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.



  • Integrierte OT-Sicherheit

    Integrierte OT-Sicherheit

    Rhebo und Barracuda adressieren mit einer kombinierten Lösung vollumfängliche Cybersicherheit für industrielle Netzwerke und IIoT-Geräte.

    mehr lesen: Integrierte OT-Sicherheit

  • Credential Stuffing in der Medienbranche

    Credential Stuffing in der Medienbranche

    Angriffe auf Medienunternehmen durch Kontoübernahmen stiegen bereits zwischen 2018 und 2019 deutlich an. Im Zuge der diesjährigen Pandemie vervierfachten sich schädliche Anmeldeversuche sogar.

    mehr lesen: Credential Stuffing in der Medienbranche

  • Nutzung von Cloudanwendungen in Unternehmen

    Nutzung von Cloudanwendungen in Unternehmen

    Cloudanwendungen boomen: Aktuell gibt es nach Aussagen von führenden TÜV Rheinland-Experten mehr als 30.000 Cloudanwendungen weltweit, von denen Unternehmen aktiv durchschnittlich 1.500 Anwendungen nutzen – mit oder ohne Freigabe der…

    mehr lesen: Nutzung von Cloudanwendungen in Unternehmen

  • Schutz von Remote-Mitarbeitern

    Schutz von Remote-Mitarbeitern

    Um die Verwaltung der Cybersicherheit einfacher und zugänglicher zu gestalten, stellt SonicWall die Zero-Touch-fähigen Multi-Gbit TZ-Firewalls mit SD-Branch-Funktionen vor. Die neuen Firewalls TZ570 und TZ670 sind die ersten Desktop-Firewalls, die…

    mehr lesen: Schutz von Remote-Mitarbeitern

  • Sicherheit vor Malware und Hackern

    Sicherheit vor Malware und Hackern

    Fernwirkanlagen und Scada-Systeme nutzen das Internet und sind damit potenziellen Angriffen von Hackern und Schadsoftware ausgesetzt. Auf der Seite der Datenbank kann auch das Unternehmen ConiuGo nur die bekannten Konzepte…

    mehr lesen: Sicherheit vor Malware und Hackern

  • Maschinenbau baut digitale Dienste aus

    Maschinenbau baut digitale Dienste aus

    Fast 80 Prozent der Maschinenbauer sehen die Notwendigkeit, bei digitalen Geschäftsmodellen zu kooperieren. Das hat der VDMA in einer Befragung mit McKinsey ermittelt. Auf großes Wachtumspotenzial deutet dabei hin, dass…

    mehr lesen: Maschinenbau baut digitale Dienste aus

  • 15 Jahre SmartFactory Kaiserslautern

    15 Jahre SmartFactory Kaiserslautern

    Die Technologieinitiative SmartFactory KL feiert ihr 15-jähriges Bestehen. Heute beteiligen sich mehr als 50 Unternehmen und Wissenschaftseinrichtungen an der Initiative.

    mehr lesen: 15 Jahre SmartFactory Kaiserslautern

  • Eine Matte gegen Haltungsschäden

    Eine Matte gegen Haltungsschäden

    Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA haben in Zusammenarbeit mit der Isoloc Schwingungstechnik GmbH eine Sensormatte für Steharbeitsplätze entwickelt. Sie erfasst die Fußposition eines Mitarbeiters und erkennt Gewichtsverlagerungen.

    mehr lesen: Eine Matte gegen Haltungsschäden

  • Verschlüsselungskomponenten, die Angreifern ausweichen

    Verschlüsselungskomponenten, die Angreifern ausweichen

    Verschlüsselungssoftware spielt auf dem Weg zu mehr Datenschutz eine wichtige Rolle, doch können Computersysteme auch auf physikalischem Wege angegriffen werden. Durch das Abfangen von Stromschwankungen oder das Auslösen von Fehlern…

    mehr lesen: Verschlüsselungskomponenten, die Angreifern ausweichen

  • Unternehmen sehen Notwendigkeit für mehr IoT-Sicherheit

    Unternehmen sehen Notwendigkeit für mehr IoT-Sicherheit

    Das Internet der Dinge ist für viele Unternehmen in Deutschland sowohl eine Chance als auch ein Risiko, so das Ergebnis einer aktuellen Studie im Auftrag von Palo Alto Networks.

    mehr lesen: Unternehmen sehen Notwendigkeit für mehr IoT-Sicherheit

  • Gaia-X-Mitglieder unterzeichnen Gründungsurkunde

    Gaia-X-Mitglieder unterzeichnen Gründungsurkunde

    Die Gründungsmitglieder der Gaia-X-Initiative haben die Gründungsurkunden zur Gaia-X AISBL unterzeichnet. Interessierte Unternehmen und Initiativen sind aufgerufen, sich an der gemeinnützigen Vereinigung zu beteiligen.

    mehr lesen: Gaia-X-Mitglieder unterzeichnen Gründungsurkunde

  • TÜV-Verband fordert Regulierung von KI-Anwendungen

    TÜV-Verband fordert Regulierung von KI-Anwendungen

    Der TÜV-Verband fordert in einem Positionspapier KI-gestützte Anwendungen und Systeme — etwa automatisierte Fahrzeuge oder Roboter — in Abhängigkeit vom Risiko zu regulieren.

    mehr lesen: TÜV-Verband fordert Regulierung von KI-Anwendungen