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1 項目背景

隨著新能源汽車產業的快速發展，動力電池規模化制造、高質量制造成為制約我國鋰電行業和電動汽車發展的瓶頸，影響我國在世界未來新能源汽車產業格局中的地位。企業客戶對鋰電池制造商生產現場管理要求越來越高，多數客戶明確提出制造商需實施智能信息化系統加強生產現場管理，特別是物料與產品追溯管理。

本項目采用建設鋰電池智能工廠系統建設，包括鋰離子動力電池制造執行系統MES，現場生產過程數據采集系統、以及電池制造智能化決策支持系統，強化鋰電池生產過程管控，提高生產管理效率，實現鋰離子動力電池全生產過程的智能化管理、決策與分析。

2 現狀分析

某大型鋰電企業目前已經使用了ERP層軟件（SAP系統），實現了生產計劃編制、倉儲管理、合同管理、財務管理等功能。然而，ERP與生產現場之間采用缺乏生產執行之間存在“斷層”，導致計劃的執行和反饋采用人工方式，準確性、及時性、全面性不足。生產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。

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

（1）及時準確將計劃以及變更信息發布到制造現場；

（2）準確收集過程中的資源、過程以及結果信息數據；

（3）監控產品的整個作業流程，給作業人員足夠的信息指導，實現防呆管理，避免或預防問題的發生；

（4）提高產線現場對各種變更的響應以及反饋速度；

（5）實現對產品、物料的序列、批次追蹤與管理；

（6）實時記錄制造過程中的在制、工時、人員、設備等信息；

（7）給管理人員提供對作業現場進行可視化監控管理的工具；

（8）給管理人員提供改善制造流程、工藝的各種及時準確的數據；

（9）歸納/整合/分析過程信息，為高層決策提供全面及時準確的數據。

本項目的建設將建立ERP層和各種生產資源（設備、人員）之間的“橋梁”，高效組織生產資源，實現生產過程的透明化管理。

3 建設目標

通過對生產信息化系統（MES）的整體規劃、設計與分步實施和上線，實現鋰電池生產過程先進的實時數據控制，企業各個部門的生產調度、生產過程、設備、物料、質量和人員的全面管理與控制，為企業搭建一個可擴展的生產管理信息化平臺，使得生產過程透明化、高效化、柔性化、可追溯化、事中控制、高客戶滿意度、低成本運行。同時，項目以智能化裝備為基礎，數字化電池生產過程，并應用網絡技術和信息化技術，集成基于大數據的智能化分析與決策支持算法，實現了鋰電池生產過程的智能化分析和管控。

通過設置各類終端和過程數據采集接口，建設高速的車間管理網絡，實現物料信息、人員信息、設備運行過程數據、質檢數據、制造環境數據的高效、快速采集，將產品制造流程中的“人、機、料、法、環”信息自動地進行集成和關聯，實現制造指令的下達、制造執行過程中管控與制造執行進度狀態反饋的高效協同。由此加強對生產過程的正向管控與反向問題追溯與定位，不斷優化生產管理的組織和協調，提高生產效率，降低生產成本，提升產品品質，增強對市場的響應能力。

4 系統概述

本項目根據實際的制造問題，結合新一代的信息技術實現整體系統規劃，系統規劃設計采用力控科技智能工廠工業軟件平臺及解決方案，實現智能工廠的建設。

（1）采用力控企業級實時歷史數據庫及管理軟件pSpace實現車間設備互聯互通，構建統一的數據交換服務，用于將生產現場的設備情況、質量檢驗的實時數據訂閱及歷史數據歸檔，供力控工業大數據平臺FCloud分析關鍵環節數據，解決生產過程中的痛點。

（2）采用HTML5技術的力控綜合可視化軟件FWebView的人機可視化界面全面掌握生產車間現場的實時作業情況，實現移動終端遠程設備監控。

（3）生產執行制造MES系統采用力控信息集成門戶平臺FinforWorx搭建業務基礎平臺及建模，結合離散業MES插件構件整個生產環節，實現人機料法環的全面管理。

圖1 力控科技智能工廠工業軟件平臺及解決方案

5 系統組成

5.1 鋰電車間設備數據采集

通過對車間設備改造升級，設備通信接口實現統一支持工業以太網數據傳輸，采用TCP方式采集數據并存儲到數據庫pSpace中，數據包括工況參數（溫濕度）、運行參數（開停機）、工藝參數等。所涉及的終端設備及系統包括工業以太網、數據采集與監控（SCADA）、分布式控制系統（DCS）、過程控制系統（PCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、遠程監控系統等網絡設備。根據實時數據及報警規則產生關鍵工藝參數的報警信息，歷史數據歸檔按照5-10年的架構設計，長期歸檔海量歷史數據，數據可視化采用HTML5的方式呈現到系統中。

圖2 車間設備狀態監控圖

5.2 生產執行制造MES

本項目整個業務流程主要目的是實現電芯、化成、電動汽車車間的生產執行制造管理。生產管控從訂單創建到執行在MES中的標準化流程，并且在MES中單獨建立相關的產品工藝流程，控制訂單必須按照工藝流程的設計進行相關工序的報工作業。形成產品生產基本的作業報工體系，物料出入庫體系以及產品質檢體系。

在此基礎上，建立相關的看板，實現對倉庫備料作業的拉動以及對生產班組、生產訂單的作業監控和報警預警處理。并可以將訂單工序的作業圖紙與現場報工終端上進行查看。初步形成以派工單為主線的各個分子計劃的報工流程與體系，通過對分子訂單派工與報工的實時監控，實現對主計劃的精準派工，減少作業等待時間。

圖3 力控鋰電制造MES業務流程

（1）生產建模

生產建模主數據維護包含生產主數據和產品主數據，這些主數據既有本地人工維護或工具批量導入，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的主數據屬性外還添加了制造執行屬性和ERP集成屬性，甚至可以根據不同需求任意定制添加字段。主要包含：

·產品定義：與對應工藝相關的分解，半成品零部件各加工過程的完整定義；

·工藝路線：指定工藝各環節關系，如工序加工條件、目標、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：基于人員班組的模型創建，涉及到對應生產加工班次的組成及不同工藝的人員要求；

·加工設備：大型動力設施、加工工具的建模；

·工藝管理：復雜環境的適配能力，卷繞設備的多加工種類：自動卷繞、半自動卷繞工藝建模；

·BOM管理：可隨需求調整對應加工工藝路線及產品Bom，適應各類現場的需求變動；

·批量處理：批量導入工藝文件、工藝指導書。

（2）計劃管理

實現按訂單驅動的主生產計劃，通過物料需求計劃引擎自動生成采購計劃、備料計劃、自制制令計劃縮短計劃編制時間，檢查齊套性。

車間通過MES平臺自動接收上級分解出的生產任務，根據生產模型和生產資源進行有限能力排程，分解成各個生產線、工作中心生產指令、用料需求，實現精準投產。

（3）物料管理

通過物料管理模塊實現物料在系統間的傳遞，倉庫根據領料計劃，按需發料給車間，車間在工序上投料消耗，主要包含物料主數據：與SAP集成物料的基礎數據管理；庫存管理：原材料領發料、成品出入庫、盤點、統計等標準庫存管理功能；物料拉動：實現基于現場物料狀態自動觸發或手工觸發生成需求來拉動物料配送；物料配送、簽收：實現對車間物料配送簽收的電子化管理；物料狀態跟蹤：實時動態更新跟蹤物料狀態及領料人員的工作情況。

（4）調度管理

車間作業按照批次管理，生產按照在制品批號實現工序間的物料流轉，生產過程中提交各工序對應批次的生產記錄、在制品批次流轉記錄、生產報工數量、報廢不良原因。通過條碼、電子標簽、PDA等技術手段實時準確的采集作業現場的數據，包括人、機、料、質量等數據，實現生產的透明化管理。建立生產異常報警和異常快速響應的機制，確保生產正常、連續運行，提高生產運作效率。

（5）質量管理

通過質量管理建模可構建不同產品及工藝要求的檢驗模型。質檢方式采用首件檢查、巡檢抽查、自檢等多種模式，對關鍵環節點設定必檢流程。檢驗數據提取按照多次采樣組方式，定義對應的不良情況及返修流程，處理方式以降檔或報廢等多種級別，用于質量分析及追溯。

（6）設備管理

通過設備管理的標準化，加強設備檢修和維護，減少無效停機或者設備故障對生產的影響提升設備綜合效率。主要包括設備運維：完成對設備運維全生命周期的管理，包括設備臺帳檔案、設備保養計劃、維護、維修、改造、報廢以及備品備件的管理；設備監控：通過最新的網絡通訊技術和數控采集技術對設備的運作狀態、參數、生產數據進行實時采集和監控；設備分析：分析設備的完好率、故障率、利用率等指標，全面了解現有設備的性能。

（7）看板管理

通過看板管理實現實時查詢訂單在制品的生產進度，各個作業崗位的作業狀態、作業負荷、設備狀態等信息。主要包含生產計劃看板：實時動態跟蹤生產計劃的執行情況，反饋產品產線運轉情況；工位看板：監控各工作單元的生產情況，人員出勤、實際投產及加工狀況，設備及物料的異常情況；設備工況監控看板：反饋設備運行狀況和異常情況。

（8）生產追溯

通過生成產品追溯表，對生產批次在生產過程中的人、機、料、法、環、測進行全面的追溯，形成完整的質量檔案。支持相關條件的正向或逆向查詢。

（9）生產統計與分析

根據條件統計各個班組的作業完成情況，查詢現場作業人員的作業數量以及工時信息統計分析，根據條件查詢所有在制品的整體運行情況，并對各車間基于產量、不良、班組作業能力進行統計分析。

6 基于工業大數據的行業應用

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大量的工時，不同容段的監測鑒別難度較大，無法實時性的監測電芯電容等情況。需要采用大數據方式優化工藝，從而實現根據采集的歷史數據訓練分選模型，實時采集過程數據診斷電池容量情況，預測模型發現不良情況及時反饋，將異同類的電芯快速甄別提高分選效率等目標。

圖4 電容波動統計

圖5 大數據管理平臺

圖6 電容分選診斷

圖7 電芯產量分析

7 項目應用總結

系統實施后幫助企業理順了車間生產業務流程，強化了車間生產管理過程，確保了質量控制的管理要求。能夠根據客戶要求完成追溯管理、產線防錯防呆的功能實施，滿足客戶審核要求，在此基礎上滿足了各事業部對生產管理的需求。

系統主要完成功能：

（1）完成鋰電池車間總體設計；

（2）構建車間互聯互通網絡架構與信息模型；

（3）在數字化環境下對產品的工藝進行規劃，實現工藝流程布局及數字化建模；

（4）通過實時數據庫系統和業務終端采集系統，實現過程數據和業務數據的采集；

（5）通過圖形組態開發工具及相應的web可視化組件實現數據的可視化；

（6）開發各類標準接口，實現了現場數據與生產管理軟件信息集成；

（7）通過開發數據交互接口，實現了企業資源計劃（ERP）系統高效協同與集成；

（8）基于采集的生產數據，構建大數據平臺，采用科學的分析方法實現分析與優化。

通過整個系統的深入應用使得工廠管理標準化、透明化、可視化，精準掌控整個生產過程，為企業決策提供依據。從而提升企業管理水平，增強企業市場競爭力，提升企業形象。

摘自《自動化博覽》2020年2月刊