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.



  • Exporte im Maschinenbau spürbar gebremst

    Exporte im Maschinenbau spürbar gebremst

    Die deutschen Maschinen- und Anlagenbauer haben im ersten Quartal ein Exportminus von 22,9 Prozent verzeichnet. Im Juni fiel das Minus dabei jedoch weniger stark aus.

    mehr lesen: Exporte im Maschinenbau spürbar gebremst

  • Produktivität und Flexibilität verbinden

    Produktivität und Flexibilität verbinden

    Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt ein Forschungsteam gemeinsam mit Industriepartnern ein neuartiges Produktionsplanungssystem, das die hohe Produktivität und Genauigkeit von Spezialmaschinen mit der Flexibilität von Industrierobotern kombinieren soll.

    mehr lesen: Produktivität und Flexibilität verbinden

  • Hacken mit legitimen Tools

    Hacken mit legitimen Tools

    Sind Cyberattacken einmal in das Unternehmensnetzwerk eingedrungen, nutzen Hacker oftmals auch legitime Tools für weitere Aktivitäten, was die Angriffserkennung erschwert. Dies hat eine Analyse von Kaspersky ergeben.

    mehr lesen: Hacken mit legitimen Tools

  • Altair übernimmt Simulations-Anbieter S&WISE

    Altair übernimmt Simulations-Anbieter S&WISE

    Mit der Übernahme von S&WISE erweitert Altair sein Simulationsangebot um eine Polyurethanschaum-Simulationslösung.

    mehr lesen: Altair übernimmt Simulations-Anbieter S&WISE

  • Corona bringt Ingenieurarbeitsmarkt ins Wanken

    Corona bringt Ingenieurarbeitsmarkt ins Wanken

    Im Vergleich zum Vorjahresquartal ist die Arbeitskräftenachfrage im Ingenieurbereich um 23,7 Prozent zurückgegangen, im Gegenzug stieg die Arbeitslosigkeit in diesem Sektor um 38,6 Prozent an. Das geht aus dem Ingenieurmonitor…

    mehr lesen: Corona bringt Ingenieurarbeitsmarkt ins Wanken

  • IBHsoftec und TeamViewer kooperieren bei Industriesteuerungen

    IBHsoftec und TeamViewer kooperieren bei Industriesteuerungen

    Steuerungsspezialist IBHsoftec und der Anbieter von Fernzugriffslösungen Teamviewer haben eine gemeinsame Lösung vorgestellt. Diese bietet weitreichende Funktionen zur Ferninstallation, Fernüberwachung und zum Fernzugriff auf industrielle Steuerungstechnik.

    mehr lesen: IBHsoftec und TeamViewer kooperieren bei Industriesteuerungen

  • Michael Leonhardt verantwortet den Professional Service bei iTAC

    Michael Leonhardt verantwortet den Professional Service bei iTAC

    Der MES-Hersteller iTAC besetzt den Posten Director Professional Service. Der Manager Michael Leonhardt wird sich künftig um die Service- und Qualitätsorientierung der Dürr-Tochter kümmern.

    mehr lesen: Michael Leonhardt verantwortet den Professional Service bei iTAC

  • Nur noch 5,6 Millionen in Kurzarbeit

    Nur noch 5,6 Millionen in Kurzarbeit

    Die Zahl der Beschäftigten in Kurzarbeit ging im Juli auf 5,6 Millionen zurück, gegenüber 6,7 Millionen im Juni. Doch während immer mehr Händler und Dienstleister aufatmen können, sinken die Zahlen…

    mehr lesen: Nur noch 5,6 Millionen in Kurzarbeit

  • Auch nach der Pandemie mehr Homeoffice

    Auch nach der Pandemie mehr Homeoffice

    Rund 37 Prozent der produzierenden Unternehmen wollen Homeoffice auch nach der Corona-Krise nutzen. Vor Ausbruch der Pandemie waren es nur etwa 25 Prozent der Fertigungsbetriebe, wie eine repräsentative Umfrage des…

    mehr lesen: Auch nach der Pandemie mehr Homeoffice

  • Erwartungen für August steigen deutlich

    Erwartungen für August steigen deutlich

    Die ZEW-Konjunkturerwartungen für Deutschland steigen im August 2020 gegenüber dem Vormonat wieder deutlich an, nachdem sie im Juli leicht zurückgegangen waren. Die Konjunkturerwartungen liegen aktuell bei 71,5 Punkten, also 12,2…

    mehr lesen: Erwartungen für August steigen deutlich

  • Hintergrundwissen zur OT- und IT-Welt

    Hintergrundwissen zur OT- und IT-Welt

    Die internetbasierte Veranstaltung IT meets OT am 08. September 2020 bietet Hintergrundwissen zu den zentralen Aspekten von OT- und IT-Architekturen. Dabei werden Fragen adressiert wie: Warum ist Integrität das Schutzziel…

    mehr lesen: Hintergrundwissen zur OT- und IT-Welt

  • Schneider Electric übernimmt Proleit

    Schneider Electric übernimmt Proleit

    Schneider Electric hat den MES-Anbieter Proleit AG erworben. Mit diesem Schritt will der französische Konzern seine Kompetenzen bei der Software-gestützten Automatisierung erweitern.

    mehr lesen: Schneider Electric übernimmt Proleit