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1 項(xiàng)目背景

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，動力電池規(guī)模化制造、高質(zhì)量制造成為制約我國鋰電行業(yè)和電動汽車發(fā)展的瓶頸，影響我國在世界未來新能源汽車產(chǎn)業(yè)格局中的地位。企業(yè)客戶對鋰電池制造商生產(chǎn)現(xiàn)場管理要求越來越高，多數(shù)客戶明確提出制造商需實(shí)施智能信息化系統(tǒng)加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場管理，特別是物料與產(chǎn)品追溯管理。

本項(xiàng)目采用建設(shè)鋰電池智能工廠系統(tǒng)建設(shè)，包括鋰離子動力電池制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，現(xiàn)場生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及電池制造智能化決策支持系統(tǒng)，強(qiáng)化鋰電池生產(chǎn)過程管控，提高生產(chǎn)管理效率，實(shí)現(xiàn)鋰離子動力電池全生產(chǎn)過程的智能化管理、決策與分析。

2 現(xiàn)狀分析

某大型鋰電企業(yè)目前已經(jīng)使用了ERP層軟件（SAP系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃編制、倉儲管理、合同管理、財(cái)務(wù)管理等功能。然而，ERP與生產(chǎn)現(xiàn)場之間采用缺乏生產(chǎn)執(zhí)行之間存在“斷層”，導(dǎo)致計(jì)劃的執(zhí)行和反饋采用人工方式，準(zhǔn)確性、及時性、全面性不足。生產(chǎn)管理過程中信息的搜集、傳遞采用人工方式，分析使用不便，管理過程缺乏透明度和效率。

企業(yè)鋰電現(xiàn)場生產(chǎn)主要是多品種大批量的生產(chǎn)模式，且多種產(chǎn)品的物料種類較多，整個制造過程是以SAP以及生產(chǎn)訂單為主線的派工制造流程。目前在管理和生產(chǎn)制造上急需滿足以下需求：

（1）及時準(zhǔn)確將計(jì)劃以及變更信息發(fā)布到制造現(xiàn)場；

（2）準(zhǔn)確收集過程中的資源、過程以及結(jié)果信息數(shù)據(jù)；

（3）監(jiān)控產(chǎn)品的整個作業(yè)流程，給作業(yè)人員足夠的信息指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)防呆管理，避免或預(yù)防問題的發(fā)生；

（4）提高產(chǎn)線現(xiàn)場對各種變更的響應(yīng)以及反饋速度；

（5）實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品、物料的序列、批次追蹤與管理；

（6）實(shí)時記錄制造過程中的在制、工時、人員、設(shè)備等信息；

（7）給管理人員提供對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行可視化監(jiān)控管理的工具；

（8）給管理人員提供改善制造流程、工藝的各種及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；

（9）歸納/整合/分析過程信息，為高層決策提供全面及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目的建設(shè)將建立ERP層和各種生產(chǎn)資源（設(shè)備、人員）之間的“橋梁”，高效組織生產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化管理。

3 建設(shè)目標(biāo)

通過對生產(chǎn)信息化系統(tǒng)（MES）的整體規(guī)劃、設(shè)計(jì)與分步實(shí)施和上線，實(shí)現(xiàn)鋰電池生產(chǎn)過程先進(jìn)的實(shí)時數(shù)據(jù)控制，企業(yè)各個部門的生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)過程、設(shè)備、物料、質(zhì)量和人員的全面管理與控制，為企業(yè)搭建一個可擴(kuò)展的生產(chǎn)管理信息化平臺，使得生產(chǎn)過程透明化、高效化、柔性化、可追溯化、事中控制、高客戶滿意度、低成本運(yùn)行。同時，項(xiàng)目以智能化裝備為基礎(chǔ)，數(shù)字化電池生產(chǎn)過程，并應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息化技術(shù)，集成基于大數(shù)據(jù)的智能化分析與決策支持算法，實(shí)現(xiàn)了鋰電池生產(chǎn)過程的智能化分析和管控。

通過設(shè)置各類終端和過程數(shù)據(jù)采集接口，建設(shè)高速的車間管理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物料信息、人員信息、設(shè)備運(yùn)行過程數(shù)據(jù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)、制造環(huán)境數(shù)據(jù)的高效、快速采集，將產(chǎn)品制造流程中的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”信息自動地進(jìn)行集成和關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)制造指令的下達(dá)、制造執(zhí)行過程中管控與制造執(zhí)行進(jìn)度狀態(tài)反饋的高效協(xié)同。由此加強(qiáng)對生產(chǎn)過程的正向管控與反向問題追溯與定位，不斷優(yōu)化生產(chǎn)管理的組織和協(xié)調(diào)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品品質(zhì)，增強(qiáng)對市場的響應(yīng)能力。

4 系統(tǒng)概述

本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際的制造問題，結(jié)合新一代的信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)規(guī)劃，系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)采用力控科技智能工廠工業(yè)軟件平臺及解決方案，實(shí)現(xiàn)智能工廠的建設(shè)。

（1）采用力控企業(yè)級實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫及管理軟件pSpace實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備互聯(lián)互通，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換服務(wù)，用于將生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備情況、質(zhì)量檢驗(yàn)的實(shí)時數(shù)據(jù)訂閱及歷史數(shù)據(jù)歸檔，供力控工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺FCloud分析關(guān)鍵環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，解決生產(chǎn)過程中的痛點(diǎn)。

（2）采用HTML5技術(shù)的力控綜合可視化軟件FWebView的人機(jī)可視化界面全面掌握生產(chǎn)車間現(xiàn)場的實(shí)時作業(yè)情況，實(shí)現(xiàn)移動終端遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控。

（3）生產(chǎn)執(zhí)行制造MES系統(tǒng)采用力控信息集成門戶平臺FinforWorx搭建業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺及建模，結(jié)合離散業(yè)MES插件構(gòu)件整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)料法環(huán)的全面管理。

圖1 力控科技智能工廠工業(yè)軟件平臺及解決方案

5 系統(tǒng)組成

5.1 鋰電車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集

通過對車間設(shè)備改造升級，設(shè)備通信接口實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一支持工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，采用TCP方式采集數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫pSpace中，數(shù)據(jù)包括工況參數(shù)（溫濕度）、運(yùn)行參數(shù)（開停機(jī)）、工藝參數(shù)等。所涉及的終端設(shè)備及系統(tǒng)包括工業(yè)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、過程控制系統(tǒng)（PCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)及報(bào)警規(guī)則產(chǎn)生關(guān)鍵工藝參數(shù)的報(bào)警信息，歷史數(shù)據(jù)歸檔按照5-10年的架構(gòu)設(shè)計(jì)，長期歸檔海量歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可視化采用HTML5的方式呈現(xiàn)到系統(tǒng)中。

圖2 車間設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控圖

5.2 生產(chǎn)執(zhí)行制造MES

本項(xiàng)目整個業(yè)務(wù)流程主要目的是實(shí)現(xiàn)電芯、化成、電動汽車車間的生產(chǎn)執(zhí)行制造管理。生產(chǎn)管控從訂單創(chuàng)建到執(zhí)行在MES中的標(biāo)準(zhǔn)化流程，并且在MES中單獨(dú)建立相關(guān)的產(chǎn)品工藝流程，控制訂單必須按照工藝流程的設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)工序的報(bào)工作業(yè)。形成產(chǎn)品生產(chǎn)基本的作業(yè)報(bào)工體系，物料出入庫體系以及產(chǎn)品質(zhì)檢體系。

在此基礎(chǔ)上，建立相關(guān)的看板，實(shí)現(xiàn)對倉庫備料作業(yè)的拉動以及對生產(chǎn)班組、生產(chǎn)訂單的作業(yè)監(jiān)控和報(bào)警預(yù)警處理。并可以將訂單工序的作業(yè)圖紙與現(xiàn)場報(bào)工終端上進(jìn)行查看。初步形成以派工單為主線的各個分子計(jì)劃的報(bào)工流程與體系，通過對分子訂單派工與報(bào)工的實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對主計(jì)劃的精準(zhǔn)派工，減少作業(yè)等待時間。

圖3 力控鋰電制造MES業(yè)務(wù)流程

（1）生產(chǎn)建模

生產(chǎn)建模主數(shù)據(jù)維護(hù)包含生產(chǎn)主數(shù)據(jù)和產(chǎn)品主數(shù)據(jù)，這些主數(shù)據(jù)既有本地人工維護(hù)或工具批量導(dǎo)入，也可以完全通過啟用ERP集成自動傳輸。整個方案除了支持ERP的主數(shù)據(jù)屬性外還添加了制造執(zhí)行屬性和ERP集成屬性，甚至可以根據(jù)不同需求任意定制添加字段。主要包含：

·產(chǎn)品定義：與對應(yīng)工藝相關(guān)的分解，半成品零部件各加工過程的完整定義；

·工藝路線：指定工藝各環(huán)節(jié)關(guān)系，如工序加工條件、目標(biāo)、制造工藝Bom、所需加工資源等；

·工廠建模：從工廠到工作單元及庫房各層級的建模；

·組織架構(gòu)：基于人員班組的模型創(chuàng)建，涉及到對應(yīng)生產(chǎn)加工班次的組成及不同工藝的人員要求；

·加工設(shè)備：大型動力設(shè)施、加工工具的建模；

·工藝管理：復(fù)雜環(huán)境的適配能力，卷繞設(shè)備的多加工種類：自動卷繞、半自動卷繞工藝建模；

·BOM管理：可隨需求調(diào)整對應(yīng)加工工藝路線及產(chǎn)品Bom，適應(yīng)各類現(xiàn)場的需求變動；

·批量處理：批量導(dǎo)入工藝文件、工藝指導(dǎo)書。

（2）計(jì)劃管理

實(shí)現(xiàn)按訂單驅(qū)動的主生產(chǎn)計(jì)劃，通過物料需求計(jì)劃引擎自動生成采購計(jì)劃、備料計(jì)劃、自制制令計(jì)劃縮短計(jì)劃編制時間，檢查齊套性。

車間通過MES平臺自動接收上級分解出的生產(chǎn)任務(wù)，根據(jù)生產(chǎn)模型和生產(chǎn)資源進(jìn)行有限能力排程，分解成各個生產(chǎn)線、工作中心生產(chǎn)指令、用料需求，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投產(chǎn)。

（3）物料管理

通過物料管理模塊實(shí)現(xiàn)物料在系統(tǒng)間的傳遞，倉庫根據(jù)領(lǐng)料計(jì)劃，按需發(fā)料給車間，車間在工序上投料消耗，主要包含物料主數(shù)據(jù)：與SAP集成物料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理；庫存管理：原材料領(lǐng)發(fā)料、成品出入庫、盤點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)庫存管理功能；物料拉動：實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場物料狀態(tài)自動觸發(fā)或手工觸發(fā)生成需求來拉動物料配送；物料配送、簽收：實(shí)現(xiàn)對車間物料配送簽收的電子化管理；物料狀態(tài)跟蹤：實(shí)時動態(tài)更新跟蹤物料狀態(tài)及領(lǐng)料人員的工作情況。

（4）調(diào)度管理

車間作業(yè)按照批次管理，生產(chǎn)按照在制品批號實(shí)現(xiàn)工序間的物料流轉(zhuǎn)，生產(chǎn)過程中提交各工序?qū)?yīng)批次的生產(chǎn)記錄、在制品批次流轉(zhuǎn)記錄、生產(chǎn)報(bào)工數(shù)量、報(bào)廢不良原因。通過條碼、電子標(biāo)簽、PDA等技術(shù)手段實(shí)時準(zhǔn)確的采集作業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，包括人、機(jī)、料、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的透明化管理。建立生產(chǎn)異常報(bào)警和異常快速響應(yīng)的機(jī)制，確保生產(chǎn)正常、連續(xù)運(yùn)行，提高生產(chǎn)運(yùn)作效率。

（5）質(zhì)量管理

通過質(zhì)量管理建模可構(gòu)建不同產(chǎn)品及工藝要求的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｙ|(zhì)檢方式采用首件檢查、巡檢抽查、自檢等多種模式，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)點(diǎn)設(shè)定必檢流程。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)提取按照多次采樣組方式，定義對應(yīng)的不良情況及返修流程，處理方式以降檔或報(bào)廢等多種級別，用于質(zhì)量分析及追溯。

（6）設(shè)備管理

通過設(shè)備管理的標(biāo)準(zhǔn)化，加強(qiáng)設(shè)備檢修和維護(hù)，減少無效停機(jī)或者設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響提升設(shè)備綜合效率。主要包括設(shè)備運(yùn)維：完成對設(shè)備運(yùn)維全生命周期的管理，包括設(shè)備臺帳檔案、設(shè)備保養(yǎng)計(jì)劃、維護(hù)、維修、改造、報(bào)廢以及備品備件的管理；設(shè)備監(jiān)控：通過最新的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和數(shù)控采集技術(shù)對設(shè)備的運(yùn)作狀態(tài)、參數(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和監(jiān)控；設(shè)備分析：分析設(shè)備的完好率、故障率、利用率等指標(biāo)，全面了解現(xiàn)有設(shè)備的性能。

（7）看板管理

通過看板管理實(shí)現(xiàn)實(shí)時查詢訂單在制品的生產(chǎn)進(jìn)度，各個作業(yè)崗位的作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)負(fù)荷、設(shè)備狀態(tài)等信息。主要包含生產(chǎn)計(jì)劃看板：實(shí)時動態(tài)跟蹤生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行情況，反饋產(chǎn)品產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)情況；工位看板：監(jiān)控各工作單元的生產(chǎn)情況，人員出勤、實(shí)際投產(chǎn)及加工狀況，設(shè)備及物料的異常情況；設(shè)備工況監(jiān)控看板：反饋設(shè)備運(yùn)行狀況和異常情況。

（8）生產(chǎn)追溯

通過生成產(chǎn)品追溯表，對生產(chǎn)批次在生產(chǎn)過程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測進(jìn)行全面的追溯，形成完整的質(zhì)量檔案。支持相關(guān)條件的正向或逆向查詢。

（9）生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)與分析

根據(jù)條件統(tǒng)計(jì)各個班組的作業(yè)完成情況，查詢現(xiàn)場作業(yè)人員的作業(yè)數(shù)量以及工時信息統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)條件查詢所有在制品的整體運(yùn)行情況，并對各車間基于產(chǎn)量、不良、班組作業(yè)能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

6 基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的行業(yè)應(yīng)用

由于在電容分選過程中電芯化成各容段分類工作較為繁瑣，人工的分選方式往往耗費(fèi)大量的工時，不同容段的監(jiān)測鑒別難度較大，無法實(shí)時性的監(jiān)測電芯電容等情況。需要采用大數(shù)據(jù)方式優(yōu)化工藝，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)采集的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練分選模型，實(shí)時采集過程數(shù)據(jù)診斷電池容量情況，預(yù)測模型發(fā)現(xiàn)不良情況及時反饋，將異同類的電芯快速甄別提高分選效率等目標(biāo)。

圖4 電容波動統(tǒng)計(jì)

圖5 大數(shù)據(jù)管理平臺

圖6 電容分選診斷

圖7 電芯產(chǎn)量分析

7 項(xiàng)目應(yīng)用總結(jié)

系統(tǒng)實(shí)施后幫助企業(yè)理順了車間生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程，強(qiáng)化了車間生產(chǎn)管理過程，確保了質(zhì)量控制的管理要求。能夠根據(jù)客戶要求完成追溯管理、產(chǎn)線防錯防呆的功能實(shí)施，滿足客戶審核要求，在此基礎(chǔ)上滿足了各事業(yè)部對生產(chǎn)管理的需求。

系統(tǒng)主要完成功能：

（1）完成鋰電池車間總體設(shè)計(jì)；

（2）構(gòu)建車間互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與信息模型；

（3）在數(shù)字化環(huán)境下對產(chǎn)品的工藝進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)工藝流程布局及數(shù)字化建模；

（4）通過實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和業(yè)務(wù)終端采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集；

（5）通過圖形組態(tài)開發(fā)工具及相應(yīng)的web可視化組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化；

（6）開發(fā)各類標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)與生產(chǎn)管理軟件信息集成；

（7）通過開發(fā)數(shù)據(jù)交互接口，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)高效協(xié)同與集成；

（8）基于采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺，采用科學(xué)的分析方法實(shí)現(xiàn)分析與優(yōu)化。

通過整個系統(tǒng)的深入應(yīng)用使得工廠管理標(biāo)準(zhǔn)化、透明化、可視化，精準(zhǔn)掌控整個生產(chǎn)過程，為企業(yè)決策提供依據(jù)。從而提升企業(yè)管理水平，增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力，提升企業(yè)形象。

摘自《自動化博覽》2020年2月刊