深圳科信：借助数字孪生打造智能工厂

一、企业简介

    深圳市科信通信技术股份有限公司成立于2001年，2012年认定为国家级高新技术企业，2016年正式在A股创业板挂牌上市，目前注册资本20,800万元，在职员工600多人。自我司成立以来，一直把技术研发作为战略重心之一，长期保持较高比例的研发投入，聚焦5G、IoT、IDC等领域，形成光通信网络解决方案、通信网络能源解决方案、数据中心解决方案、物联网解决方案四大产品体系。我司于2018年成立科信技术研究院，打造了一支100余人的专业研发团队，聚焦行业趋势，以客户需求为中心，坚持自主研发，掌握核心技术，持续技术创新，构建自主知识产权体系，建立和规范行业标准。截至目前，我司及子公司共拥有专利228项，计算机软件著作权36项。同时，我司作为中国通信标准化协会会员，主导或参与了50项行业标准的起草修订，为推动行业标准制定做出了积极贡献。

图1 深圳市科信通信技术股份有限公司

二、企业在智能制造方面的现状

    科信智能制造包括两个层面，一个是通过集成系统的建设打好信息化的基础；另一个是设备与与系统、设备与人、人与系统的互联。

    在集成系统建设方面，科信智能工厂制造执行系统（MES）与公司供应链系统（SRM）、企业资源规划系统（ERP）密切结合，主要包含了计划、仓库、生产、工艺、品质等职能部门的日常工作。

    MES的总体方案总结为两个方面：一条“主线”牵引（以计划为龙头的业务主线）、二个“轮子”驱动（以工程管理为基础的驱动，以提高质量为目标的驱动）。通过与ERP系统集成的计划体系，承接及分解生产任务、辅以SRM提供的原料供应、通过MES的工艺流程检查，完成各项生产任务，并在各个关键节点中进行质量管控。通过一条“主线”牵引和二个“轮子”驱动这种方式来实现项目的三个目标：

    1、以条码为载体，构建“质量可靠”、“过程可控”、“结果可溯”的质量管理体系。

    2、通过生产全过程的数据采集，实现人、机、料、法、环实时监控，信息互通，建设透明工厂。

    3、推动生产活动精细化管理，促进科信精益生产管理体系建设。

    在设备互联方面，我们在2020年新建了包括PACK线在内的两条自动化生产线。新设备的自动化程度高，相应的管理能力也要跟得上。我们利用3D数字孪生平台，基于前沿WebGL技术，3D加速渲染、3D模型，与MES系统、IoT设备互联互动，快速搭建数字仿真工厂。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

    “PACK产线建造项目”结合3D数字孪生平台在数字采集、工厂智能监控、车间仿真方面带来了非常大的改善，提高了整体制造水平。

    1.项目背景介绍

    目前，锂电产品在3C及动力电池领域已得到较为广泛的应用，且具有相对成熟的技术，但真正适用于通信行业的锂电产品技术尚有待进一步突破。目前行业内的锂电备电产品大多仍然是基于动力电池产品，无论从成本还是性能上都不能很好地匹配通信备电要求。在5G市场发展及技术有待优化提升的行业背景下，公司于2020年成立“PACK产线建造项目组”，通过本项目为切入点，开发出真正适用于通信备电用锂电池，可以在通信备电锂电产品方面形成较高的技术开发能力及产品成本控制优势，为全面占领5G市场做好充分准备。

    项目目标：

    1、建设自有锂电池PACK线，具备电池组PACK生产组装能力；

    2、通过信息化及工业化建设提高设备与人、设备与系统、人与系统的对接。

    2.项目实施与应用情况详细介绍

    项目组成员通过对自身的能力进行检索，识别锂电池生产能力上的缺失，多角度分析，发现不足，旨在结合信息化手段构建科信锂电生产能力，对产品的整体生产能力，从硬件设施、软件配套控制方面进行搭建，实现科信自主锂电生产资质能力：

    2.1 引入新设备

    项目组通过考察八家不同的锂电制造企业及设备供应商，购置自动化生产设备及检测设备，包括：电芯扫码、OCV测试、ACIR测试、激光焊接、搅拌机、涂布机头、烘烤箱、辊压机、模切机、卷绕机、热压机、注液机、化成柜、分容柜、NMP处理等数十种新型设备。通过产品工艺流程设计，导入工序设备，经过安装及测试，各工序符合公司产品制造要求，完成科信锂电生产能力的设备搭建。

    2.2 导入信息化过程追溯

    通过对产品工艺流程的识别，结合设备信息互联功能，以条码为媒介进行信息拉通，并结合产品模组结构特点，建立产品模组过渡层级数据信息平台，设备与设备间以此数据载体进行信息互联共享，构建形成自动化过程控制设备工艺流程，实现对关键控制点采用自动化手段进行有效控制，杜绝了人员不稳定因素对产品的质量影响，实现设备互联，数据共享信息化搭建，同时结合MES系统平台串联产品全制程信息追溯，多样化数据采集方式，实现产品全生命周期双向可追溯系统建设。

    如下图所示，我们在产线上集成了14台设备及3处的环境检测设备：

    1、电芯扫码绑定：通过视觉扫描电芯二维码进行基础数据信息与模组绑定，以实现追溯功能，并采集电芯极柱相对位置参数，通过系统上传数据共享至激光焊接工序进行修正；

    2、OCV测试：通过此工序检测单体电芯开路电压及电阻，当发生不合格异常时程序自动重新检测，如重测未通过，系统传递信号至MES中拦截往下道工序传送，并反馈设备控制系统输送至NG出口下线；

    3、激光焊接：通过识别视觉扫描数据获取焊接点位的偏移量，修正激光焊接起始位置，并将焊接参数实时传递至MES形成数据库进行分析，推动工艺改进及支撑机器校准；

    4、充放电循环老化：通过设备信息系统监控产品老化过程中产生的若干道测试节点的问题或产品老化测试数据，做到实时上传递至MES进行数据交互，具备利用告警功能实时监测提醒到相关操作人员及上级，同时在所有步骤结束后的判定合格与否决定是否达到预期；

    5、智能电批：通过引入智能电批，对关键工序螺丝扭力进行实时控制，并与MES系统进行数据互联，结合工艺设定标准进行扭力值管控，实现产品关键点扭力值及防错、防漏管理控制，同时利用设备管理中的权限管理识别智能电批扭力设备参数有效性，预警提醒校验，控制每次开机的使用状态；

    6、集成温湿度控制：通过对生产环境监测，设定阈值，在超出温湿度时给出提醒，确保产品生产环境的有效性及匹配性。

图2 设备与系统互联

    2.3 制程控制能力建设

    通过对产品结构进行分解识别，明确制程工序分布结构，结合产品应用环境特点及功能需求，确立产品制程管控关键要点及管控标准，利用表单化、信息化手段，结合设备高精度、智能化等特点实现过程信息的统计分析，实现产品制程质量管控能力建设。同时通过对整体PACK线工艺流程进行优化，结合人机工程学方法，差异化产线布局，减少过程浪费，提高生产作业效率，实现锂电模组PACK线全制程控制能力建设目标，为模组规范化生产及品质提供保障。

    整个线体规划从模组上线到老化规划18个工位，识别了以下5个核心工序：

    1、电芯扫码/极柱拍照：该工序作为核心工序主要原因为电芯二维码作为电芯端制程数据绑定码，需通过视觉扫码工具进行识别绑定，保障产品前端数据来源，是锂电池PACK产品全过程信息追溯系统的数据采集起始点，保障数据信息输入可靠性；同时利用视觉扫描设备，采集极柱点位参数，为后端激光焊接相对位置提供基础校正数据，为产品焊接质量稳定性的提供保障。

    2、OCV/ACIR测试：该工序核心在于具备识别产品电芯一致性及不合格产品拦截筛选功能，通过检测仪器进行测试，系统结合工艺参数自动识别判断产品测试结果，并给出相应反馈，表现在通过或者异常拦截告警，有效保障产品质量一致性及稳定性。

    3、采集线安装：该工序关键控制点在采集线为产品监控信号参数读取来源，对整体装配安装工艺要求高，利用智能电批严格控制扭力参数，做到采集线每个螺丝扭力数据一对一识别记录，并上传MES系统进行数据存储绑定整机码，有效实现采集线安装过程扭力数据监控管理。

    4、BMS板安装：BMS板作为产品大脑中枢，对整体电池性能输出及过程控制起决定性作用，基于该作用需识别该工序质量管理标准要求，利用智能电批进行线缆锁附扭力管理，同时配套静电管控，保障BMS板安装质量可靠性。

    5、充放电循环老化：产品充放电老化循环是验证产品整机性能，模拟客户实际使用情况进行相应参数检测检查，识别电芯及BMS板是否存在潜在隐患点，同时也是对制程前端激光焊接质量的验证反馈，实现产品质量双向监控有效管理。

图3 提升工艺流程管控

    2.4 工艺作业标准建设

    通过产品的制程分解，验证工艺过程控制要素，同时对相关设备运维管理进行细化分解，明确关注要点内容，旨在提升设备运行稳定性及综合效率，减少设备异常成本支出，公司以规范化、标准化为目标，逐步建立PACK线相关配套工艺标准及制程作业规范，完善锂电池制造知识能力搭建，实现锂电池产品生产过程作业有据可依，有数可查。

    标准化的建设主要依据产品制程关键管控进行横向、纵向覆盖识别，横向主体包含关键工序的作业控制，特殊工序的管控、装配作业指导书、设备作业指导、设备维护点检说明、质量检验规范及标准等覆盖工艺、质量、设备方面标准化；纵向覆盖重点在于构建锂电池产品体系程序控制文件，包含产品设计参数标准、产品规格设计文件、安全体系控制程序、过程CP程序控制文件等前端指导性标准文件。通过双向的标准化覆盖，实现锂电池产品制程标准化能力支撑，为产品的制造奠定知识基础。

图4 工艺能力建设

    2.5 PACK制程检测能力建设

    通过对锂电池产品应用的深入分析，识别焊接工艺控制要求，利用与外部专业资源深入合作机会进行科学验证，细化焊接工艺管控标准参数，评估检测能力需求配置，引进检验设备构建自身产品制程检测能力，实现从宏观、微观双向维度保障产品质量稳定性，促进公司在锂电池制程控制能力的提升，同时为精细化制程控制奠定能力基础。

    检测能力的建立体现在以下几个方面点：

    1、锂电池产品作为备用能源，根据用户负载端使用需求，需具备相应载流能力，通过对产品焊接材料进行镜像分析，利用显微镜识别有效熔接面积，通过公式测算，识别焊接效果是否满足产品工艺要求，有效保障产品焊接可靠性。

    2、建立批次首件检测机制，实施跟进激光焊接批次焊接效果检查记录，确保订单产品的焊接保障跟踪。

    3、建立检测设备人员操作资质认证，相应操作人员需经过相应认证考核方可上岗，确保人员作业手法的规范及标准性，提高产品检测效果的有效性。

    4、导入采集线线束新工艺，并设计采集线防呆检测治具，有效保障产品过程短路安全、防错风险，做到提前预防及拦截识别。

图5 提升检测能力

    3.效益分析

    通过设备能力及制程能力的建设，应用IE手法，优化工序流程，利用ECRS方法平衡工序，提升整体产能，实现项目目标。

图6 达成项目预计目标

    另外，通过应用3D数字孪生平台，在PACK产线运行中连接14台生产设备及检测仪器。在产品过站与MES进行主动交互，实时监测设备数据，快速创建数字仿真工厂，实现产线的人机料法环实时监控。

图7 3D数字孪生平台实时比较过站数据与预设数据