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.



  • Kategorisierung von Clouddaten schützt vor Risiken

    Kategorisierung von Clouddaten schützt vor Risiken

    Die Kategorisierung von Clouddaten – also welche Daten in der Cloud verarbeitet werden sollen und welche nicht – kann besonders für unternehmenskritische Daten wichtig sein.

    mehr lesen: Kategorisierung von Clouddaten schützt vor Risiken

  • Firewall für Automatisierungsnetzwerke

    Firewall für Automatisierungsnetzwerke

    Die Firewall SecurityBridge gewährleistet laut Hersteller Pilz ab sofort auch die Überwachung der Datenkommunikation beliebiger weiterer Netzwerkteilnehmer außerhalb der Pilz-Produktfamilie.

    mehr lesen: Firewall für Automatisierungsnetzwerke

  • Alltrotec blickt auf 30+1 Jahre zurück

    Alltrotec blickt auf 30+1 Jahre zurück

    Eigentlich sollte zum 30-jährigen Bestehen bereits im vergangenen Jahr gefeiert werden, jedoch hat die Corona-Pandemie einen Strich durch die Rechnung gemacht.

    mehr lesen: Alltrotec blickt auf 30+1 Jahre zurück

  • Zweistelliges Wachstum im März

    Zweistelliges Wachstum im März

    Im März haben die deutschen Maschinen- und Anlagenbauer ihre Maschinenexporte im Vergleich zum Vorjahr um rund 13 Prozent gesteigert, was jedoch auch der niedrigen Vergleichsbasis aus dem Vorjahr geschuldet ist.

    mehr lesen: Zweistelliges Wachstum im März

  • Hacker erpressen dreifach

    Hacker erpressen dreifach

    Immer wieder sind Unternehmen und Organisationen von Ransomware-Angriffen betroffen. Der Softwareanbieter Check Point beobachtet dabei ein noch aggressiveres Vorgehen der Hacker.

    mehr lesen: Hacker erpressen dreifach

  • Machineering startet Partnerprogramm

    Machineering startet Partnerprogramm

    Im Rahmen eines neu aufgesetzten Partnerprogramms will der Simulationsspezialist Machineering Anwendern u.a. die Lösungsintegration erleichtern.

    mehr lesen: Machineering startet Partnerprogramm

  • Toby Alcock neuer CTO der Logicalis Group

    Toby Alcock neuer CTO der Logicalis Group

    Toby Alcock ist neuer Chief Technology Officer der Logicalis Group. Er bekleidete zuletzt die Position des Chief Technology Officer für Logicalis Australien.

    mehr lesen: Toby Alcock neuer CTO der Logicalis Group

  • SER Group mit neuem CEO und Executive Chairman

    SER Group mit neuem CEO und Executive Chairman

    Sven Behrendt ist neuer CEO der SER Group. Die Unternehmensgruppe teilt zudem mit, dass John Bates als Executive Chairman in den Beirat der SER Group berufen wurde.

    mehr lesen: SER Group mit neuem CEO und Executive Chairman

  • Lösung zur Voraussage von Ausfallzeiten

    Lösung zur Voraussage von Ausfallzeiten

    Mit Kaspersky Machine Learning for Anomaly Detection lassen sich Abweichungen in den Produktionsprozessen frühzeitig erkennen und Ausfallzeiten reduzieren.

    mehr lesen: Lösung zur Voraussage von Ausfallzeiten

  • Neuer Business Development Manager bei Itac

    Neuer Business Development Manager bei Itac

    Martin Strempel ist neuer Business Development Manager Data Analytics beim beim MES-Anbieter Itac Software. In seiner bisherigen Laufbahn bei der BMW Group war er u.a. für die Produktionssteuerung im Werk…

    mehr lesen: Neuer Business Development Manager bei Itac

  • Weiter Zurückhaltung bei Neueinstellungen

    Weiter Zurückhaltung bei Neueinstellungen

    Bundesweit gab es im ersten Quartal 2021 1,13Mio. offene Stellen und damit mehr als im gleichen Zeitraum 2020. Im Vergleich zum 4. Quartal 2020 gingen die offenen Stellen jedoch zurück.

    mehr lesen: Weiter Zurückhaltung bei Neueinstellungen

  • Konjunkturerwartung steigen im Mai

    Konjunkturerwartung steigen im Mai

    Höchster Wert seit Pandemie-Beginn Konjunkturerwartung steigen im Mai Mit 84,4 Punkten steigen die ZEW-Konjunkturerwartungen im Mai auf den höchsten Wert seit mehr als 20 Jahren und auch die aktuelle Lage…

    mehr lesen: Konjunkturerwartung steigen im Mai