新能源电池数字化工厂建设解析

一汽-大众汽车有限公司 吉林长春 130011

建设必要性

随着网络技术、信息技术以及人工智能技术的飞速发展，各行各业均面临着智能化时代的崭新机遇和挑战。基于集团全面体系与数字化建设和一汽-大众管理数字化的战略要求，以数字化转型驱动工厂运营体系变革，即以快速反应处理工厂里各种状态变化，以变化的控制手段主动适应变化，以提前预测感知避免意外变化，从而在制造业的新时代里，不断提升工厂“质量优、效率高、成本低、全透明”的竞争优势，也是部门“数字化转型”的核心课题。

相较传统工厂，新能源电池工厂有更高的需求。

1.保证产品的高安全性

安全性是电动汽车消费者关注的第一要素，保证新能源电池产品的高安全性是维系电动汽车产品竞争力的第一要务。对于新能源产品，制造保障安全和设计保障安全同样重要。在电池工厂的各制造环节中，焊接工艺需保证产品的强度，拧紧和涂胶工艺需保证产品的密封性，试漏和电检等检测工艺需保证对产品的密封、绝缘、耐压、充放电和通信等关键性能给出准确评价。每个环节的质量控制都不容纰漏，需要完整地记录过程控制参数和检测结果值。基于此，国家也已经出台了新能源电池产品的溯源管理规定，明确要求生产企业对生产全过程进行有效的信息采集和数据追溯。

2.保证生产过程的高安全性

新能源电池产品的高压和可燃风险，需要生产企业重视生产过程的安全性保障。比如高压工位操作人员需要经过系统的培训考核才能获得操作资质，相应的安全穿戴也有严格的标准要求。

3.保证产品的快速迭代

新能源电池产品更趋近于电子类产品，具备快速迭代的特点。模组、软件甚至整包设计方案仅在项目建设期就可能产生多次变更或迭代，这便要求设备能够更柔性地适应品种变化，同时项目和生产的组织更敏捷高效。

4.保证制造过程的节能环保

新能源电池产品本身是应对社会节能环保的要求而诞生的，新能源电池工厂也应采取综合利用优化能耗、避免浪费、减少排放及使用新型能源等措施，保证其制造全过程更加节能环保。

以上需求利用传统技术手段很难有所突破，唯有通过数字化的创新手段才能满足。新能源电池数字化工厂建设不仅要保证工厂运营优质高效，而且是“质量更精细、更安全可靠、更柔性敏捷、更节能环保需求”的现实需要。

一汽-大众动力在新能源产品生产准备方面的建设重点，是长春奥迪和佛山大众MEB电池工厂。两款电池总成均为各自品牌面向未来的主力产品，投资包含壳体焊装线和电池包装配线。在结合传统工厂相关数字化建设经验的基础上，在电池工厂建设过程中，明确提出了全数字化新能源工厂的建设目标，以期树立一汽-大众全新数字化工厂标杆，也望为一汽集团和一汽-大众后续广阔的数字化工厂建设铺路奠基。

建设目标

通过系统分析工厂数字化建设的现状经验，为新能源电池数字化工厂设定包括智能装备、数据标准体系、数字化管控系统群以及人工智能应用四个方面的建设目标。

1.装备高效自动化

新能源电池数字化工厂的高建设目标，要求在装备层有更高水平的技术创新。机器人、自动化运输装备、机器视觉以及新型传感器等智能装备技术的发展，使我们有可能更柔性化地组织生产线，丰富实时自动化的数据采集手段。

2.数据基础标准化

以往企业工厂内的设备与IT系统之间缺乏有效数据连接，设备层的数据无法传递出去，只能通过人工记录统计，造成工时浪费的同时已远远满足不了实时化、大数据的管理需要。因此，需要在新能源工厂实现设备与IT系统以及IT系统之间的高效互连互通，实现主动地数据规划、规范数据结构、构建数据中台及挖掘数据价值，这是亟待解决的问题。

3.经营业务在线化

传统工厂IT系统覆盖率低，仅有零散的设备或生产线管理系统用于控制设备、收集质量数据等，众多业务流程（如质量分析、安全管理、维修管理以及工厂服务等）缺乏专门的业务IT系统服务于未来数字化管理方式，因此急需提升业务IT系统覆盖程度。

4.管理决策智能化

数据标准化和业务在线化后，希望能够实现数字业务化，即通过管理决策智能化，在以下六点收获数字化的经济效益。

1）通过参数预判、智能质检等措施降低废品率，预防潜在缺陷。

2）通过系统互联互通，实现全价值链单件流和准时化供货，最大化降低零件和总成库存。

3）通过主动智能化控制用能设备等措施，降低工厂能耗。

4）通过信息流高效传递，减少停台和节拍损失，提升产线效率。

5）通过三维建模和仿真技术，提前发现工厂设计缺陷，并解决工艺瓶颈，减少实物阶段纠错投入。

6）通过工艺智能建模，实现工艺参数快速优化选择，减少大量工艺试验消耗。

建设方案

新能源电池数字化工厂的建设的整体架构，如图1所示。“业务数字化，数字业务化”体现在四个方面，其建设内容具体如下。

1.智能装备

机器人是柔性化产线的基础装备，在长春奥迪和佛山大众MEB电池产线上分别投入了105台Fanuc机器人和116台KUKA机器人，用于完成焊接、搬运、组装、拧紧和涂胶等工艺内容，实现不同品种电池产品的零换线时间切换。同时，计划在电池工厂投入协作机器人用于零件抽检、备件取送货和返修辅助操作等。

自动导航运输设备（AGV）是柔性配送运输的基础，在两条电池产线内，AGV将广泛用于零件上线、总成线内运输以及发运等环节。其中，在长春奥迪电池装配线首次采用基于即时定位与地图构建技术（SLAM）的AGV系统，这套解决方案与北京大兴国际机场的智能泊车系统完全相同。

图1 数字化工厂建设的整体架构

机器视觉技术近年来发展迅速，在电池产线内，应用双目视觉系统导引机器人自动抓取模组、壳体等零件，实现零件的自动上下料。同时，通过部署热成像视觉摄像系统，实时监控产线和物流区域内总成和模组等的零件温度，实现异常温度变化的即时报警，提前发现电池热失控，保证生产安全。另外，在重点工位也部署了视频监控系统，实现设备异常提醒、人员进入权限确认和劳保用品穿戴智能检查等功能。

利用射频识别和超宽带通信技术，实现了工厂内定位和运输环节的数据传递。

2.数据标准体系

大众集团2019年在工业生产领域提出了数字生产平台（DPP）的概念，核心目标即通过标准化的数据交换打造统一开放的工业云平台。其中工厂数据服务总线（PSB，Plant Service Bus）是DPP平台内工厂管控系统的连接和交互中枢，其相较于传统工厂IT架构的优点如图2所示。

传统工厂IT架构没有统一的总线概念，因此设备层和IT系统层接口众多、复杂性高、可靠性差，且不易升级和扩展，实现互连互通困难，无法满足工业4.0的需要。而基于PSB的IT架构，是一种面向服务的架构，将系统层与设备层解耦，通过标准化接口实现有效链接，避免复杂接口关系的同时可以满足工业4.0高效互连互通的需要，接口规范和解耦后也更容易在未来过渡到互联网企业等使用的微服务架构中，是符合未来趋势的IT架构。

图2 工厂数据服务总线优势示意

在新能源电池数字化工厂的建设过程中，基于PSB的交互要求，实现了数据标准体系打造的4个标准化：即：硬件架构标准化、数据内容标准化、数据格式标准化以及采集方式标准化。

（1）硬件架构标准化 对工厂和产线的网络架构、IP地址规划、网络设备等进行了规范要求和配置。

（2）数据内容标准化 根据数据使用的需求，将订单、产品、物料、设备、人员和工厂环境等各类数据进行了标准化梳理。

（3）数据格式标准化 各类系统之间的交互都实用了标准化的文件格式，如：“xml”“json”。

（4）采集方式标准化 各类系统交互都使用统一的消息队列技术，以打造统一的数据中台。

3.数字化管控系统群

打造由制造执行系统、安全管理系统、质量管理系统、发运配送系统、订单系统、环境管理系统、维修管理系统以及项目管理系统组成的工厂管控在线系统群，支撑各运营部门的信息化和数字化管理需求。其中制造执行系统是管控系统群的核心。各智能装备系统、工厂数据服务总线和数字化管控系统的架构关系如图3所示。

图3 数字化管控系统群架构关系

4.人工智能应用

在实现大量详尽数据采集的基础上，开展人工智能技术在新能源工厂运营管理中应用的探索。可以预见到的智能化应用包括如下四点。

（1）智能质量分析 如基于拧紧曲线的拧紧缺陷智能判断。

（2）智能工艺优化 如基于来料参数和环境参数的焊接和涂胶工艺参数智能优化。

（3）预防性维修 如基于机器人运行状态数据的故障预测判断。

（4）智能排产和物流调度 如基于订单数据和设备状态的智能排产及基于运力分配算法的车辆智能调度。

结语

通过新能源电池数字化工厂全面建设，为动力总成事业部数字化转型摸索经验，总结积累数字化技术应用标准，建立动力总成数字化工厂的标杆。