锂电池生产工艺数字化的业务架构

1. 锂电池生产工艺数字化的业务架构王晓钰博士宁德新能源(ATL)智能制造总工数字化转型顾问 2023年4月22日

2. Copyright@王晓钰 2

3. 宁德新能源(ATL)的产品 4/22/2023 3

4. 王晓钰宁德新能源(ATL)智能制造总工数字化转型顾问西安交通大学本(1997-2001)、硕(2001-2004)、博(2004-2007) 数据科学、工业算法专家；复杂系统控制论专家；  企业实践者：曾在GE GRC（通用电气全球研发中心）、远景能源、三一重工有15年工业产品研发经验，从零到一搭建研发体系，研发产品从大功率硬件（变频器、风力发电）到智能化系统（智慧风场、智能制造），产值数十亿。  理论研究者：著有《工业数字化转型：系统方法与敏捷实践》，以理工科视角，基于系统控制论，建立数字化转型的方法。  洞察智能技术的简单本质，擅长复杂系统的突破创新。立志于帮助中国企业在数字化转型上少走弯路。 Copyright@王晓钰王晓钰 13636567737 4

5. 又是chatGPT，又是数字化，对我的公司有什么价值？大家在说的数字化业务视角:商业的本质获取价值 Copyright@王晓钰创造价值传递价值 5

6. Copyright@王晓钰 6

7. 技术革命驱动的数字化 Copyright@王晓钰 7

8. 数字化，是技术与业务的有机融合 Copyright@王晓钰 8

9. 数字化与你的业务之间，跨不过的鸿沟传统行业化工、电池互联网行业人工智能产业 Copyright@王晓钰 9

10. 将AI嵌入业务活动拼装式AI应用拼装式AI应用拼装式AI应用开放平台/API服务通用AI大模型(chatGPT/GPT-4) 行业/专业领域大模型企业/业务专属AI模型 Copyright@王晓钰 10

11. 提纲 1. 数字化怎么创造业务价值？ 2. 怎么设计业务数字化方案？ 3. 锂电池生产工艺数字化的业务架构 • 业务解构：工艺的本质建模 • 技术重构：数字化方案设计 4. 技术实现架构 5. 结论与展望 Copyright@王晓钰 11

12. 1. 数字化怎么创造业务价值数字化与业务的关系数字化技术如何赋能业务 Copyright@王晓钰 12

13. 数字化的价值：更好地应对不确定性 • 过去的市场：高速增长获取价值创造价值传递价值 • • • • 需求 > 供给市场可预期规模化大生产 “一招鲜”就能赢得竞争 • 现在的市场：增长放缓 • 需求 < 供给 • 市场（业务）难以预期 • 凭洞察力而不是直觉行事 Copyright@王晓钰 13

14. 寻找不确定问题的简单解法 • 复杂问题并不一定需要复杂的解决方法，应该先寻找简单的方法。基本盘及时调整 Copyright@王晓钰？概率/ 风险 14

15. 数字化：系统性地应对不确定性确定性均衡市场：变化缓慢应对策略：标准化，规模化周期市场：变化有规律应对策略：规则与流程，信息化随机市场：有统计规律，正态分布应对策略：概率分析，风险控制，统计过程控制复杂市场：VUCA，高不确定性应对策略：敏捷，韧性，快速响应，数字化不确定性 Copyright@王晓钰 15

16. 寻找不确定问题的简单解法 • • 随机 = 风险：如果风险是已知的，你需要的就是逻辑思维和统计学思维。异常的事件 = 不确定性：如果有些风险是未知的，你还需要直觉和睿智的经验法则。 Copyright@王晓钰 16

17. 对战不确定性，需要复杂性思维未来的方法现在的方法复杂网络，智能进化统计模型，宏观预测过去的方法物理模型，精确预测确定性不确定性 Copyright@王晓钰 17

18. 对战不确定性，需要复杂性思维一些系统地应对不确定性的思维方式（可以称之为算法）：站在事物发展的角度，而非自身的层面去看问题 1. 生命进化的策略 • 生命不能预测未来，但是它可以生成一套在各种条件下的一组行为策略 • 试错而非设计，对不确定环境具有最高适应。不一定目前看起来最优，而能在变化的环境中改变自己。 • 自然进化的特点是对待个体是残酷的，而总体上获得进化的鲁棒性，多子嗣，也就是多备胎。 2. 行动中学习的策略 • 未来是不确定的，但我们必须在此刻做出选择，每个行动会带来有关结果的新的信息。 • 这个信息可能对结果有害或者有益，这时候我们要迅速的调整估值，根据新的估值调整行为。 • 为了让长期的奖励最大化，需要调整自己的行为。 Copyright@王晓钰 18

19. 数字化：系统性地应对不确定性工业化、信息化（典型场景）数字化（动态复杂场景）八股文散文：形散而神不散 Copyright@王晓钰 19

20. 数字化，改变了价值创造的模式 • 数据驱动生产要素，对细微的变化做快速反映，更好地实现人的意图 • 数字流与价值流如何融合：虚实互动的信息物理系统(CPS) 数据物质原料能源动力数字化数据流行动工业化价值流工业产品 Copyright@王晓钰 Copyright@王晓钰 20

21. 制造价值链中的设备价值市场端客户需求设计端电芯设计工艺加工能力工艺生产端设备执行 (高抗扰，动态能力，减少品质调试) 设备可靠性 (可利用率高，故障少) 维护成本低 (成本低，人员少) • 将工艺、设备分层考虑， • 设备对上承载工艺的要求；对下保障生产执行 • 考虑设备这一层时，需要考虑车间、拉线、设备等差异

22. 数字流：系统性地应对不确定性 • 数据的流动比数据更重要，数据流动方式（数据流结构）改变业务价值创造的方式（结构）数字化（自动数据流）未知信息的预测之前行动的反馈实体生产价值流 Copyright@王晓钰 22

23. 数字化：从流程驱动，到数据驱动 Copyright@王晓钰 23

24. 2. 怎么设计业务数字化方案？ Copyright@王晓钰 24

25. 信息化的方案设计方法业务现状的业务痛点痛点问题设计业务方案需求设计技术方案设计详细开发 (软件、算法) 软件功能数据库算法 IDT(软件开发、算法开发、数据建模) BP(业务分析) 需求病人：给我开个xx药打个xx针 4/22/2023 ATL Confidential Information 25

26. 思路转变：思考本质，自我迭代智能制造的成熟度模型制造的本质与数字化创新数字化方案 • 更多数据 • 更智能 • 更自动新问题/ 当前业务方案新需求实际场景标准化流程 Copyright@王晓钰流动的数据，自适应协作 26

27. 什么是数字化的“一” 动态、柔性的业务信息技术赋能下的新业务模式 2023-4-22 27

28. 数字化的业务方案设计方法 As Is 当前业务表现 To Be 业务价值提升直接需求当前业务问题 ① 现状问题与业务挑战解构问题化解 ④ 业务重构与方案创新重构底层假设与能力约束核心矛盾底层假设突破，能力约束释放 ② 底层假设与本质洞察 ③ 突破底层假设，化解核心矛盾突破底层假设，化解核心矛盾 28

29. 生产工艺的底层假设 • 现状：统计过程控制，六西格玛，SPC – – – – – 基于简单的统计规则，单工序、单因子基于线性相关性，标准化，强管控时效性不够，>4小时针对一个个问题，比较零散地开发，多数是本机上的程序，没有形成规范化的平台，难以沉淀为组织能力人员技能比较传统：统计学，上位机单机软件开发 4/22/2023 ATL Confidential Information/Copyright@王晓钰 29

30. 实际的统计分布 • 单因子接近正态分布 • 双峰分布 • 异常的事件和特定的模式 4/22/2023 ATL Confidential Information/Copyright@王晓钰 30

31. 工艺数字化：突破统计过程控制的假设 • 现状：统计过程控制，六西格玛，SPC – – – – – • 基于简单的统计规则，单工序、单因子基于线性相关性，标准化，强管控时效性不够，>4小时针对一个个问题，比较零散地开发，多数是本机上的程序，没有形成规范化的平台，难以沉淀为组织能力人员技能比较传统：统计学，上位机单机软件开发期望：自适应过程控制 – – – – – 系统控制论的逻辑，来理解工艺，跨工序、多因子建模灵活的动态调控、智能的算法、机器学习，更有效地探测具体的变异时效性更高，根据扰动的时间尺度，分层控制共识的统一平台，让业务人员很清楚要在哪里部署，形成积淀人员技能升级：系统控制论，轻量级应用，聚焦业务逻辑，低代码开发 4/22/2023 ATL Confidential Information/Copyright@王晓钰 31

32. 业务数字化的设计方法与模板业务目标与业务战略 • 提升生产合格率，提高材料利用率，减少Rework ① 现状问题与业务挑战 • • • • ④ 业务重构与方案创新工艺过程有很多不确定的干扰过程一致性控制难以进一步提升换型的调试时间长 IPQC数量多，过程控制质量成本高 • 数据流与工艺流的互动，抑制工艺过程的波动序号关键任务目标责任人时间 1 2 3 4 ② 底层假设与本质洞察 • 统计过程控制 • 简单统计规则 • 单工序 • 单因子 • 假设各因子是独立的、统计分布是正态的 4/22/2023 1 4 2 3 ③ 突破底层假设，化解核心矛盾 • 动态自适应过程控制 • 跨工序、多因子控制 ATL Confidential Information/Copyright@王晓钰 32

33. 制造工艺的数字化：应对工艺中的不确定性升级工艺管理工艺改善工艺设计业务人员活动 BOP更新优化设计数字空间（数字化） NPI、测试问题工艺纠偏工艺建模与仿真优化设计实体生产活动工艺纠偏转量产 4/22/2023 标准来料标准生产工艺标准生产设备标准使用工况 FA分析批量异常 FA分析 FA分析发货来料波动工艺能力波动设备磨损变异标准测试工况 ATL Confidential Information 客户投诉厂家测试用户使用一批电芯 • • • • 客户投诉质量大数据预警批量异常工艺执行一个电芯 • • • • 质量管理工艺自适应控制 NPI、测试问题工艺设计升级 • • 厂家个性化测试最终用户使用条件因人而异 33

34. 业务数字化的两步法解放思想 • 业务解构：问题驱动的业务调研 –业务建模：抽象提炼，挖掘业务的本质 –深挖假设：挖掘当前方案的底层假设 –突破点聚焦：找到导致问题的约束点 4/22/2023 突破创新 • 数字重构：创新解决一类问题 –发散形成新方案：跨行业调研 –基于CTQ优化设计：各方案对比择优 ATL Confidential Information/Copyright@王晓钰 34

35. 3. 锂电池生产工艺的数字化方案设计业务解构：工艺的本质建模技术重构：数字化方案架构 Copyright@王晓钰 35

36. 锂电池的生产工艺前工序阴极隔离膜后工序阳极 Mixing搅拌卷绕容量 OCV1 Coating涂膜顶侧封成型&FEF OCVB 冷压真空baking 化成&PIEF 目检分条注液高温 baking 成品下仓 4/22/2023 ATL Confidential Information/Copyright@王晓钰 36

37. 无法被简化处理的“不确定性” • 工艺设计的方法与假设：统计过程控制，六西格玛基于简单的统计规则，单工序、单因子基于线性相关性，标准化，强管控 – – • 实际的统计分布与工艺设计有偏离 • 大量的异常事件，形成特定的模式 37

38. 追问工艺的本质与根本目标 • 工艺的本质：将产品目标，充分必要地分解为加工步骤，不多不少。 • 工艺的目标：  抑制工艺过程的不确定性扰动  通过数字化手段，让Input更好更快的实现 Output和工艺功能。 1 Input 料 • 工艺的目标：保证质量不受工序误差而波动工艺传递函数 Factors 干扰人设备软件环境工艺控制工艺管理 4/22/2023 ATL Confidential Information Output 波动 2 3 38

39. 工艺解构 • 单工序的工艺 x i d i y i-1 工序返工 • 工艺路线 4/22/2023 σ i y i 复检报废 ATL Confidential Information 39

40. 工艺中的挑战：不确定性升级工艺管理工艺改善工艺设计管理活动 BOP更新优化设计实体生产活动 NPI、测试问题工艺设计工艺纠偏转量产 • • • • 4/22/2023 标准来料标准生产工艺标准生产设备标准使用工况质量管理 FA分析批量异常工艺执行一个电芯升级 FA分析发货厂家测试用户使用一批电芯 • • • • 来料波动工艺能力波动设备磨损变异标准测试工况 ATL Confidential Information 客户投诉 • • 厂家个性化测试最终用户使用条件因人而异 40

41. 数字流：系统性地应对不确定性 • 数据的流动比数据更重要，数据流动方式（数据流结构）改变业务价值创造的方式（结构）数字化（自动数据流）信息化（业务流程）前馈信息流 (知识完备) 反馈信息流 (知识不完备) IT系统（上位机、MES、数据湖、IoT）实体生产价值流 Copyright@王晓钰 41

42. 数字化的三个要素 • • • 感知：数据化，量化客观认知：智能化，算法决策行动：知行合一，价值落地 4/22/2023 ATL Confidential Information/Copyright@王晓钰 42

43. 数字化的数据流数字化程度数据算法决策自动决策决策分析根据预案，我该怎么做？辅助决策趋势分析预测预警分析数字空间 (数据驱动) 将会发生什么？数据数字化方案的基根因分析为什么发生，原因是什么？本框架描述性分析发生了什么？物理空间 (实体业务) 实时反馈 4/22/2023 行动怎么预防避免？人工查询分析怎么彻底解决？人工查询查看调整管理焦点，问题影响范围多大？车间产线设备 Copyright@王晓钰精准执行 43

44. 多因子的工艺数字化方案第三层：仍不可解决问题时，就对Y进行提前预警，并给予辅助FA分析，提醒人及时管理。第二层：当控制x仍不可解决问题时，需要调整规格线σ，使用动态规格线对y进行管控，对部分PRJ赋能第一层：对于可控制的x进行闭环控制，自适应控制，对现场的ME赋能 4/22/2023 ATL Confidential Information 44

45. 工艺数字化整体方案 Level 3：精准异常预警大数据异常预警 Level 2： • 跨工序控制与优化动态规格线 Level 1：单工序自动控制 � � ⋯ 单工序工艺控制 � � � 搅拌返工 σ 1 复检报废 ⋯ � � � � � ⋯ 涂布返工 σ 2 y 2 复检 � � � � ⋯ � 单工序工艺控制 x N-1 y 1 d 2 ⋯ � � 单工序工艺控制 x 2 y 0 4/22/2023 ⋯ 单工序工艺控制 x 1 d 1 � � � � 跨工序工艺控制 x N X-ray d N-1 返工 ATL Confidential 报废 Information/Copyright@王晓钰 y N-1 σ N-1 复检报废 FQI σ N y N Y d N 45

46. 跨工序的动态过程控制模型短期长期厚度/长度/宽度 Swelling 尺寸表面异常性能容量/K值 Fading  方法 – 利用多变量主模型确认影响相应参数的关键工序： Y = f(y 1 , y 2 , y 3 , …) – 对每一个关键工序，确认关键设备参数: y i = f(y j , x i1 , x i2 , …), where j<i 跨工序协同模型：多变量跨工序、多变量的预测与控制模型 y 2 y 1 y 3 Y 工序模型工序模型工序模型 … 数字世界物理世界搅拌涂布冷压分条卷绕包装 MIB 注液常温1+高温1 静置 PIEF ACT 高温2+常温2 静置 DEG 注入电解液厚度 4/22/2023 张力 FCF 高温3+常温3 静置 ITM (OCV+X- RAY+FQI) ORT 厚度 Lead time PIEF压力 1.2MP 容量 ATL Confidential Information 保有量 Fading/Swelli ng 46

47. 精准异常预警 ORT 电芯画像预测置信度厚度容量预测基于前工序预测厚度容量基于来料IQC 预测厚度容量基于设计和历史预测厚度容量预测提前量 • 膜卷厚度 • 膜卷重量 • 设计厚度 • 设计容量 • 厚度 • 容量 Model文件 4/22/2023 工艺设计来料文件偏差来料波动前工序前工序CPK ATL Confidential Information/Copyright@王晓钰 • Swelling • Fading 后工序 ORT 后工序CPK 测试异常 Y 47

48. 4. 技术实现架构 Copyright@王晓钰 48

49. 电芯画像的系统架构定时计算任务条件筛选 (by机台/浆料等) 频域分析时序分析统计分析频谱指纹时序模式 Redis 风险评分表特征库统计特征电芯画像算法预警判断逻辑 (多因子投票) 定时调用 (每小时) DWD 非结构化数据 TSDB 大数据平台 DM 预警平台 MES 设备 49

50. 电芯画像的计算架构条件筛选 (by机台/浆料等) 频域分析每天计算任务时序分析统计分析条件筛选 (by机台/浆料等) 频域分析每小时计算任务时序分析统计分析 DWD 实时计算任务频谱指纹 Redis 时序模式风险评分表特征库统计特征频谱指纹 Redis 时序模式风险评分表特征库统计特征 DM 大数据平台预警平台 IoT MES IoT PLC 上位机 PLC 50

51. 算法框架架构（1）每个产品 Model 宏观态更整体每个工单每个膜卷每日数据微观态更细节前工序每组电芯后工序 51

52. 算法框架架构（2）风险评分表频谱分析时序分析工单级别每工单Group bins 统计分析风险评分表频谱分析时序分析膜卷级别每膜卷Group bins 统计分析风险评分表频谱分析时序分析每日级别每日Group bins 统计分析膜卷特征风险评分表频谱分析时序分析电芯组每小时，电芯序列每个电芯 MES实时计算(暂不考虑) 统计分析电芯特征预警判断逻辑 52

53. 提纲 1. 数字化怎么创造业务价值？ 2. 怎么设计业务数字化方案？ 3. 锂电池生产工艺数字化的业务架构 • 业务解构：工艺的本质建模 • 技术重构：数字化方案设计 4. 技术实现架构 5. 结论与展望 Copyright@王晓钰 53

54. 大尺度看数字化转型的底层规律复杂度(多样性) • • 信息量增加社会结构更复杂必要的数字化超脑智能 AI智能算法智能模型智能数据智能群体智能个人智能第四次工业革命后工业时代工业时代奇点大爆炸不确定性新挑战 Copyright@王晓钰生存压力 (熵，不确定性) 54

55. 王晓钰微信号晓钰说公众号 THANKS 这个时代最有梦想的人 55