湖南科霸：基于体系工程的智能制造系统创新

读而思

动力电池制造企业一般处于产业链低端，利润率低，通常采用传统的加工装配制造模式，缺少竞争优势。湖南科霸的智能化改造证明，企业乃至整个行业需要进行战略转型，向设计、服务等高价值供应链获取效益，以衍生更多核心竞争力。

湖南科霸汽车动力电池有限责任公司

湖南科力远高技术集团有限公司（以下简称“科力远”）2011年启动了两化融合的创新与实践，通过收购松下日本本土汽车动力电池株式会社，建立长沙（湖南科力远新能源股份有限公司）智能化工厂，与丰田合资建立动力电池企业（科力美汽车动力电池有限公司），积极打造中国“后工业4.0”的智能制造产业示范应用，输出基于体系工程的智能制造系统创新平台，赋能产业转型升级。湖南科霸汽车动力电池有限责任公司（以下简称“湖南科霸”）成立于2008年，是湖南科力远新能源股份有限公司全资子公司。

湖南科霸致力于汽车动力电池极板、电池，以及能量包的研发、生产和销售，是我国产业化水平较高、技术水平先进、产品应用程度成熟、配套供货能力厚实的国际化专业汽车动力电池及能量包制造商之一。湖南科霸通过全面推行精益制造向智能制造的升级，融合工业4.0技术理念，着力打造动力电池领域的新一代智能化制造工厂。2016年，湖南科霸承担了工业和信息化部“智能制造综合标准化与新模式应用项目”，并于2020年成功通过验收，其间先后获批为湖南省、工业和信息化部“智能制造示范企业”。

电池企业面临的挑战

动力电池产品从设计到量产，要经过多轮的设计、制造、测试、改进、验证等环节，周期长，电池相关企业在竞争发展过程中面临诸多挑战。

一是成本与竞争方面，电池产品面临硬件设备多、能耗成本高、人工成本高、业务环节信息不对称、审核数据不准确、管理成本高等问题。

二是技术研发方面，面临客户新车型升级换代加快，电池新品研发能力存在瓶颈等问题。由于电池产品设计变更频繁，产品模型调整、模拟、量产依赖手工，效率不高，研发成果向生产应用和市场投放的周期过长。

三是工艺方面，需要解决工艺难题（如电池工艺均一性），满足精益化、低损耗的要求，设计成套装备并实现工艺协同。同时，电池企业面临装备数控化水平不足、通信网络过程不稳定、网络安全风险高、维护能力不足等问题。

四是设备方面，以往的核心设备过于依赖进口，购置维护成本高，而且设备间的“孤岛化”严重，产生多个生产节拍瓶颈，生产效率、设备利用率不足。

五是品质管控方面，电池企业需要有效降低恶劣环境下的汽车安全风险，满足国外、国内汽车厂客户们提出的严苛的“电池高一致性”标准，但传统的制造模式对此难以有效保障。同时，近年来国家对动力电池提出物料和产品全程追溯的强制要求，但传统的人工模式管理效率低、易出错。

六是产品售后服务方面，传统上电池厂依赖人工上门服务，响应速度慢。服务的解决效率过于依赖人工技术水平、素质经验，一旦出现人才流失，企业损失较大。

综合可见，动力电池制造企业一般处于产业链低端，利润率低，大多采用传统的加工装配的制造模式，缺少竞争优势。企业乃至整个行业需要进行战略转型，向设计、服务等高价值供应链获取效益，以衍生更多核心竞争力。

基于体系工程的智能化改造

在智能化项目实施前，虽然工厂所有工序的单机自动化水平较高，但只能基本实现对设备数据的自动采集分析，整体智能化水平有待提升。制造模式以极板制造流程型，与电池、模组PACK离散型生产相结合，设备能力匹配精度不高，物流过程依赖大量人工转运、上下料作业、等待时间长。工厂数字化应用不足，没有实现设计生产一体化，设计、生产、物流、管理相互之间存在孤岛问题，整体效率不高。

2016年3月，湖南科霸启动了“年产5.18亿安时车用动力电池产业化项目——节能与新能源汽车动力电池智能工厂”项目（以下简称“智能工厂项目”）建设。该项目主要涵盖了智能设计、智能经营、智能生产（包含MES、控制系统、智能检测与装配装备、智能物流和仓储）和智能服务四大主体，并在智能保障体系的基础上通过数据集成、系统集成，在保障系统安全的基础上构建出智能工厂。

智能工厂项目主要建设完成正负极生产线、电池装配生产线、化成生产线，工厂总面积达4万平方米，建成年产能达到5.18亿安时的车用动力电池智能制造工厂。智能工厂项目建设的核心智能制造装备主要包括智能化的电池极板制造、电池装配、电池化成及仓储物流设备。

通过开展总体设计，湖南科霸进行产品设计与工艺管理，建设智能生产的生产线/加工中心，发展智能检测装备和智能仓储、物流，建立能源管理系统和ERP、MES系统；开展工业软件和网络集成应用；搭建企业大数据平台，自主完成电池制造成套装备开发和系统集成等。该智能工厂项目已于2019年年底竣工，并通过正式验收。

实施目标与策略

智能工厂实施目标与策略包括以下6个方面。

一是装备智能化：关键环节用设备替代人工，开展装备与工艺课题攻关，开发有自主知识产权的成套装备。

二是物流无人化、柔性化：建立智能化的立体仓库、AGV自动物流系统，提高整体生产节拍，消除瓶颈工序。减少仓储物流过程中的搬运、转运占用大量人工成本的问题，并提升物料供应效率，解决“物流孤岛”问题。

三是品质智能管控：加大投入展开科研攻关，解决品质均一性问题。建立生产监控指挥中心，强化预警与事前管理。

四是信息化集成：补齐信息化短板应用，如ERP、MES等软件系统并强化软件集成，提升数据的及时性、准确性，减少人工干预风险；强化基础网络设施，工厂网络与通信能力、安全性达到工业标准。

五是开发智能运维：开发智能化电池包产品，升级远程监控与自诊断自维护能力，建立远程服务平台。

六是建立大数据平台：通过制造与服务端的大数据分析，建立起全生命周期的管理分析机制，实现服务性创收转型升级。

湖南科霸智能工厂项目充分贯彻以上思路，通过应用工业机器人、智能传感与控制装备、智能检测与装配装备、智能物流与仓储装备，实现产品生命周期中的设计、制造、装配、物流等各方面数据互通，从而缩短产品设计到生产的转化时间，对产品全生命周期进行系统高效的管理。

实施内容

在湖南科霸基于体系工程的智能制造建设中，涉及基础设施改造、产品设计效率提升、生产规划能力提升、生产制造管控、信息系统融合、生产监控与指挥、产品售后服务提升等几个方面的内容，具体体现在以下七个方面。

一是通过工业网络互联互通，改造提升基础设施，主要是通过工业以太网、工业无线网通信以及构建信息安全来实现。其中，工业以太网主干采用企业级环形以太网搭建，大大降低网络风险；现场所有的智能设备和管理系统接入以太网；经营、管理、车间三段防火墙分隔，实现了“全面保护”和“纵深防御”。

二是通过智能研发，提升产品设计效率，主要通过融合三维设计软件、三维仿真软件和覆盖性虚拟验证来实现。其中，应用三维设计软件（CATIA）对电池产品进行三维数字化建模；应用三维仿真软件（ANSYS）来对电池产品进行仿真；应用覆盖性虚拟验证来模拟多种应用环境对电池产品进行测试。

三是通过智能规划，提升生产规划能力。其中，应用布局规划来解决电池工厂和仓库的总体布置，适应生产过程的预先验证问题；应用布局规划来解决电池制造车间物流动线布局优化问题；应用生产仿真验证来解决生产工艺的规划和仿真优化问题。

四是通过建设MES系统，融合智能管理进行高效管控。高效管控主要体现在以下6个方面：第一，建设MES系统，覆盖对人、机、料、法、环、产品等重要生产要素的管理，通过对制程管控、设备维修保养、质量控制、过程数据采集的管理，实现制造车间生产设备控制层和车间管理信息流的集成，从而达到生产过程的可视、可控的智能化管理。第二，应用智能现场管理的生产过程监控来提升对电池生产过程的透明化监控以及精确辨识和预测。第三，应用智能现场管理的智能操控，实现了极板生产车间根据实际工况自动优化工艺参数的能力。第四，应用智能现场管理的生产设备预测性维护，提升对生产设备健康状况的评估，并提升预测故障及剩余寿命的能力。第五，应用智能仓储物流管理对前置仓中的机器人实现自主作业规划。第六，应用智能仓储物流管理对电池车间AGV实现行进路径优化。

五是通过ERP、MES、PLM系统集成，实现信息系统融合。通过建立标准化的接口平台，统一接口方式和接口管理平台，由MES系统将ERP系统、PLM系统、自动化物流仓储系统、设备控制系统进行集成，实现数据的完全共享，达成信息流和资金流的全面贯通。

六是建立生产监控与指挥中心，制造中心办公区所有制造、设备系统的一线管理人员均可随时掌握工厂全局状况，有效提升生产效率、品质水平，降低单位产值能耗。项目实施后，湖南科霸的制造部门成为“生产监控中心”“生产指挥中心”，由以往发生事件后“紧急寻人式”管理，转变为“透明制造”的智能制造工厂。

七是通过智能服务提升产品售后服务能力。在交付物理产品给客户时，湖南科霸同时提供该物理产品对应的数字孪生体至售后运维部门，用于远程监控物理产品的实时工况。其中，应用产品远程实时工况监控基于数字孪生体，同步对应物理产品的各种传感器采集数据，实现对物理产品运行工况的透明化监控以及精确辨识和预测；应用产品预测性维护，采用各种数据处理方法对产品健康状况进行评估，并预测故障及剩余寿命。

基于体系工程的智能制造特点

基于科力远智能制造体系工程系统平台，湖南科霸提出了覆盖需求、设计、制造、运行、产品、用户、生产线、任务场景和关联系统等全体系、全场景的智能制造解决方案，深度实践智能制造，探索出了一条适合动力电池行业的“智造”之路。

智能研发提升产品设计效率

基于智能制造体系工程系统平台与三维设计软件、三维仿真软件的衔接配合，实现动力电池产品设计、仿真和覆盖性虚拟验证，在虚拟环境中完成产品的设计参数制定、应用环境仿真，缩短研发周期并降低投产成本，提升了产品设计效率。

智能规划提升生产规划能力

基于智能制造体系工程系统平台提供智能规划，提升生产规划能力。智能规划是指利用相关技术为工厂提供布局规划和生产仿真验证，降低业务过程的成本，提高场地空间、设备的利用效率，灵活适应市场需求的变化。其中，布局规划解决了工厂总体布置适应生产过程的预先验证问题，以及车间、生产线和物流动线布局优化问题；生产仿真验证解决了生产工艺的规划和仿真优化问题。

智能排程提升生产灵活性和交付能力

基于智能制造体系工程系统平台提供智能排程，提升生产安排的灵活性和交付能力。智能排程与生产计划软件（如ERP、APS）衔接配合，在遵循有限产能计划的框架下，综合考虑企业资源的目标、排产的策略，以及产品、工艺、生产纲领、制造资源等约束情况，结合设备状态反馈和生产实况反馈，利用数字孪生的推演预测和动态优化技术，为工厂生产提供多目标优化排程和动态排程，实现缩短制造提前期、消减库存，缩短交货期，更好地适应支持多品种、小批量、短交期、个性化定制的生产模式。

智能现场管理提升监控、辨识和预测能力

基于智能制造体系工程系统平台提供智能现场管理，提升对生产过程的监控、辨识和预测能力。智能现场管理是指与生产控制中心的大屏幕/监控看板系统衔接配合，利用相关技术对生产现场进行管理。其中，生产过程监控实现对生产过程的透明化监控以及精确辨识和预测；自主作业规划是对智能设备状态、作业状况进行推理预测和控制预演，实现智能设备自主作业管控及未来的群智能协同作业；智能操控是指根据设备状态反馈和生产实况反馈，基于作业规划或作业规则要求，实现对设备的智能操控；生产设备预测性维护是指利用各种传感器数据和数据处理方法对生产设备健康状况进行评估，并预测故障及剩余寿命。

智能仓储物流管理提升自主作业规划能力

基于智能制造体系工程系统平台提供智能仓储物流管理，提升作业设施自主作业规划能力。智能仓储物流管理是指利用相关技术对仓储物流现场进行管理。其中，自主作业规划是对AGV、各种作业机器人等智能设施状态、作业状况进行推理预测和控制预演，实现智能设施自主作业管控以及未来的群智能协同作业；动态优化是根据物流设施状态反馈和仓储物流生产实况反馈，基于作业规划或作业规则要求，利用相关技术实现物流设施的动线优化；物流设施预测性维护是指利用各种传感器数据和数据处理方法对物流设备健康状况进行评估，并预测故障及剩余寿命。

智能服务提升对客户的售后服务能力

基于智能制造体系工程系统平台为客户提供智能服务，提升售后服务能力。智能服务是指利用相关技术对产品的交付以及售后运维进行管理。其中，数字化产品交付是在交付物理产品给客户过程中，也同时提供该物理产品对应的数字孪生体给售后运维部门用于远程监控物理产品的实时工况；产品远程实时工况监控基于数字孪生体同步对应物理产品的各种传感器采集数据，实现对物理产品运行工况的透明化监控以及精确辨识和预测；产品预测性维护是基于物理产品对应的数字孪生体，采用各种数据处理方法对产品健康状况进行评估，并预测故障及剩余寿命。

智能化改造成效

通过智能工厂项目，湖南科霸建设了电池极片、车载电池的智能化工厂。智能化工厂建设3年来，湖南科霸销售收入增加近1倍，达3.6亿元，产品累计销售额为12.39亿元，呈快速增长态势，累计净利润约为1亿元。

2019年智能化改造完成后，工厂产能可有效满足12万台套的订单需求，2021年该项目电池产品产能提升4倍。智能工厂的建设，为公司进一步扩大产能，推动新的经济增长提供了坚实基础保障，实现了经济效益的显著提升。

智能工厂项目实施后，湖南科霸智能制造水平大幅提升，通过将ERP、MES、PLM等信息技术与设计、生产、经营、服务的无缝融合，将信息化、智能装备贯穿应用到工厂设计、工艺、物流、生产线、质量控制等各个环节，以及基于企业工业网络技术实现互联互通并完成智能工厂建设，实现生产效率提高33.2%，运营成本降低24.1%，产品不良品率降低82.1%，产品研制周期缩短37.2%，单位产值能耗降低24%，客户满意度由以前的91%提升到98%，产品的交付期也缩短了16天，有效提升了企业的竞争力和快速应变能力。

项目开发出正负极极板闭环反馈定量喷涂系统，构建了多孔金属材料面密度在线计测的数学模型，研发出了无损连续检测带状材料面密度及极板充填重量的装置和管理系统，实现正负极板充填重量的精确测量和管理，极板的填充重量变差相比日本丰田，从±6%降至±2.5%。湖南科霸同时开发出双镍带精确连续超声波焊接、正负极精确涂布关键设备，并进行信息系统集成、工业网络构建，实现了电池制造的全流程数字化生产。

上述技术开发成果于2018年通过中国轻工业联合会组织的技术鉴定会鉴定，整体技术创新性强，在电池温度适应性、安全可靠性、低温倍率性、使用寿命和电极材料等方面达到国际领先水平。

智能化项目实施后，通过公司电池远程监控智能系统与内部信息的集成，结合公司使用多年的数据采集追溯系统，对运行中电池产品进行实时监控管理，对核心指标进行数据采集与分析，售后部门收到系统异常预警后第一时间与客户取得联络，启动相关预案，实现了电池产品“防患于未然”的目标。

通过湖南科霸的智能化工厂建设，科力远智能制造体系工程系统平台通过从先进储能材料国家工程研究中心的单项技术产品数字化与智能化，向全要素汇聚的产业链转变，打造创新生态系统，积累行业数据，通过体系融合，形成“数据矿藏（庞大的智能制造知识库）+数据链+技术链+供应链+金融”完整智能生态，实现关键核心领域产业数字化技术示范应用与工程化平台，形成单一企业局部创新环境改善，向重视营造产业跨界协同创新环境转变。通过加载智能制造优秀实践IP，完成多技术的跨界应用融合。

打破边界：跨越数智化转型的三大深水区

杨继刚企业转型专家 知行韬略合伙人

打破边界，重塑增长，勇敢跨越三大深水区，这才是传统制造企业高质量发展的必由之路。

作为一家动力电池生产商，湖南科霸（以下简称“科霸”）用一场基于体系工程的智能制造系统创新，走出了一条从传统加工装配到智能制造赋能的转型之路，展示了制造企业向数智化转型要跨越的三大“深水区”。

一是“体系深水区”：不止设备智能，更要体系重构。科霸通过构建工业以太网、无线网络与信息安全防护体系，打通了从研发、制造、物流到服务等多环节的数据信息链，全面消除“流程孤岛”。在这一过程中，智能制造不仅是信息与数字技术的叠加，更是业务流程与机制的重构。更为关键的是，科霸打造的智能制造体系工程系统平台，打通了包括ERP、MES、PLM等核心业务系统，让设计、生产、仓储、交付、售后实现全过程联动。从这个角度看，数智化视角的“设备”，不是单机运转的孤岛，而应该成为整个智能体系中的感知与执行节点。这种体系重构带来的不只是生产效率的提升，更是科霸在管理能力、业务模式与资源配置能力方面的全方位跃迁。

二是“全链深水区”：不止制造升级，更要全链闭环。对于数智化转型而言，制造企业需要的并不是某个环节的数智化水平提升，而是基于价值链体系的“全链闭环”。在这方面，科霸构建起了全方面的价值链数智化闭环体系。比如，在产品研发阶段，借助三维建模、仿真与虚拟验证，实现产品设计与仿真的数字化，大幅缩短研发周期，提升设计效率与精度；在生产规划层面，科霸运用智能排程系统，不仅减少了人工干预，还提升了应对订单变化的柔性能力；在制造执行环节，科霸已实现生产过程的全程数字化与透明化，包括极板制造、电池装配到模组PACK、仓储物流等，初步构建了自动化、数字化与智能化的“三位一体”智能制造格局。另外，随着“制造即服务”（MaaS）的制造理念升级，科霸在产品交付后，通过数字孪生技术与智能运维平台，为客户提供全生命周期服务。从卖产品到卖价值，制造企业的数智化转化为客户买单与复购，这才是健康可持续的商业模式。

三是“生态深水区”：不止单厂突破，更要生态赋能。科霸基于自身的智能制造体系工程系统平台，从“智能工厂建设者”转型为“智能制造赋能者”——不仅用于自家工厂的持续优化，还对生态圈开放，赋能产业链上下游合作伙伴，成为生态圈里的超级引擎。比如，根据不同行业、不同产品类型，灵活调整生产工艺、智能排程、质量管控、智能运维等模块，实现广泛应用，逐步构建“制造知识库+数据链+技术链+供应链+金融链”的五链协同创新生态；再比如，通过工业互联网与大数据平台积累产业数据资产，持续优化自身技术能力，同时输出服务方案，成为更多生态圈里的中小制造企业数智化转型的基础设施与赋能平台。

打破边界，重塑增长，勇敢跨越三大深水区，这才是传统制造企业高质量发展的必由之路。