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    寧德時代智能工廠實踐與創新

    來源:智匯工業

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    所屬頻道:新聞中心

    關鍵詞:智能工廠

      鋰電池生產是典型的離散型制造業。正因如此,鋰電池企業面臨著諸多問題。為滿足生產制造能力和可持續發展需要,寧德時代在智能工廠的建設上不斷實踐與創新,為智能制造提供了一個成功模板。通過實施智能工廠戰略,寧德時代也完成了智能制造三個階段的升級躍遷。

      寧德時代新能源科技股份有限公司(以下簡稱“寧德時代”)是全球領先的鋰離子電池研發制造公司,總部位于中國福建省寧德市。寧德時代深耕國內,在福建寧德、江蘇溧陽、青海西寧、四川宜賓和廣東肇慶等地布局了電池生產制造基地。同時,寧德時代積極拓展海外,首個海外工廠落戶于德國圖林根州埃爾福特,同時在德國慕尼黑、法國巴黎、日本橫濱、美國底特律等地設有子公司。

      鋰電池雖然是目前動力電池的主流產品,但是,鋰電池生產是典型的離散型制造業,其中電池制造的前工序膜卷制造有部分流程行業的特點,除此之外的電池制造、裝配、模組封裝都是典型的離散制造。因其行業產品本身的特點,如產品工藝復雜、制造流程長、管控點多、數據量巨大、對檢測手段多樣化的需求強烈、海量數據的價值沒有被完全挖掘并發揮等,都是鋰電池企業面臨的主要問題。對高性能鋰電池,可能還面臨著一致性差、生產效率低等困境,生產制造能力仍無法滿足巨大的市場需求。面臨這些問題,寧德時代在智能工廠的建設上不斷進行著實踐與創新。

      智能制造三階段

      為滿足生產制造能力和可持續發展需要,作為動力電池龍頭企業,從2011年發展至今,寧德時代智能制造戰略完成了邁向智能制造三個階段的升級躍遷,即“自動化”階段、“自動化+系統化”階段和“數字化+智能化”階段。

      “自動化”階段?!白詣踊彪A段是2011年—2013年。這個時期,寧德時代主要在自動化水平方面,包括設備自動化、生產線自動化、物流自動化、倉儲自動化等方面進行快速提升。寧德時代逐漸建立起工程設計、測試驗證、工藝制造等制造流程完善體系。在積累專業知識、豐富實踐經驗的同時,培育起一批擁有先進制造潛力的自動化裝備供應商,并與之共同成長。

      “自動化+系統化”階段?!白詣踊?系統化”階段是2014年—2017年。2014年被稱為“SAP應用元年”,動力電池規?;圃煨枨筇嵘?。在此階段,寧德時代開始陸續導入軟件巨頭SAP的企業管理系統(ERP)、供應商關系管理(SRM)和客戶關系管理(CRM)系統。2015年,“物聯網應用元年”開啟,大量產品生命周期管理(PLM)應用軟件被動力電池企業導入應用,設備端的大量數據逐漸上線。同年,寧德時代開啟了CPS(CATL Production System)體系建設,著手建立起大數據平臺,搭建物聯網體系,并部署私有云和公有云平臺,為后面的大數據分析和智能化導入奠定了良好的系統基礎。

      “數字化+智能化”階段?!皵底只?智能化”階段是指2017年至今。2017—2018年,寧德時代啟動數據管理分析相關工作,包括數據管理、數據應用、數據分析,以及切入實際的生產線和工藝優化上,這在生產過程中發揮了極大的作用。這個時期,寧德時代開始嘗試使用AI來解決鋰電池制造難題,并在2019年取得了成功,AI應用開始在動力電池制造領域滲透。寧德時代開始關注如何基于導入的制造大數據,利用先進算法對設備進行智能維護,對生產線進行智能排程,并對質量進行智能管控。2019年以來,公司已經嘗試在生產線上推廣5G技術、AI技術、自學習技術、圖像識別、視頻流智能監控技術等。

      寧德時代實施智能制造的最終目的是探索通過產品、設備和信息化的高度結合,合理優化企業內部生產組織和管理流程,實現符合自身實際的企業可持續發展路徑與方法。

      智能制造實施的總體規劃

      智能制造的總體技術路線分為三個部分。

      第一部分,在研發設計方面,采用數字化三維設計、模擬仿真技術進行產品設計,并且導入PLM系統進行全生命周期的數據管理。

      第二部分,在生產線智能化方面,針對設備開發和生產線建設,堅持關鍵技術國產化的路線,導入三維仿真、在線檢測、智能化物流等技術,推動生產線的智能化水平。

      第三部分,在信息化架構方面,通過制定標準化的設備導入規范,建立互聯互通的工業網絡,建立覆蓋全生產要素的制造執行系統,實現全生產過程的數據采集、信息追溯、狀態檢測和防呆控制,確保生產過程的成本節約、安全可控、精益高效和質量一致。在此基礎上,通過集成研發、設計、供應鏈和售后服務系統,驅動全價值鏈的集成和優化。

      自動化建設

      工廠的自動化建設,有助于實現鋰電池智能裝備的自主研發可控。

      鋰電池獨特的電化學特性對整個制作過程提出了高一致性標準,也要求每一道工序的設備都具備高精度和穩定性。

      關鍵技術研發設備包括高速分散攪拌系統、高速雙層多面多層擠壓式涂布機、極片輥壓設備、高速模切機、高速預分切機及分切機、極耳焊接機、激光焊接機、注液機、氣密性檢測機、全自動化成系統、自動干燥線、極片立體倉庫、裝配段物流線、烘烤爐段智能物流線、模組組件及底板涂膠機、模組側縫冷金屬焊接機等。

      寧德時代研發了高速雙面多層擠壓式涂布機,該裝備采用放卷及裁切機構、主牽引機構、涂布裝置、真空吸附裝置、氣浮式烘箱、后牽引機構、收卷及裁切機構、CCD寬度方向檢測單元和智能測厚系統等結構。同時,公司開發了相應的以太網總線運動控制系統,能夠自動驅動各功能部件協調動作,將制成的漿料均勻地涂覆在金屬箔的表面,并自動烘干形成正負極極片。該裝備技術性能達到國際領先水平,打破了國外壟斷,可本土化替代。

      通過采用自主研發及與合作伙伴聯合研發相結合的方式,寧德時代不斷提升生產線自動化率,將經驗、工藝沉淀到自動化設備和系統中,把異常因素降到最低,鑄就一致性極高的產品。

      系統化建設

      利用系統化建設,寧德時代實現了高效的企業運作和全流程信息化管理。

      對智能工廠的建設,寧德時代制定了清晰的信息系統戰略規劃,通過構建信息系統來達成如下目標。

      第一,通過在各個層面有效地利用信息與知識促使CATL保持競爭優勢并實現戰略目標。

      第二,通過業務流程創新和信息技術創新來提高市場、銷售、研發、運營和售后的效率。

      第三,通過為員工提供知識共享和協同能力,使他們能夠交付符合預期的結果。

      第四,通過對產品全生命周期的數據收集和分析,提供及時的、有預見性的服務以超越客戶期望。寧德時代在制造信息系統方面,打造了多個層面的集成和協同。

      系統化建設的實施具體包括以下幾個方面。

      一是物聯網終端采集控制層,實現基礎數據采集準確完整。寧德時代針對鋰電池行業制造系統復雜、設備數量大、數據通信缺少規范標準、多源異構數據類型導致通信效率低、數據平臺管理困難等問題,研究基于OPC UA的多源異構數據采集技術,開發了自主知識產權的統一數據采集平臺,建立了電池制造生產線數據通信標準規范,同時借鑒互聯網行業數據總線技術,打造了鋰電流數據總線,解決了海量生產數據高速、并發傳輸問題,滿足了各層級信息系統對實時、時序數據進行并發處理的需求。

      二是制造與物流執行控制層,助力制造現場各要素數據互通。以制造現場管理為核心的“人、機、具、料、法、環、能”全生產要素的集成,包括MES、LES、WMS、MHR、FIS、EMS、PDMS,以及它們與制造大數據平臺MDP、E-Mail、移動App的集成處理。其中隱含的基礎是構建在整個物聯網和互聯網環境下,制造過程中人、設備、物聯終端和信息系統的集成和交互關系。

      三是企業運營管理協作層,打通運營前后端整體價值鏈。這是以ERP為核心打造的,面向從需求、設計,一直到銷售、服務的全價值鏈要素的集成。企業運營管理協作層是制造與物流執行控制層面向整個企業價值鏈的延展,是在整個價值鏈上建立以質量、效率、成本為核心的卓越管理體系。

      四是研發設計試制和驗證層,集成各系統實現信息互通和資源共享。采用CAX軟件進行產品的虛擬設計、模擬仿真和工廠的布局設計,同步產生數字化模型和設計元數據,元數據進行縱向傳輸,實現“研發—工程—制造—售后”各環節的閉環。整體上通過各大信息系統的有機集成,打破了“信息孤島”,形成了全面的信息連通,使資源達到充分共享,實現集中、高效、便利的管理和運營,典型的運用場景有以下三個方面。第一,從研發制造一體化的角度拉動研發端基于PLM實現E-BOM(設計物料清單)到M-BOM(制造物料清單)的轉化,并直接同步到ERP系統,從而確保從研發到計劃,從計劃到制造的信息一致化。第二,從供應鏈制造一體化的角度,促進ERP倉儲物流的拉動式配送和供應物流的準時制生產方式(JIT)。同時,要求供應商將基于單個包裝的條碼打印精確化,優化倉儲和上料作業。對需要做單件追溯用的原材料(如模組用PCBA板、線束隔離板等),還可由軟件配置管理(SCM)平臺直接導入數據,并最終集成到生產大數據平臺。第三,從服務制造一體化的角度,促進運營和服務過程基于條碼數據的一致化追溯和質量預測。

      數字化建設

      數字化建設實現了生產全過程質量溯源。

      寧德時代重視數據的應用,并把數字化建設獨立于系統建設,成立了專門的大數據團隊進行數據治理和價值變現工作。

      針對動力電池制造過程中海量數據整合成本高、質量差、建模困難等突出問題,寧德時代研究邊緣側多源異構數據采集與融合技術,攻克海量數據環境下半結構化、非結構化數據自動采集技術,重點解決多種信息的泛在感知和互聯互通,實現生產現場采集、分析、管理、控制的垂直一體化集成,極大提升極片制造中的混料、涂布工藝、輥壓-模切連續過程,以及卷繞、組裝、烘烤、注液、化成等離散過程并存的復合工藝流程中的異構數據融合程度,通過在關鍵工藝環節實現數字化集成來實現動力電池制造的智能化改造。

      針對電池制造全過程,寧德時代從來料、設備、工藝及制造環境等多個方面出發,對影響電池產品質量的各類因素進行分析,探究各類因素間的關聯性及關聯程度?;诜謱淤x時Petri網等方法,對電池生產過程中各類狀態的變遷進行融合建模,實現對各類質量因素的跨工藝、多因素、變尺度分析,構建動力電池生產過程質量數據空間,實現對產品生產全過程的質量溯源。

      智能化建設

      智能化建設使技術價值實現最大化。

      寧德時代的智能化建設立足現場實際需求,圍繞智能物流、數字孿生、大數據、人工智能、APS高級排產、機器學習、5G技術等的實際應用展開建設,并基于大量網絡技術應用,對信息安全系統建設的關注度也同步提升至最高水平。具體包括以下幾個方面。

      一是數字孿生技術實現全局產品設計與仿真。

      寧德時代基于三維模型的產品設計與仿真,建立產品數據管理(PDM)系統。PDM系統集成CAX軟件等設計工具,由各模塊設計工程師同步在線進行產品的三維設計工作。從概念設計到詳細設計,PDM系統完整地保留了開發過程中的所有三維模型,在統一的數字設計環境內,仿真工程師借助CAE軟件對三維模型虛擬樣機進行模擬驗證,求解最優設計方案?;谌S模型驅動生成的物料清單(BOM)和技術文件自動同步到ERP/MES系統,支持產品生產。PDM系統構建了研發協同管理平臺,基于三維模型的產品設計和仿真,減少了產品開發過程中對物理樣機的需求,從而縮短研發周期,降低研發成本,保證產品質量。

      二是智能化物流管理提升生產效率。

      工廠生產線的效率在很大程度上受物流系統智能化程度的制約。寧德時代根據鋰電池生產的特點,使用AGV、機器人、立體倉庫、RFID等智能化技術,提高了物流系統的自動化、信息化、智能化水平,有效提高了生產線效率。在整個物流體系中,形成了極片車間立體倉庫、裝配段物流線、烘烤爐段智能物流線、原材料倉的智能立庫,及成品倉庫的智能立庫等特色應用。

      三是基于物聯網進行遠程監測。

      產品銷售出庫并不代表銷售的終結,產品的運營和服務從價值鏈的角度來看,即是產品價值的延伸,這離不開數據和流程的支撐。對新能源應用而言,不論是新能源汽車,還是儲能電站,都存在運營狀態監控及持續運維的問題。與之對應,就延展出遠程運維監控大數據平臺。

      通過在制造過程中植入針對電池系統(新能源汽車和儲能電站)的T-BOX終端,可以直接收集BMS(電池管理系統)采集到的關于電池系統的售后運行狀態數據,在達到特定閾值或條件時直接觸發對應的異常報警,并建立基于已知模型對電池系統的預測性維護(PDMS)。同時,也打通了制造過程和售后過程的大數據對接。

      四是借力大數據和人工智能技術實現創新。

      無論是產品維度的MES系統,還是設備設施和工裝夾具、儀器儀表維度的TPM系統,都面臨著大量數據的快速采集和存儲問題。例如,MES存在大量的非結構化數據(如工件的照片),在線系統存在在線數據容量的限制。

      寧德時代以MES、TPM和MHR等系統為基礎,引入LAMBDA大數據架構,打造出制造系統大數據平臺(MDP)。

      在各個業務系統(如MES、TPM、MHR等)的數據通過ETL工具集成到制造系統大數據平臺后,公司可根據集成的制造系統數據庫進行集中式數據分析和通用數據挖掘功能的開發。

      MDP上,通過引入典型化的人工智能技術框架(如TensorFlow),寧德時代還將其定義為公司的數據洞察和創新平臺,并在產品/設備加工參數的關聯分析和優化分析、基于機器視覺的產品缺陷分析、設備的預測性維護等領域展開具體和實質化的運用。

      同時,寧德時代的智能化建設立足現場實際需求,圍繞智能物流、數字孿生、大數據、人工智能、APS高級排產、機器學習、5G技術等的實際應用展開建設,并基于大量網絡技術應用,對信息安全系統建設的關注度也同步提升至最高水平。

      實施成效

      寧德時代以制造為核心,有效地驅動了研發制造一體化、制造供應鏈一體化、制造服務一體化,并在實踐中得到了驗證,取得了研制周期縮短50%、運營成本下降21%、產品不良率下降75%、資源綜合利用率提升24%、生產效率提升56%等良好效果。同時,寧德時代的智能制造實踐,也對國家、社會與行業提供了有價值的參考。

      通過智能工廠的實踐與創新,寧德時代取得了智能制造相關關鍵技術的一定突破,實現了工藝設備的網絡化自動檢測、監控,達到生產過程的可視化;針對各制造工序自主開發的多項特色工藝及設備,實現了一定的技術領先性,使得動力電池行業數字化車間的自動化程度和生產效率大幅度提高;取得的專利、標準、軟件著作權等技術成果,能夠有效支撐生產線量產等方面的推廣應用,為行業的數字化車間、智能工廠建設做出了積極貢獻。


      (審核編輯: 智匯聞)

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