智能化動力電池工廠規(guī)劃設(shè)計概述

導(dǎo)語智能工廠的規(guī)劃建設(shè)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。如何實現(xiàn)智能化動力電池工廠的規(guī)劃設(shè)計？本文從動力電池工廠的規(guī)劃流程、總體規(guī)劃及智能化設(shè)計理念三方面展開論述。隨著新能源汽車用動力電池市場的快速擴大，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姵氐母甙踩?、高一致性、高合格率和低制造成本提出了新的要求，如果繼續(xù)沿用過去半自動化、半人工的生產(chǎn)方式產(chǎn)品將難以適應(yīng)國際化競爭的需求。電池企業(yè)必須投入更多資源”通過技術(shù)創(chuàng)新、自動化生產(chǎn)和規(guī)范化管理，力口快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。2017年3月，工信部、發(fā)改委、科技部和財政部四部門印發(fā)關(guān)于《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》的通知,要求按照《V中國制造2025＞重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》的總體部署，加快形成具有國際競爭力的動力電池產(chǎn)業(yè)體系,明確將高端裝備支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為5大目標(biāo)之一：到2020年，動力電池研發(fā)制造、測試驗證和回收利用等裝備實現(xiàn)自動化、智能化發(fā)展,生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制水平顯著提高,制造成本大幅降低。智能工廠的規(guī)劃建設(shè)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。如何實現(xiàn)智能化動力電池工廠的規(guī)劃設(shè)計？本文從動力電池工廠的規(guī)劃流程、總體規(guī)劃及智能化設(shè)計理念三方面展開論述。01規(guī)劃流程11規(guī)劃思路電池工廠的規(guī)劃設(shè)計一般分6個步驟進行，如圖1所示。圖1工廠規(guī)劃設(shè)計步驟目標(biāo)產(chǎn)品定位,首先要做市場調(diào)研、分析，確定項目產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，是乘用車、商用車、物流車還是專用車等，根據(jù)市場情況，確定項目的規(guī)模，預(yù)估產(chǎn)品的價格定位。根據(jù)產(chǎn)品定位,進行電芯的產(chǎn)品設(shè)計,設(shè)計電芯的基本參數(shù),如電芯產(chǎn)品性能（容量、充放電倍率、循環(huán)性能和安全性能等）、材料體系、尺寸結(jié)構(gòu)以及Pack規(guī)格等。再通過扣電試驗、產(chǎn)品試制和中試線9僉證”確定工藝制程（流程）、對各工序的參數(shù)進行驗證，如合漿工序的材料配比、固含量、黏度和細(xì)度等。根據(jù)工藝制程參數(shù)、項目規(guī)模，進行工藝設(shè)備選型，如確定合漿系統(tǒng)、涂布線等的規(guī)格和數(shù)量。進一步確定各工序設(shè)備對土建公用的需求，包括能源需求（水電氣）、環(huán)境需求（遍濕度、潔;爭度）以及土建需求（基礎(chǔ)荷載、地面要求、吊頂高度和廠房高度等）O上述內(nèi)容確定后,可以進行工廠設(shè)計階段。獲得用地的土地規(guī)劃條件、能源供給條件，根據(jù)項目需要撰寫項目建議書、廠址選擇意見書，并開展可研、環(huán)評、能評、安評和職評的前期規(guī)劃準(zhǔn)備工作,然后進行初步設(shè)計、方案設(shè)計以及施工圖樣設(shè)計。2.2項目建設(shè)流程智能化動力電池工廠項目建設(shè)流程遵循一般的工程設(shè)計程序，包括項目立項、設(shè)計招標(biāo)、修改詳細(xì)規(guī)劃設(shè)計以及方案設(shè)計。圖2所示為智能化動力電池工廠項目流程圖。圖2智能化動力電池工廠項目流程圖02工廠的整體規(guī)劃2.1設(shè)計原則智能化動力電池工廠的規(guī)劃設(shè)計要從產(chǎn)品品牌、企業(yè)文化、節(jié)能環(huán)保和綠色生態(tài)的角度考慮,以展示企業(yè)品牌和文化、體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保綠色生態(tài)為根本。一般遵循以下6項設(shè)計原貝U：1）人員、物流分開且保持順暢,消防疏散措施周到且人性化。2）生產(chǎn)單元集中工序間的轉(zhuǎn)運便捷。3)公用設(shè)施靠近負(fù)荷中心，減少能源損耗。4)貫徹數(shù)字化、智能化工廠理念，提高生產(chǎn)管理自動化水平。5)布局合理，合理優(yōu)化空間，節(jié)省建設(shè)和運行成本。6)設(shè)備選型要配套產(chǎn)能，先進可靠且經(jīng)濟適用。22工廠構(gòu)成智能化動力電池工廠主要由電芯生產(chǎn)車間、PACK車間、原材料庫、電芯庫及材料庫、成品庫等構(gòu)成,具體如圖3所示。圖3智能化動力電池工廠的組成2.3建線模式和特點智能化動力電池工廠可以根據(jù)產(chǎn)品建線,也可以根據(jù)工序建線。(1)產(chǎn)品建線按照產(chǎn)品劃分車間,將同一個產(chǎn)品的不同生產(chǎn)工序布置在一個車間內(nèi)，完成整個產(chǎn)品生產(chǎn)流程。其特點是：庫房集中設(shè)置,生產(chǎn)區(qū)集中，便于專項管理;生產(chǎn)車間模塊化，便于分期建設(shè)；單線工序間銜接緊密，物流距離短，利于保證產(chǎn)品的_致性；單個生產(chǎn)車間面積較大，消防要求略高,生產(chǎn)線剛性大，連續(xù)化生產(chǎn)對設(shè)備的可靠性要求高；各模塊的工藝設(shè)備、人員管理和公用設(shè)施等相對獨立,綜合利用率相對低。適合于市場需求不明顯,產(chǎn)品定位不明確,分期投資，降低一次性建設(shè)成本的項目。(2)工序建線按照生產(chǎn)工序,將不同的工序布置在獨立的車間內(nèi)，如電極車間、裝配車間和化成車間等，不同車間之間采用連廊連接。其特點是：生產(chǎn)車間分散，單個生產(chǎn)車間面積小，便于消防疏散設(shè)計；生產(chǎn)工序有緩沖庫,生產(chǎn)剛性小，設(shè)備可靠性要求略低,生產(chǎn)組織靈活；工藝設(shè)備、人員管理和公用設(shè)施能充分共享、綜合利用率高，設(shè)備綜合投資低；物流輸送距離遠(yuǎn)，輸送成本高”對產(chǎn)品一致性不利；車間需要一次建成，一次建設(shè)成本高。適合于產(chǎn)品較為單一,市場需求較明確、穩(wěn)定,一次投資建設(shè)規(guī)模較大的項目。03智能化設(shè)計理念智能工廠的建設(shè)融合了信息技術(shù)、先進制造技術(shù)、自動化技術(shù)、智能化技術(shù)以及先進的企業(yè)管理技術(shù)。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)工廠的透明化,具體包括數(shù)字化的廠房、透明化的物流、透明化的質(zhì)量跟蹤追溯產(chǎn)線和設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控以及工廠能耗的智能化管理。智能廠房設(shè)計智能工廠的廠房設(shè)計,引入建筑信息模型(bim),通過三維設(shè)計軟件進行工廠建模,尤其是水、電、氣、網(wǎng)絡(luò)和通信等管線的建模；使用數(shù)字化制造仿真軟件對設(shè)備布局、產(chǎn)線布置和車間物流進行仿真。同時，智能廠房要規(guī)劃智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能采光與照明系統(tǒng)、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)、智能安防報警系統(tǒng)、智能門禁一卡通系統(tǒng)及智能火災(zāi)報警系統(tǒng)等。采用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過人臉識別技術(shù)以及其他圖像處理技術(shù),可以過濾掉視頻畫面中無用的或干擾信息,自動識別不同物體和人員，分析抽取視頻源中關(guān)鍵有用信息,判斷監(jiān)控畫面中的異常情況,并以最快和最佳的方式發(fā)出警報或觸發(fā)其他動作。先進的工藝設(shè)備工藝設(shè)備是工廠智能化的基礎(chǔ)單元,制造企業(yè)在規(guī)劃智能工廠時,必須高度關(guān)注智能裝備的最新發(fā)展。鋰電生產(chǎn)的工藝設(shè)備更新?lián)Q代、升級尤其的快速，如涂布分切一體機、覘壓分切一體機、模切分切一體機、激光模切裁切一體機、裁切^片一體機、高速^片機和自動化堆垛式化成機等逐步被行業(yè)應(yīng)用到生產(chǎn)中，提高了生產(chǎn)效率、減少了輸送量。產(chǎn)線裝備自身的自動化程度提高。通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID與自動化物流系統(tǒng)進行信息交互，通過數(shù)字化儀表接受能源管理系統(tǒng)能耗監(jiān)控，通過控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、接口與MES系統(tǒng)進行信息交互，進行生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗和設(shè)備績效(OEE)等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實時的生產(chǎn)狀態(tài)；產(chǎn)線具有一定冗余,如果生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障,能夠調(diào)整到其他設(shè)備上進行生產(chǎn)；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示，并充分利用人機協(xié)作。設(shè)計智能產(chǎn)線需要考慮如何節(jié)約空間，如何減少人員的移動,如何進行自動檢測，從而提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量；分析哪些工位應(yīng)用自動化設(shè)備及機器人，實現(xiàn)工廠的少人化甚至無人化需求。自動化物流系統(tǒng)智能工廠建設(shè)中,生產(chǎn)的智能化物流十分重要,工廠規(guī)劃時要盡量減少無效的物流輸送、充分利用空間、提升輸送效率、避免人員的繁瑣操作和誤操作，實現(xiàn)自動化輸送系統(tǒng)與MES系統(tǒng)、企業(yè)ERP系統(tǒng)的信息交互，實現(xiàn)工廠物流的透明化管理。鋰電工廠中自動化物流系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，主要有自動化立庫及輸送系統(tǒng)、智能提升裝置、堆垛機、AGV和機器人等，如圖4所示。圖4自動化物流設(shè)備鋰電池工廠的自動化物流系統(tǒng)規(guī)劃時,還要充分考慮到鋰電生產(chǎn)的消防安全問題,如電芯帶電后的自動化立體倉庫,要配置煙感控、溫度傳感器及消防報警、噴淋滅火系統(tǒng)。MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES是智能工廠規(guī)劃落地的看力點，MES是面向車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，上接ERP系統(tǒng)'下接現(xiàn)場的PLC程序控制器、數(shù)據(jù)采集器、條形碼和檢測儀器等設(shè)備。構(gòu)建適合鋰離子動力電池制造工藝的MES系統(tǒng)，是為了最終完善電池生產(chǎn)制造信息系統(tǒng)，實現(xiàn)智能工廠乃至工業(yè)4.0，推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。實現(xiàn)MES應(yīng)用,最重要的基礎(chǔ)就是要實現(xiàn)M2M,即設(shè)備與設(shè)備之間的互聯(lián)，建立工廠網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備與設(shè)備之間的互聯(lián)，需要制定通信方式（有線、無線）、通信協(xié)議和接口方式、采集數(shù)據(jù)處理等,建立統(tǒng)一的標(biāo)）隹。基于數(shù)字化工廠理念、MES系統(tǒng)功能特點及鋰離子動力電池制造工藝流程，構(gòu)建適用于鋰離子動力電池生產(chǎn)制造的MES系統(tǒng)核心功能如圖5所示。圖5MES系統(tǒng)核心功能圖從業(yè)務(wù)流程出發(fā),MES系統(tǒng)提供實現(xiàn)從訂單下達到完成產(chǎn)品的生產(chǎn)活動優(yōu)化所需的信息；運用及時隹確的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)、啟動、響應(yīng)并記錄車間生產(chǎn)活動，能夠?qū)ιa(chǎn)條件的變化做出迅速的響應(yīng),從而減少非增值活動,提高生產(chǎn)效率。建立起基于二維碼的全生命周期可追溯系統(tǒng)的鋰電生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺,MES系統(tǒng)對生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)進行可追溯性管理,并通過雙向追溯、多維度追溯和全面追溯實現(xiàn)。5智能化能源管控系統(tǒng)如果說MES系統(tǒng)是對電池生產(chǎn)的每一步工藝，進行必要的生產(chǎn)過程控制、過程參數(shù)采集、品質(zhì)信息記錄、物料消耗追蹤和工序物料移動等,那么智能化能源管控系統(tǒng)則是以計算機控制技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，對建筑內(nèi)的各類公用機電設(shè)備進行集散式的監(jiān)視、控制”對能耗數(shù)據(jù)進行分類、分項及分區(qū)域統(tǒng)計分析,可以對能源進行統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化能源介質(zhì)平衡,達到優(yōu)化使用能源的目的,全面實現(xiàn)對建筑的綜合管理和能源利用。如圖6所示，智能化能源管控系統(tǒng)采用三層系統(tǒng)架構(gòu)：管理層、控制層和現(xiàn)場儀表設(shè)備層。圖6智能化能源管控系統(tǒng)架構(gòu)1）管理層：利用能源計量數(shù)據(jù)的采集、診斷和分析，對工廠實施有效管理。科學(xué)隹確的計量數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)工廠能源的利用,建立科學(xué)合理的節(jié)能流程,由此達到節(jié)能降耗的目的。2）控制層：總控中心顯示需要監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，監(jiān)測參數(shù)值，調(diào)節(jié)設(shè)定值，并實時記錄數(shù)據(jù)。3）現(xiàn)場儀表設(shè)備層：快速的故瞳反應(yīng)及處理、完備的鰲報及歷史資料，幫助工廠精簡了人力和物力,實現(xiàn)對公用設(shè)備的綜合管理和能源利用。04結(jié)束語根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》，到2020年，我國純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力要達到200萬輛、累計產(chǎn)銷量超過500萬輛。隨著我國雙積分政策的落地以及各國出臺的燃油車退出計劃，也將形成倒逼機制，促進傳統(tǒng)車企轉(zhuǎn)型。預(yù)計未來幾年新能源汽車市場會繼續(xù)擴大。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速