Datenpunkte in der Batteriezellfertigung setzen

308119 Hamacher Datenanbindung Batteriezel 20240311092355 1
Batteriezellen werden in vielen komplexen Schritten gefertigt. – Bild: Fraunhofer FFB

Der Wandel der Mobilitätsbranche hin zur Elektrifizierung geht nicht ohne Batterien und der Bedarf für entsprechende Produktionskapazitäten steigt. Doch die Herstellung ist komplex, mit zahlreichen Prozessschritten und Wechselwirkungen. Der Produktionsprozess kann in drei Schritte eingeteilt werden: Der Elektrodenfertigung, der Assemblierung und der Zellfinalisierung. In der Elektrodenfertigung werden aus den verschiedenen Rohmaterialien die Anode und die Kathode der Batterie produziert. Diese werden dann in der Assemblierung zu einer fertigen Zelle verbaut, bevor diese in der Finalisierung erstmalig bestromt wird. Die zahlreichen Wechselwirkungen zwischen den Prozessschritten, machen eine umfassende Aufnahme von Produktionsdaten an jeder Anlage notwendig.

IT-seitige Anbindung von Anlagen

Wahrscheinlich aufgrund der Komplexität des Herstellprozesses der Zellen hat sich auf dem europäischen Markt noch kein Generalunternehmer für Fertigungsanlagen der gesamten Prozesskette etabliert. Die Anlagen einer Fabrik dürften also von unterschiedlichen Firmen stammen. Hinzu kommt die viele Messtechnik, die aktuell für die Zellfertigung entwickelt wird. Um die Datenaufnahme über alle Prozessschritte hinweg sicherzustellen, werden Konzepte, Standards und definierte Schnittstellen benötigt. Zuerst fallen die Daten an der Anlage oder einem Messsystem an. Von dort aus fließen sie in einem Scada-System oder einer IIoT-Plattform zusammen. Die aggregierten Daten können dann in den übergeordneten IT-Systemen, beispielsweise dem MES, zur Produktionsplanung und -Optimierung oder für Analysen und Visualisierungen genutzt werden. Genauso findet eine Kommunikation von den IT-Systemen zurück zur Produktion statt.

Ansätze für die Datenintegration

Der erste Schritt im Schema ist die Überführung der Daten aus Anlagen und Messsystemen in eine übergreifende Plattform. Die Heterogenität der Prozesse erschwert diese Anbindung, für die im folgenden verschiedene Ansätze vorgestellt werden. Diese Ansätze wurden an der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB (Fraunhofer FFB) entwickelt. Die Fraunhofer FFB ist eine Forschungseinrichtung, in der industrienah die Produktion von Batteriezellen erforscht wird. Dazu wird zunächst die ‚FFB PreFab‘ mit einer Musterlinie für die komplette Batteriezellproduktion im kleineren Maßstab aufgebaut. Anschließend folgt eine Fabrik im Gigawattmaßstab, in der verschiedene Prozessschritte und gängige Batteriezelltypen erprobt werden.

Kommunizieren über OPC UA

Die OPC Unified Architecture (OPC UA) von der OPC Foundation bietet viele Funktionalitäten für den Einsatz als Schnittstelle zwischen Shopfloor und IT. Zum einen ermöglicht OPC UA eine vom Protokoll unabhängige Kommunikation, die Daten verschiedener Kommunikationsprotokolle, wie TCP/IP oder MQTT zusammenführt. Darüber unterstützt OCP UA sowohl das Client/Server-Modell als auch Pub/Sub-Kommunikation. Somit ist die Architektur für viele Anlagen und Messsysteme, je nach Frequenz der Daten, der bestmögliche Kommunikationsweg. Der größte Vorteil von OPC UA wird aber durch die Nutzung von Informationsmodellen und Companion Specifications deutlich. Diese ermöglichen eine standardisierte Datenübertragung, losgelöst von den Parameterbenennungen der Anlagenhersteller. Das Problem des Übersetzungs- und Transformationsaufwandes bei inkompatiblen Datenbeschreibungen entfällt. Daten aus der Batteriezellfertigung gelangen häufig nur über Konnektoren aus ihren Systemgrenzen hinaus. Mit OPC UA können Daten hingegen einfach und kontextbezogen weiterverarbeitet werden. Wenn etwa in den Meta-Daten des Parameters verankert ist, dass es ein Temperaturwert ist, können identische Datenverarbeitungs-Pipelines auf alle Temperaturwerte angewandt werden. Eine weitere Herausforderung speziell für die Batteriezellfertigung ist es, dass noch keine einheitlichen Standards und Companion Specifications bestehen. Aufgrund der relativen Neuheit der Branche und einer limitierten Anzahl an Experten, gibt es noch keine finalen Listen an relevanten Parametern. Diese Herausforderungen werden in dem Forschungsprojekt Enlarge, an dem die Fraunhofer FFB beteiligt ist, adressiert. Basierend auf Standards wie EPCIS, ISO/IEC19987, OPC UA und bestehenden branchenspezifischen Companion Specifications soll eine Art Meta-Standard existierende Standards künftig verbinden und erweitern, um das Zusammenspiel der Komponenten für die Batteriezellfertigung zu beschreiben.

Edge Computing fängt Schwächen ab

Eine weitere Besonderheit der Datenkommunikation in der Batteriezellfertigung sind die vielen zu verarbeitenden Messwerte. In der Zellfinalisierung, bei der Formierung, werden beispielsweise Spannungsverläufe pro Zelle in einer Granularität von wenigen Millisekunden aufgezeichnet, um das korrekte Laden der Zelle sicherzustellen. Eine hohe Zahl an Batteriezellen produziert Datenvolumen, die OPC UA Server überlasten. Edge Computing Devices können dieses Problem lösen. Diese Rechner werden direkt im Produktionsbereich platziert und über ein eigenes Netzwerk mit der Steuerung der Anlage oder mit der Messtechnik verbunden. Die Performance und Latenz der Verbindung reicht für anfallende Kommunikationsaufgaben aus, und bei Bedarf können performantere Kommunikationsprotokolle genutzt werden, um von den Edge PCs auf die Messdaten zuzugreifen oder Dateiformate zu übertragen, die nicht durch OPC UA unterstützt werden. Messtechnik kann so direkt an den PC angebunden werden. Oder die PCs können durch den Einbau von Grafikkarten für KI-Auswertungen eingesetzt werden. Da die Verbindung über ein eigenes Netzwerk stattfindet, bleibt diese von Netzwerkausfällen und -problemen verschont, Backups liegen lokal ab. Zusammengenommen lässt sich sagen, dass OPC UA in der Batteriezellfertigung wirkungsvoll hilft, heterogene Datenquellen mit einem übergeordneten System zu vernetzen. Die Edge-PCs fangen dabei die Grenzen von OPC UA ab, indem sie besondere Datenformate verarbeiten und ein durchgehendes, leistungsstarkes und resilientes Netzwerk bereitstellen.

Autor:

Nils Christian Hamacher ist wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB.



  • Capgemini-Studie zeigt Potenziale für Bio-Engineering in der Industrie

    Capgemini-Studie zeigt Potenziale für Bio-Engineering in der Industrie

    Nahezu alle Industrie-Unternehmen befassen sich laut einer Capgemini-Studie mit Bio-Engineering. Die Mehrheit der befragten Organisationen plant demnach sogar Investitionserhöhungen für Biotechnologie. Ein zentrales Motiv: mehr Nachhaltigkeit.

    mehr lesen: Capgemini-Studie zeigt Potenziale für Bio-Engineering in der Industrie

  • Smart Factory Week startet Mitte September

    Smart Factory Week startet Mitte September

    Die Smart Factory Week von MPDV geht vom 16. bis 19. September 2024 in die vierte Runde. Das Online-Event richtet sich an Einsteiger und Nutzer digitaler Fertigungsprozesse und Management Execution…

    mehr lesen: Smart Factory Week startet Mitte September

  • Neuer Managing Director Germany bei Commvault

    Neuer Managing Director Germany bei Commvault

    Seit Juli hat die Commvault Systems einen neuen Management Director für Deutschland. Frank Dehne folgt in dieser Position auf Peter Kayi.

    mehr lesen: Neuer Managing Director Germany bei Commvault

  • BSI entwickelt Folgemaßnahmen als Reaktion auf weltweite IT-Ausfälle

    BSI entwickelt Folgemaßnahmen als Reaktion auf weltweite IT-Ausfälle

    Nach den weltweiten IT-Störungen am 19. Juli 2024 hat das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) im Gespräch mit den Software-Unternehmen Crowdstrike und Microsoft erste Maßnahmen entwickelt, um vergleichbare…

    mehr lesen: BSI entwickelt Folgemaßnahmen als Reaktion auf weltweite IT-Ausfälle

  • Forschende gehen technologiebezogenen Verschwörungstheorien auf den Grund

    Forschende gehen technologiebezogenen Verschwörungstheorien auf den Grund

    Wissenschaftler der Universitäten Paderborn und Göttingen untersuchen in einer Studie, wie technologiebezogene Verschwörungstheorien zustande kommen und welche Auswirkungen diese haben können.

    mehr lesen: Forschende gehen technologiebezogenen Verschwörungstheorien auf den Grund

  • B-Human erneut beim RoboCup erfolgreich

    B-Human erneut beim RoboCup erfolgreich

    Das Team B-Human der Universität Bremen und des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) errang bei der RoboCup-Weltmeisterschaft in Eindhoven den Titel – und das bereits zum elften Mal.

    mehr lesen: B-Human erneut beim RoboCup erfolgreich

  • Fehlende Transparenz in der Software-Lieferkette gefährdet NIS-2-Compliance

    Fehlende Transparenz in der Software-Lieferkette gefährdet NIS-2-Compliance

    Unternehmen kämpfen noch mit den Cybersicherheitsanforderungen der neuen NIS-2-Richtlinie. Laut einer aktuellen Studie von BlackBerry scheint die Software-Lieferkette ein entscheidender Faktor dafür zu sein.

    mehr lesen: Fehlende Transparenz in der Software-Lieferkette gefährdet NIS-2-Compliance

  • Bosch erwirbt HLK-Geschäft von Johnson Controls & Hitachi

    Bosch erwirbt HLK-Geschäft von Johnson Controls & Hitachi

    Bosch setzt seinen Wachstumskurs mit einer strategischen Akquisition fort: Für seinen Bereich Energy and Building Technology plant die Unternehmensruppe das weltweite Heizungs-, Lüftungs- und Klimalösungsgeschäft für Wohn- und kleine Gewerbegebäude…

    mehr lesen: Bosch erwirbt HLK-Geschäft von Johnson Controls & Hitachi

  • EmpowerMX wird Teil von IFS

    EmpowerMX wird Teil von IFS

    IFS erweitert sein Produktportfolio mit der Übernahme von EmpowerMX um eine Wartungssoftware für die Luftfahrtindustrie.

    mehr lesen: EmpowerMX wird Teil von IFS

  • Neuer CFO für Rockwell Automation

    Neuer CFO für Rockwell Automation

    Rockwell Automation hat bekannt gegeben, dass Christian Rothe am 19. August als Senior Vice President und Chief Financial Officer in das Unternehmen eintreten wird.

    mehr lesen: Neuer CFO für Rockwell Automation

  • Kontron erweitert Vorstand

    Kontron erweitert Vorstand

    Mit Philipp Schulz und Johannes Fues hat Kontron zwei neue Vorstandsmitglieder. Zudem gibt das Unternehmen die Vertragsverlängerung von Vorstandsmitglied Michael Riegert bekannt.

    mehr lesen: Kontron erweitert Vorstand

  • Fehlerhaftes Update sorgt weltweit für Ausfälle

    Fehlerhaftes Update sorgt weltweit für Ausfälle

    Ein fehlerhaftes Update einer Sicherheitssoftware hatte am Freitag weltweit für IT-Ausfälle auf Windows-Systemen gesorgt. Aber auch Microsoft selbst meldete Probleme. Mittlerweile hat sich die Situation nach Angaben des BSI wieder…

    mehr lesen: Fehlerhaftes Update sorgt weltweit für Ausfälle