鋰電池生產(chǎn)是典型的離散型制造業(yè)。正因如此，鋰電池企業(yè)面臨著諸多問題。為滿足生產(chǎn)制造能力和可持續(xù)發(fā)展需要，寧德時代在智能工廠的建設(shè)上不斷實踐與創(chuàng)新，為智能制造提供了一個成功模板。通過實施智能工廠戰(zhàn)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(lǐng)先的鋰離子電池研發(fā)制造公司，總部位于中國福建省寧德市。寧德時代深耕國內(nèi)，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(chǎn)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(shè)有子公司。

鋰電池雖然是目前動力電池的主流產(chǎn)品，但是，鋰電池生產(chǎn)是典型的離散型制造業(yè)，其中電池制造的前工序膜卷制造有部分流程行業(yè)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(yè)產(chǎn)品本身的特點，如產(chǎn)品工藝復雜、制造流程長、管控點多、數(shù)據(jù)量巨大、對檢測手段多樣化的需求強烈、海量數(shù)據(jù)的價值沒有被完全挖掘并發(fā)揮等，都是鋰電池企業(yè)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(chǎn)效率低等困境，生產(chǎn)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(shè)上不斷進行著實踐與創(chuàng)新。

智能制造三階段

為滿足生產(chǎn)制造能力和可持續(xù)發(fā)展需要，作為動力電池龍頭企業(yè)，從2011年發(fā)展至今，寧德時代智能制造戰(zhàn)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(tǒng)化”階段和“數(shù)字化+智能化”階段。

“自動化”階段。“自動化”階段是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(shè)備自動化、生產(chǎn)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(shè)計、測試驗證、工藝制造等制造流程完善體系。在積累專業(yè)知識、豐富實踐經(jīng)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(tǒng)化”階段。“自動化+系統(tǒng)化”階段是2014年—2017年。2014年被稱為“SAP應用元年”，動力電池規(guī)模化制造需求提升。在此階段，寧德時代開始陸續(xù)導入軟件巨頭SAP的企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP）、供應商關(guān)系管理（SRM）和客戶關(guān)系管理（CRM）系統(tǒng)。2015年，“物聯(lián)網(wǎng)應用元年”開啟，大量產(chǎn)品生命周期管理（PLM）應用軟件被動力電池企業(yè)導入應用，設(shè)備端的大量數(shù)據(jù)逐漸上線。同年，寧德時代開啟了CPS（CATL Production System）體系建設(shè)，著手建立起大數(shù)據(jù)平臺，搭建物聯(lián)網(wǎng)體系，并部署私有云和公有云平臺，為后面的大數(shù)據(jù)分析和智能化導入奠定了良好的系統(tǒng)基礎(chǔ)。

“數(shù)字化+智能化”階段。“數(shù)字化+智能化”階段是指2017年至今。2017—2018年，寧德時代啟動數(shù)據(jù)管理分析相關(guān)工作，包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應用、數(shù)據(jù)分析，以及切入實際的生產(chǎn)線和工藝優(yōu)化上，這在生產(chǎn)過程中發(fā)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(lǐng)域滲透。寧德時代開始關(guān)注如何基于導入的制造大數(shù)據(jù)，利用先進算法對設(shè)備進行智能維護，對生產(chǎn)線進行智能排程，并對質(zhì)量進行智能管控。2019年以來，公司已經(jīng)嘗試在生產(chǎn)線上推廣5G技術(shù)、AI技術(shù)、自學習技術(shù)、圖像識別、視頻流智能監(jiān)控技術(shù)等。

寧德時代實施智能制造的最終目的是探索通過產(chǎn)品、設(shè)備和信息化的高度結(jié)合，合理優(yōu)化企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)組織和管理流程，實現(xiàn)符合自身實際的企業(yè)可持續(xù)發(fā)展路徑與方法。

智能制造實施的總體規(guī)劃

智能制造的總體技術(shù)路線分為三個部分。

第一部分，在研發(fā)設(shè)計方面，采用數(shù)字化三維設(shè)計、模擬仿真技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計，并且導入PLM系統(tǒng)進行全生命周期的數(shù)據(jù)管理。

第二部分，在生產(chǎn)線智能化方面，針對設(shè)備開發(fā)和生產(chǎn)線建設(shè)，堅持關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化的路線，導入三維仿真、在線檢測、智能化物流等技術(shù)，推動生產(chǎn)線的智能化水平。

第三部分，在信息化架構(gòu)方面，通過制定標準化的設(shè)備導入規(guī)范，建立互聯(lián)互通的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，建立覆蓋全生產(chǎn)要素的制造執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)全生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、信息追溯、狀態(tài)檢測和防呆控制，確保生產(chǎn)過程的成本節(jié)約、安全可控、精益高效和質(zhì)量一致。在此基礎(chǔ)上，通過集成研發(fā)、設(shè)計、供應鏈和售后服務(wù)系統(tǒng)，驅(qū)動全價值鏈的集成和優(yōu)化。

自動化建設(shè)

工廠的自動化建設(shè)，有助于實現(xiàn)鋰電池智能裝備的自主研發(fā)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(shè)備都具備高精度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)設(shè)備包括高速分散攪拌系統(tǒng)、高速雙層多面多層擠壓式涂布機、極片輥壓設(shè)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(tǒng)、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(cè)縫冷金屬焊接機等。

寧德時代研發(fā)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(gòu)、主牽引機構(gòu)、涂布裝置、真空吸附裝置、氣浮式烘箱、后牽引機構(gòu)、收卷及裁切機構(gòu)、CCD寬度方向檢測單元和智能測厚系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。同時，公司開發(fā)了相應的以太網(wǎng)總線運動控制系統(tǒng)，能夠自動驅(qū)動各功能部件協(xié)調(diào)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(shù)性能達到國際領(lǐng)先水平，打破了國外壟斷，可本土化替代。

通過采用自主研發(fā)及與合作伙伴聯(lián)合研發(fā)相結(jié)合的方式，寧德時代不斷提升生產(chǎn)線自動化率，將經(jīng)驗、工藝沉淀到自動化設(shè)備和系統(tǒng)中，把異常因素降到最低，鑄就一致性極高的產(chǎn)品。

系統(tǒng)化建設(shè)

利用系統(tǒng)化建設(shè)，寧德時代實現(xiàn)了高效的企業(yè)運作和全流程信息化管理。

對智能工廠的建設(shè)，寧德時代制定了清晰的信息系統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃，通過構(gòu)建信息系統(tǒng)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(yōu)勢并實現(xiàn)戰(zhàn)略目標。

第二，通過業(yè)務(wù)流程創(chuàng)新和信息技術(shù)創(chuàng)新來提高市場、銷售、研發(fā)、運營和售后的效率。

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

第四，通過對產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)收集和分析，提供及時的、有預見性的服務(wù)以超越客戶期望。寧德時代在制造信息系統(tǒng)方面，打造了多個層面的集成和協(xié)同。

系統(tǒng)化建設(shè)的實施具體包括以下幾個方面。

一是物聯(lián)網(wǎng)終端采集控制層，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集準確完整。寧德時代針對鋰電池行業(yè)制造系統(tǒng)復雜、設(shè)備數(shù)量大、數(shù)據(jù)通信缺少規(guī)范標準、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)類型導致通信效率低、數(shù)據(jù)平臺管理困難等問題，研究基于OPC UA的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺，建立了電池制造生產(chǎn)線數(shù)據(jù)通信標準規(guī)范，同時借鑒互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)數(shù)據(jù)總線技術(shù)，打造了鋰電流數(shù)據(jù)總線，解決了海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)高速、并發(fā)傳輸問題，滿足了各層級信息系統(tǒng)對實時、時序數(shù)據(jù)進行并發(fā)處理的需求。

二是制造與物流執(zhí)行控制層，助力制造現(xiàn)場各要素數(shù)據(jù)互通。以制造現(xiàn)場管理為核心的“人、機、具、料、法、環(huán)、能”全生產(chǎn)要素的集成，包括MES、LES、WMS、MHR、FIS、EMS、PDMS，以及它們與制造大數(shù)據(jù)平臺MDP、E-Mail、移動App的集成處理。其中隱含的基礎(chǔ)是構(gòu)建在整個物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，制造過程中人、設(shè)備、物聯(lián)終端和信息系統(tǒng)的集成和交互關(guān)系。

三是企業(yè)運營管理協(xié)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(shè)計，一直到銷售、服務(wù)的全價值鏈要素的集成。企業(yè)運營管理協(xié)作層是制造與物流執(zhí)行控制層面向整個企業(yè)價值鏈的延展，是在整個價值鏈上建立以質(zhì)量、效率、成本為核心的卓越管理體系。

四是研發(fā)設(shè)計試制和驗證層，集成各系統(tǒng)實現(xiàn)信息互通和資源共享。采用CAX軟件進行產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、模擬仿真和工廠的布局設(shè)計，同步產(chǎn)生數(shù)字化模型和設(shè)計元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)進行縱向傳輸，實現(xiàn)“研發(fā)—工程—制造—售后”各環(huán)節(jié)的閉環(huán)。整體上通過各大信息系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)制造一體化的角度拉動研發(fā)端基于PLM實現(xiàn)E-BOM（設(shè)計物料清單）到M-BOM（制造物料清單）的轉(zhuǎn)化，并直接同步到ERP系統(tǒng)，從而確保從研發(fā)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(chǎn)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(yōu)化倉儲和上料作業(yè)。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(shù)據(jù)，并最終集成到生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺。第三，從服務(wù)制造一體化的角度，促進運營和服務(wù)過程基于條碼數(shù)據(jù)的一致化追溯和質(zhì)量預測。

數(shù)字化建設(shè)

數(shù)字化建設(shè)實現(xiàn)了生產(chǎn)全過程質(zhì)量溯源。

寧德時代重視數(shù)據(jù)的應用，并把數(shù)字化建設(shè)獨立于系統(tǒng)建設(shè)，成立了專門的大數(shù)據(jù)團隊進行數(shù)據(jù)治理和價值變現(xiàn)工作。

針對動力電池制造過程中海量數(shù)據(jù)整合成本高、質(zhì)量差、建模困難等突出問題，寧德時代研究邊緣側(cè)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與融合技術(shù)，攻克海量數(shù)據(jù)環(huán)境下半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)，重點解決多種信息的泛在感知和互聯(lián)互通，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)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(xù)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(gòu)數(shù)據(jù)融合程度，通過在關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)字化集成來實現(xiàn)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(shè)備、工藝及制造環(huán)境等多個方面出發(fā)，對影響電池產(chǎn)品質(zhì)量的各類因素進行分析，探究各類因素間的關(guān)聯(lián)性及關(guān)聯(lián)程度。基于分層賦時Petri網(wǎng)等方法，對電池生產(chǎn)過程中各類狀態(tài)的變遷進行融合建模，實現(xiàn)對各類質(zhì)量因素的跨工藝、多因素、變尺度分析，構(gòu)建動力電池生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)空間，實現(xiàn)對產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的質(zhì)量溯源。

智能化建設(shè)

智能化建設(shè)使技術(shù)價值實現(xiàn)最大化。

寧德時代的智能化建設(shè)立足現(xiàn)場實際需求，圍繞智能物流、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能、APS高級排產(chǎn)、機器學習、5G技術(shù)等的實際應用展開建設(shè)，并基于大量網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用，對信息安全系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)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(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)全局產(chǎn)品設(shè)計與仿真。

寧德時代基于三維模型的產(chǎn)品設(shè)計與仿真，建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)。PDM系統(tǒng)集成CAX軟件等設(shè)計工具，由各模塊設(shè)計工程師同步在線進行產(chǎn)品的三維設(shè)計工作。從概念設(shè)計到詳細設(shè)計，PDM系統(tǒng)完整地保留了開發(fā)過程中的所有三維模型，在統(tǒng)一的數(shù)字設(shè)計環(huán)境內(nèi)，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(yōu)設(shè)計方案。基于三維模型驅(qū)動生成的物料清單（BOM）和技術(shù)文件自動同步到ERP/MES系統(tǒng)，支持產(chǎn)品生產(chǎn)。PDM系統(tǒng)構(gòu)建了研發(fā)協(xié)同管理平臺，基于三維模型的產(chǎn)品設(shè)計和仿真，減少了產(chǎn)品開發(fā)過程中對物理樣機的需求，從而縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

二是智能化物流管理提升生產(chǎn)效率。

工廠生產(chǎn)線的效率在很大程度上受物流系統(tǒng)智能化程度的制約。寧德時代根據(jù)鋰電池生產(chǎn)的特點，使用AGV、機器人、立體倉庫、RFID等智能化技術(shù)，提高了物流系統(tǒng)的自動化、信息化、智能化水平，有效提高了生產(chǎn)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(lián)網(wǎng)進行遠程監(jiān)測。

產(chǎn)品銷售出庫并不代表銷售的終結(jié)，產(chǎn)品的運營和服務(wù)從價值鏈的角度來看，即是產(chǎn)品價值的延伸，這離不開數(shù)據(jù)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(tài)監(jiān)控及持續(xù)運維的問題。與之對應，就延展出遠程運維監(jiān)控大數(shù)據(jù)平臺。

通過在制造過程中植入針對電池系統(tǒng)（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(tǒng)）采集到的關(guān)于電池系統(tǒng)的售后運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在達到特定閾值或條件時直接觸發(fā)對應的異常報警，并建立基于已知模型對電池系統(tǒng)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(shù)據(jù)對接。

四是借力大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)實現(xiàn)創(chuàng)新。

無論是產(chǎn)品維度的MES系統(tǒng)，還是設(shè)備設(shè)施和工裝夾具、儀器儀表維度的TPM系統(tǒng)，都面臨著大量數(shù)據(jù)的快速采集和存儲問題。例如，MES存在大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如工件的照片），在線系統(tǒng)存在在線數(shù)據(jù)容量的限制。

寧德時代以MES、TPM和MHR等系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引入LAMBDA大數(shù)據(jù)架構(gòu)，打造出制造系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺（MDP）。

在各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)（如MES、TPM、MHR等）的數(shù)據(jù)通過ETL工具集成到制造系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺后，公司可根據(jù)集成的制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行集中式數(shù)據(jù)分析和通用數(shù)據(jù)挖掘功能的開發(fā)。

MDP上，通過引入典型化的人工智能技術(shù)框架（如TensorFlow），寧德時代還將其定義為公司的數(shù)據(jù)洞察和創(chuàng)新平臺，并在產(chǎn)品/設(shè)備加工參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析和優(yōu)化分析、基于機器視覺的產(chǎn)品缺陷分析、設(shè)備的預測性維護等領(lǐng)域展開具體和實質(zhì)化的運用。

同時，寧德時代的智能化建設(shè)立足現(xiàn)場實際需求，圍繞智能物流、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能、APS高級排產(chǎn)、機器學習、5G技術(shù)等的實際應用展開建設(shè)，并基于大量網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用，對信息安全系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)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(qū)動了研發(fā)制造一體化、制造供應鏈一體化、制造服務(wù)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(chǎn)品不良率下降75%、資源綜合利用率提升24%、生產(chǎn)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(yè)提供了有價值的參考。

通過智能工廠的實踐與創(chuàng)新，寧德時代取得了智能制造相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的一定突破，實現(xiàn)了工藝設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化自動檢測、監(jiān)控，達到生產(chǎn)過程的可視化；針對各制造工序自主開發(fā)的多項特色工藝及設(shè)備，實現(xiàn)了一定的技術(shù)領(lǐng)先性，使得動力電池行業(yè)數(shù)字化車間的自動化程度和生產(chǎn)效率大幅度提高；取得的專利、標準、軟件著作權(quán)等技術(shù)成果，能夠有效支撐生產(chǎn)線量產(chǎn)等方面的推廣應用，為行業(yè)的數(shù)字化車間、智能工廠建設(shè)做出了積極貢獻。

作者丨孫俊杰

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞