、成本低、全透明”的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也是部門“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”的核心課題。

相較傳統(tǒng)工廠，新能源電池工廠有更高的需求。

1.保證產(chǎn)品的高安全性

安全性是電動(dòng)汽車消費(fèi)者關(guān)注的第一要素，保證新能源電池產(chǎn)品的高安全性是維系電動(dòng)汽車產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的第一要?jiǎng)?wù)。對(duì)于新能源產(chǎn)品，制造保障安全和設(shè)計(jì)保障安全同樣重要。在電池工廠的各制造環(huán)節(jié)中，焊接工藝需保證產(chǎn)品的強(qiáng)度，擰緊和涂膠工藝需保證產(chǎn)品的密封性，試漏和電檢等檢測(cè)工藝需保證對(duì)產(chǎn)品的密封、絕緣、耐壓、充放電和通信等關(guān)鍵性能給出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。每個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制都不容紕漏，需要完整地記錄過(guò)程控制參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果值?；诖?，國(guó)家也已經(jīng)出臺(tái)了新能源電池產(chǎn)品的溯源管理規(guī)定，明確要求生產(chǎn)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行有效的信息采集和數(shù)據(jù)追溯。

2.保證生產(chǎn)過(guò)程的高安全性

新能源電池產(chǎn)品的高壓和可燃風(fēng)險(xiǎn)，需要生產(chǎn)企業(yè)重視生產(chǎn)過(guò)程的安全性保障。比如高壓工位操作人員需要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的培訓(xùn)考核才能獲得操作資質(zhì)，相應(yīng)的安全穿戴也有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.保證產(chǎn)品的快速迭代

新能源電池產(chǎn)品更趨近于電子類產(chǎn)品，具備快速迭代的特點(diǎn)。模組、軟件甚至整包設(shè)計(jì)方案僅在項(xiàng)目建設(shè)期就可能產(chǎn)生多次變更或迭代，這便要求設(shè)備能夠更柔性地適應(yīng)品種變化，同時(shí)項(xiàng)目和生產(chǎn)的組織更敏捷高效。

4.保證制造過(guò)程的節(jié)能環(huán)保

新能源電池產(chǎn)品本身是應(yīng)對(duì)社會(huì)節(jié)能環(huán)保的要求而誕生的，新能源電池工廠也應(yīng)采取綜合利用優(yōu)化能耗、避免浪費(fèi)、減少排放及使用新型能源等措施，保證其制造全過(guò)程更加節(jié)能環(huán)保。

以上需求利用傳統(tǒng)技術(shù)手段很難有所突破，唯有通過(guò)數(shù)字化的創(chuàng)新手段才能滿足。新能源電池?cái)?shù)字化工廠建設(shè)不僅要保證工廠運(yùn)營(yíng)優(yōu)質(zhì)高效，而且是“質(zhì)量更精細(xì)、更安全可靠、更柔性敏捷、更節(jié)能環(huán)保需求”的現(xiàn)實(shí)需要。

一汽-大眾動(dòng)力在新能源產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備方面的建設(shè)重點(diǎn)，是長(zhǎng)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(lái)的主力產(chǎn)品，投資包含殼體焊裝線和電池包裝配線。在結(jié)合傳統(tǒng)工廠相關(guān)數(shù)字化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在電池工廠建設(shè)過(guò)程中，明確提出了全數(shù)字化新能源工廠的建設(shè)目標(biāo)，以期樹立一汽-大眾全新數(shù)字化工廠標(biāo)桿，也望為一汽集團(tuán)和一汽-大眾后續(xù)廣闊的數(shù)字化工廠建設(shè)鋪路奠基。

建設(shè)目標(biāo)

通過(guò)系統(tǒng)分析工廠數(shù)字化建設(shè)的現(xiàn)狀經(jīng)驗(yàn)，為新能源電池?cái)?shù)字化工廠設(shè)定包括智能裝備、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)字化管控系統(tǒng)群以及人工智能應(yīng)用四個(gè)方面的建設(shè)目標(biāo)。

1.裝備高效自動(dòng)化

新能源電池?cái)?shù)字化工廠的高建設(shè)目標(biāo)，要求在裝備層有更高水平的技術(shù)創(chuàng)新。機(jī)器人、自動(dòng)化運(yùn)輸裝備、機(jī)器視覺(jué)以及新型傳感器等智能裝備技術(shù)的發(fā)展，使我們有可能更柔性化地組織生產(chǎn)線，豐富實(shí)時(shí)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集手段。

2.數(shù)據(jù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化

以往企業(yè)工廠內(nèi)的設(shè)備與IT系統(tǒng)之間缺乏有效數(shù)據(jù)連接，設(shè)備層的數(shù)據(jù)無(wú)法傳遞出去，只能通過(guò)人工記錄統(tǒng)計(jì)，造成工時(shí)浪費(fèi)的同時(shí)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)時(shí)化、大數(shù)據(jù)的管理需要。因此，需要在新能源工廠實(shí)現(xiàn)設(shè)備與IT系統(tǒng)以及IT系統(tǒng)之間的高效互連互通，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)地?cái)?shù)據(jù)規(guī)劃、規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建數(shù)據(jù)中臺(tái)及挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，這是亟待解決的問(wèn)題。

3.經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)在線化

傳統(tǒng)工廠IT系統(tǒng)覆蓋率低，僅有零散的設(shè)備或生產(chǎn)線管理系統(tǒng)用于控制設(shè)備、收集質(zhì)量數(shù)據(jù)等，眾多業(yè)務(wù)流程（如質(zhì)量分析、安全管理、維修管理以及工廠服務(wù)等）缺乏專門的業(yè)務(wù)IT系統(tǒng)服務(wù)于未來(lái)數(shù)字化管理方式，因此急需提升業(yè)務(wù)IT系統(tǒng)覆蓋程度。

4.管理決策智能化

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和業(yè)務(wù)在線化后，希望能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字業(yè)務(wù)化，即通過(guò)管理決策智能化，在以下六點(diǎn)收獲數(shù)字化的經(jīng)濟(jì)效益。

1）通過(guò)參數(shù)預(yù)判、智能質(zhì)檢等措施降低廢品率，預(yù)防潛在缺陷。

2）通過(guò)系統(tǒng)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全價(jià)值鏈單件流和準(zhǔn)時(shí)化供貨，最大化降低零件和總成庫(kù)存。

3）通過(guò)主動(dòng)智能化控制用能設(shè)備等措施，降低工廠能耗。

4）通過(guò)信息流高效傳遞，減少停臺(tái)和節(jié)拍損失，提升產(chǎn)線效率。

5）通過(guò)三維建模和仿真技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)工廠設(shè)計(jì)缺陷，并解決工藝瓶頸，減少實(shí)物階段糾錯(cuò)投入。

6）通過(guò)工藝智能建模，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)快速優(yōu)化選擇，減少大量工藝試驗(yàn)消耗。

建設(shè)方案

新能源電池?cái)?shù)字化工廠的建設(shè)的整體架構(gòu)，如圖1所示?！皹I(yè)務(wù)數(shù)字化，數(shù)字業(yè)務(wù)化”體現(xiàn)在四個(gè)方面，其建設(shè)內(nèi)容具體如下。

1.智能裝備

機(jī)器人是柔性化產(chǎn)線的基礎(chǔ)裝備，在長(zhǎng)春奧迪和佛山大眾MEB電池產(chǎn)線上分別投入了105臺(tái)Fanuc機(jī)器人和116臺(tái)KUKA機(jī)器人，用于完成焊接、搬運(yùn)、組裝、擰緊和涂膠等工藝內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)不同品種電池產(chǎn)品的零換線時(shí)間切換。同時(shí)，計(jì)劃在電池工廠投入?yún)f(xié)作機(jī)器人用于零件抽檢、備件取送貨和返修輔助操作等。

自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)輸設(shè)備（AGV）是柔性配送運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)，在兩條電池產(chǎn)線內(nèi)，AGV將廣泛用于零件上線、總成線內(nèi)運(yùn)輸以及發(fā)運(yùn)等環(huán)節(jié)。其中，在長(zhǎng)春奧迪電池裝配線首次采用基于即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（SLAM）的AGV系統(tǒng)，這套解決方案與北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的智能泊車系統(tǒng)完全相同。

圖1 數(shù)字化工廠建設(shè)的整體架構(gòu)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，在電池產(chǎn)線內(nèi)，應(yīng)用雙目視覺(jué)系統(tǒng)導(dǎo)引機(jī)器人自動(dòng)抓取模組、殼體等零件，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)上下料。同時(shí)，通過(guò)部署熱成像視覺(jué)攝像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)線和物流區(qū)域內(nèi)總成和模組等的零件溫度，實(shí)現(xiàn)異常溫度變化的即時(shí)報(bào)警，提前發(fā)現(xiàn)電池?zé)崾Э兀ＷC生產(chǎn)安全。另外，在重點(diǎn)工位也部署了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常提醒、人員進(jìn)入權(quán)限確認(rèn)和勞保用品穿戴智能檢查等功能。

利用射頻識(shí)別和超寬帶通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工廠內(nèi)定位和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)傳遞。

2.數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系

大眾集團(tuán)2019年在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域提出了數(shù)字生產(chǎn)平臺(tái)（DPP）的概念，核心目標(biāo)即通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換打造統(tǒng)一開放的工業(yè)云平臺(tái)。其中工廠數(shù)據(jù)服務(wù)總線（PSB，Plant Service Bus）是DPP平臺(tái)內(nèi)工廠管控系統(tǒng)的連接和交互中樞，其相較于傳統(tǒng)工廠IT架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如圖2所示。

傳統(tǒng)工廠IT架構(gòu)沒(méi)有統(tǒng)一的總線概念，因此設(shè)備層和IT系統(tǒng)層接口眾多、復(fù)雜性高、可靠性差，且不易升級(jí)和擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)互連互通困難，無(wú)法滿足工業(yè)4.0的需要。而基于PSB的IT架構(gòu)，是一種面向服務(wù)的架構(gòu)，將系統(tǒng)層與設(shè)備層解耦，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)有效鏈接，避免復(fù)雜接口關(guān)系的同時(shí)可以滿足工業(yè)4.0高效互連互通的需要，接口規(guī)范和解耦后也更容易在未來(lái)過(guò)渡到互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等使用的微服務(wù)架構(gòu)中，是符合未來(lái)趨勢(shì)的IT架構(gòu)。

圖2 工廠數(shù)據(jù)服務(wù)總線優(yōu)勢(shì)示意

在新能源電池?cái)?shù)字化工廠的建設(shè)過(guò)程中，基于PSB的交互要求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系打造的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化：即：硬件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化以及采集方式標(biāo)準(zhǔn)化。

（1）硬件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化 對(duì)工廠和產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、IP地址規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等進(jìn)行了規(guī)范要求和配置。

（2）數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化 根據(jù)數(shù)據(jù)使用的需求，將訂單、產(chǎn)品、物料、設(shè)備、人員和工廠環(huán)境等各類數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化梳理。

（3）數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化 各類系統(tǒng)之間的交互都實(shí)用了標(biāo)準(zhǔn)化的文件格式，如：“xml”“json”。

（4）采集方式標(biāo)準(zhǔn)化 各類系統(tǒng)交互都使用統(tǒng)一的消息隊(duì)列技術(shù)，以打造統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中臺(tái)。

3.數(shù)字化管控系統(tǒng)群

打造由制造執(zhí)行系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、發(fā)運(yùn)配送系統(tǒng)、訂單系統(tǒng)、環(huán)境管理系統(tǒng)、維修管理系統(tǒng)以及項(xiàng)目管理系統(tǒng)組成的工廠管控在線系統(tǒng)群，支撐各運(yùn)營(yíng)部門的信息化和數(shù)字化管理需求。其中制造執(zhí)行系統(tǒng)是管控系統(tǒng)群的核心。各智能裝備系統(tǒng)、工廠數(shù)據(jù)服務(wù)總線和數(shù)字化管控系統(tǒng)的架構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)字化管控系統(tǒng)群架構(gòu)關(guān)系

4.人工智能應(yīng)用

在實(shí)現(xiàn)大量詳盡數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，開展人工智能技術(shù)在新能源工廠運(yùn)營(yíng)管理中應(yīng)用的探索。可以預(yù)見到的智能化應(yīng)用包括如下四點(diǎn)。

（1）智能質(zhì)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(yōu)化 如基于來(lái)料參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的焊接和涂膠工藝參數(shù)智能優(yōu)化。

（3）預(yù)防性維修 如基于機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障預(yù)測(cè)判斷。

（4）智能排產(chǎn)和物流調(diào)度 如基于訂單數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)的智能排產(chǎn)及基于運(yùn)力分配算法的車輛智能調(diào)度。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)新能源電池?cái)?shù)字化工廠全面建設(shè)，為動(dòng)力總成事業(yè)部數(shù)字化轉(zhuǎn)型摸索經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)積累數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，建立動(dòng)力總成數(shù)字化工廠的標(biāo)桿。