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.



  • Werner Rieche wird Vice President DACH bei OpenText

    Werner Rieche wird Vice President DACH bei OpenText

    Von 2001 bis 2015 war Werner Rieche bereits für OpenText tätig. Nun kehrt er als Vice President DACH zum Softwareunternehmen zurück.

    mehr lesen: Werner Rieche wird Vice President DACH bei OpenText

  • 6 Steuertipps für Unternehmen

    6 Steuertipps für Unternehmen

    Aufgrund der Corona-Krise wurde eine Reihe von Steuergesetzen zugunsten von Unternehmen geändert. So können vor allem KMU unter anderem von Sonderabschreibungen, einer Verlängerung der Frist für den Investitionsabzugsbetrag sowie von…

    mehr lesen: 6 Steuertipps für Unternehmen

  • In fünf Phasen gegen Hacker

    In fünf Phasen gegen Hacker

    Angriffe mit Ransomware sind weit verbreitet und laut einer TÜV-Rheinland-Umfrage sehen sich rund 30 Prozent der darin Befragten Sicherheitsexperten, nicht ausreichend gegen eine solche Attacke gerüstet.

    mehr lesen: In fünf Phasen gegen Hacker

  • Ende 2021 wieder auf Vorkrisenniveau

    Ende 2021 wieder auf Vorkrisenniveau

    Die zweite Corona-Welle hat den Wirtschaftsaufschwung des Sommers ausgebremst, doch die Entwicklung mehrerer Impfstoffe macht Hoffnung: So geht die Konjunkturprognose des Instituts der Deutschen Wirtschaft (IW) davon aus, dass das…

    mehr lesen: Ende 2021 wieder auf Vorkrisenniveau

  • Umfrage unter Deutschlands Ingenieuren 

    Umfrage unter Deutschlands Ingenieuren 

    Die deutschen Ingenieure blicken skeptisch auf das Jahr 2021. In einer Befragung des VDI Wissensforums gibt mehr als die Hälfte der befragten Ingenieure an, dass sich die Auftragslage im eigenen…

    mehr lesen: Umfrage unter Deutschlands Ingenieuren 

  • Neuer Westeuropachef bei Universal Robots

    Neuer Westeuropachef bei Universal Robots

    Andrea Alboni leitet seit dem 1. Dezember die Region Westeuropa für Universal Robots (UR). Damit übernimmt Alboni die Führung in einem der nach Unternehmensangaben wichtigsten Absatzmärkte von UR.

    mehr lesen: Neuer Westeuropachef bei Universal Robots

  • Blick in die Zukunft ist zuversichtlicher

    Blick in die Zukunft ist zuversichtlicher

    Mit einem Plus von 16 Punkten sind die ZEW-Konjunkturerwartungen im Dezember auf 55 Index-Punkte gestiegen. Die aktuelle Lage wird jedoch schlechter eingeschätzt als im Vormonat.

    mehr lesen: Blick in die Zukunft ist zuversichtlicher

  • Warenstau im Reich der Mitte

    Warenstau im Reich der Mitte

    Warentransporte von China nach Europa sind derzeit mit deutlich höheren Kosten als verbunden, als noch vor einigen Wochen. Containerschiffe sind ausgebucht, in der Luftfracht fehlen Kapazitäten und Waggons für Bahntransporte…

    mehr lesen: Warenstau im Reich der Mitte

  • Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

    Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

    Um die Weiterentwicklung seiner 3DEexperience-Plattform im Bereich Cloud und Data Science voranzutreiben, hat Dassault Systèmes das US-Unternehmen NuoDB übernommen.

    mehr lesen: Dassault Systèmes übernimmt alle Anteile von NuoDB

  • Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

    Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

    Die Industrie 4.0-Inititative SmartFactory-KL hat ein Whitepaper zur Absicherung von modularen Produktionsanlagen veröffentlicht. Die Grundlage für das Papier bildet ein ebenfalls modular aufgelegtes Safety-Konzept, das seit 2018 entwickelt wird.

    mehr lesen: Modulare Sicherheit für modulare Produktionsanlagen

  • Mehr Budget für mehr Digitalisierung

    Mehr Budget für mehr Digitalisierung

    Die Digitalisierung von Prozessen ist die Nummer-1-Priorität, wenn es um den Einsatz des IT-Budgets geht. Knapp die Hälfte im Rahmen einer Capgemini-Studie befragten Unternehmen will die Budgets im kommenden Jahr…

    mehr lesen: Mehr Budget für mehr Digitalisierung

  • Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise

    Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise

    Die Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau werden das Krisenjahr 2020 mit deutlichen Minusraten abschließen, die aber nicht so heftig ausfallen, wie erwartet. „Für nicht wenige Betriebe dürfte dieses Jahr im…

    mehr lesen: Maschinen- und Anlagenbau trotzt der Krise