鋰電池最終會以電池包的形式安裝在新能源汽車的底部作為其動力來源。一個電池包是由大概十幾個長條形狀的模組通過線束的串并聯(lián)拼接而成。圖片中電池包中的每一條綠色就是一個模組。每一個模組是由若干個電芯所構(gòu)成。拆開電芯就進入了裸電芯，它由正極極卷和負極極卷以及中間的隔離膜所構(gòu)成。而極卷需要經(jīng)過粉料合漿、漿料涂布、膜卷分切等工序工而成。

電池生產(chǎn)的挑戰(zhàn)在于一致性問題，即電芯的容量、內(nèi)阻、開路電壓是否一致。不一致不僅會使系統(tǒng)壽命大幅下降，而且可能導(dǎo)致過充、過放和發(fā)熱，進而引發(fā)安全隱患。生產(chǎn)過程中漿料的均勻程度、極卷的厚度和面積、電解液的加注量等等都會影響電芯的一致性。在電池包成組過程中，焊針損耗的程度也會影響模組的的一致性。為了解決產(chǎn)品一致性問題，企業(yè)采取了大量的措施：通過全自動化的生產(chǎn)過程來保證工藝的一致性，目前極卷、電芯和模組的生產(chǎn)可以做到全部的自動化；通過參數(shù)檢測和篩選來保證產(chǎn)品一致性；損耗性設(shè)備的定期維保和更換；生產(chǎn)過程的波動監(jiān)控和預(yù)警等。

除了企業(yè)自身的管控要求之外，國家制定了一系列法律法規(guī)來實現(xiàn)對電池的全生命周期進行溯源管理，要求電池生產(chǎn)企業(yè)將電池包、模組和電芯之間的裝配關(guān)系以及關(guān)鍵參數(shù)等數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一格式匯總傳輸至整車企業(yè)。最終再由整車企業(yè)的聯(lián)網(wǎng)平臺匯總到國家監(jiān)控平臺。我們目睹過由于電池包向下展開的追溯鏈條信息不完整而導(dǎo)致某家整車企業(yè)停產(chǎn)，規(guī)格數(shù)據(jù)的完整性已經(jīng)成為了電池質(zhì)量的一部分。而這僅僅是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一小部分，如果再加上企業(yè)內(nèi)部工藝、質(zhì)量控制所需的數(shù)據(jù)，一個電芯單體的生產(chǎn)過程就需要采集300至500條數(shù)據(jù)。

成本決定了新能源汽車是否能夠贏得主流市場。新能源汽車成本的40%都來自于電池，因此如何持續(xù)降低成本成為了電池企業(yè)的核心課題。站在制造的角度看，通過加快節(jié)拍提高產(chǎn)量進而降低電池的邊際成本成了每家企業(yè)追求的目標(biāo)。目前殼體電池最快已經(jīng)可以做到30ppm（每秒生產(chǎn)個數(shù)），普通企業(yè)也可以做到12ppm。

基于鋰電池行業(yè)上述特點，解決方案的關(guān)鍵在于控制和追溯，而大數(shù)據(jù)壓力下的快速響應(yīng)則成為了系統(tǒng)落地過程中最大的挑戰(zhàn)。下面就來看看我們?nèi)绾螒?yīng)對以上挑戰(zhàn)。

業(yè)務(wù)流程是從ERP承接生產(chǎn)計劃開始。由于每個電芯、模組都是作為獨立的管理對象，因此承接的生產(chǎn)指令將被分解為對應(yīng)唯一一個單體產(chǎn)品的執(zhí)行作業(yè)。產(chǎn)品在線加工實現(xiàn)全自動化的進度跟蹤、過程控制和質(zhì)量追溯，同時針對異常由人工離線處置，輔之以過程中的物料準備、質(zhì)量管控以及設(shè)備管理。

由于現(xiàn)場自動化設(shè)備全覆蓋，產(chǎn)品在第一臺設(shè)備投入之后如果未發(fā)生異常則會沿著物流軌道經(jīng)過各道工序直至立庫下線，其中進出站記錄、批次綁定、參數(shù)采集皆為設(shè)備和MES自動交互完成，無需人為干預(yù)。需要人工操作的只有批次管控的原材料的上料操作。因此和以往實施MES需要在工位布置工控機不同， 此次現(xiàn)場未安裝新的工控設(shè)備，常規(guī)操作都是由作業(yè)人員通過設(shè)備自帶的HMI進行操作，設(shè)備交互過程中的報警信息也是通過HMI展示。HMI中的應(yīng)用程序由設(shè)備廠商自行開發(fā)作為設(shè)備上位系統(tǒng)的一部分。而離線和批量處理等操作則由質(zhì)量人員在HMI（部署Windows系統(tǒng)）中打開MES或者利用PDA進行操作。 

下圖展示的是服務(wù)器結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要包括三層，在設(shè)備和MES之間增加了一個中間層用于二者之間的交互。現(xiàn)場設(shè)備主要包括兩種交互模式模式。第一種模式下設(shè)備支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用自身上位機軟件調(diào)用MES開放的WebService接口實現(xiàn)交互。第二種模式下設(shè)備不具備接口調(diào)用能力，這時需要引入Edgink（漢得自研的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)軟件）讀寫設(shè)備的PLC地址數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上借助Edgink實現(xiàn)本地的邏輯控制以及和MES的交互。

一旦打通了MES和設(shè)備的交互，就可以實現(xiàn)產(chǎn)品加工過程中的數(shù)據(jù)采集和過程控制。產(chǎn)品加工過程常規(guī)的控制流程如下圖所示。原材料上料時調(diào)用MES接口進行原材料合規(guī)驗證，如保質(zhì)期、BOM匹配、參數(shù)特性等。驗證通過后產(chǎn)品方可進站。每道工序進站時需要進行工序合規(guī)的判定，驗證不通過則通過設(shè)備NG槽排出。驗證通過設(shè)備開始進行加工，此時設(shè)備調(diào)用MES接口進行原材料裝配關(guān)系綁定，過程中也會將產(chǎn)品或者設(shè)備參數(shù)，如產(chǎn)品的電壓、內(nèi)阻或者設(shè)備的溫度、轉(zhuǎn)速等通過接口發(fā)送至MES進行合規(guī)性驗證，如上下限超標(biāo)校驗。如果出現(xiàn)不良在出站時將被排出進行相應(yīng)處置。加工完成后設(shè)備調(diào)用MES接口進行出站記錄。

產(chǎn)品一致性驗證主要包括三個場景，分別是：

粉料經(jīng)過合漿工序成為漿料，漿料被涂敷在銅箔、鋁箔上形成極卷，正負極卷經(jīng)過疊片或者卷繞工藝產(chǎn)出裸電芯，兩個裸電芯最終經(jīng)過合芯、入殼、注液等工序最終產(chǎn)出電芯。在合芯工序需要驗證兩個裸電芯的正極卷的主粉供應(yīng)商是否一致。

電芯加工過程需要經(jīng)過兩次注液，在二次注液工序需要驗證電解液的供應(yīng)商是否和一次注液的供應(yīng)商一致。

電芯在下線前需要經(jīng)過測試以確定電芯等級。在模組裝配時需要驗證裝入電芯等級的一致性。

*對產(chǎn)品的返哺：電芯等級、粉料供應(yīng)商和電解液供應(yīng)商屬于產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)，產(chǎn)品目前缺少管理產(chǎn)品特征參數(shù)的的結(jié)構(gòu)，項目只能利用擴展屬性來應(yīng)對。同時產(chǎn)品目前缺少裝配材料一致性驗證的API。

進站時的工序合規(guī)驗證包括質(zhì)量狀態(tài)、前序參數(shù)完整性、前序裝配完整性、工藝合規(guī)性即是否遵循工藝路線加工。原始的方案是利用標(biāo)準API進行參數(shù)完整性和裝配完整性的驗證。但是由于相關(guān)表的數(shù)據(jù)量太大，5個月的時間裝配記錄表超過6千萬條數(shù)據(jù)，參數(shù)記錄表的數(shù)據(jù)量超過12億。這種情況下使用API無法及時返回結(jié)果。因此最終方案調(diào)整為建立個性化表在材料裝配和參數(shù)采集完成的同時記錄完整性結(jié)果。后工序入站時的校驗直接讀取該表記錄實現(xiàn)。

*對產(chǎn)品的返哺：參數(shù)完整性和裝配完整性除了API驗證之外，可以將其作為工序?qū)嵖兊膶傩詠砉芾?，在?zhí)行裝配和參數(shù)采集的同時進行驗證，將驗證結(jié)果實時寫入工序?qū)嵖儭?/em>

由于產(chǎn)品的加工節(jié)拍為5秒，因此上述交互必須在5秒內(nèi)完成，除去設(shè)備的常規(guī)動作以及設(shè)備端響應(yīng)耗時之外，留給MES接口單次響應(yīng)的時間就只有600毫秒。為了應(yīng)對如此嚴苛的工況環(huán)境，我們被迫改變了以往的思維定勢。我們習(xí)慣于將邏輯一并處理后將最終結(jié)果反饋至人機界面。但是在這里我們將邏輯校驗和數(shù)據(jù)處理拆成兩個獨立的動作，Edgink邏輯校驗成功即向設(shè)備端反饋結(jié)果，同時通過消息觸發(fā)異步調(diào)用MES接口進行數(shù)據(jù)處理并將結(jié)果反饋至Edgink。這樣就可以有效縮短設(shè)備等待時間。

即使這樣我們還是碰到了意想不到的情況：

MES處理完成的數(shù)據(jù)反饋至Edgink超時了，上道工序的完工信息未及時反饋至Edgink導(dǎo)致產(chǎn)品入站下一道工序時無法校驗通過。于是我們不得不對方案做調(diào)整，嘗試將業(yè)務(wù)邏輯校驗完全放在MES。設(shè)備端調(diào)用Edgink接口，Edgink不做任何處理直接調(diào)用MES接口進行邏輯校驗，完成后啟動異步線程進行數(shù)據(jù)處理。徹底消除了系統(tǒng)間交互所用的耗時。

為什么不在一開始就使用更加簡潔的方案呢？

主要是我們擔(dān)心MES無法承擔(dān)大數(shù)據(jù)高并發(fā)的交互壓力?？紤]到Edgink是每條產(chǎn)線單獨部署，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較小，處理速度會更快。如果讓Edgink承擔(dān)部分業(yè)務(wù)校驗的邏輯就可以分擔(dān)MES的壓力。最終實際運行效果反倒證明MES完全可以支撐如此嚴苛的業(yè)務(wù)環(huán)境。

*對產(chǎn)品的返哺：產(chǎn)品需要提高核心API如completeProcess的執(zhí)行效率。明確了未來產(chǎn)品需要進一步完善高并發(fā)、大數(shù)據(jù)環(huán)境下快速響應(yīng)的架構(gòu)能力。

最終所有的過程數(shù)據(jù)匯總構(gòu)成產(chǎn)品的追溯信息，包括縱向的追溯鏈條和橫向的追溯展開?？v向鏈條指產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，橫向展開指每個產(chǎn)品在各個工藝環(huán)節(jié)的加工、材料、參數(shù)、質(zhì)量、設(shè)備、處置等信息。由于數(shù)據(jù)量過大使用產(chǎn)品提供的根據(jù)裝配實績提取裝配關(guān)系的API無法及時返回結(jié)果，因此最后選擇建立個性化的裝配關(guān)系表來存儲模組和電芯、電芯和裸電芯之間的追溯關(guān)系。

*對產(chǎn)品的返哺：產(chǎn)品需要建立獨立的追溯信息，以實現(xiàn)和生產(chǎn)實績的讀寫分離。同時追溯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要具備高效率的樹狀結(jié)構(gòu)遍歷能力。

制造過程的精確化為方案設(shè)計和產(chǎn)品應(yīng)用提供了更大的舞臺。除了上述過程控制和質(zhì)量追溯之外，如何保持設(shè)備的一致性水平，如何實時監(jiān)控生產(chǎn)過程波動，仍然有待我們進一步思考和嘗試。除了質(zhì)量保證之外，鋰電池行業(yè)物流組織中如何響應(yīng)客戶、如何拉動斷點，后續(xù)的大數(shù)據(jù)如何管理和應(yīng)用等等，仍然需要我們進一步的研究和探索。