Entwicklung virtueller Produktionssysteme in der Batteriezellfertigung zur prozessübergreifenden Produktionssteuerung
Motivation
Der Aufbau eines virtuellen Abbilds einer Batteriezellfertigung ist motiviert durch das Ziel, komplexe Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zu quantifizieren und über dieses Verständnis eine Steigerung der Produktivität sowie einen effizienteren Maschinen- und Anlagenbetrieb zu erzielen. In einem virtuellen Produktionssystem (VPS) können Optimierungsansätze im virtuellen Raum realitätsnah und risikoarm erprobt werden. Erweisen sich die entwickelten Lösungen als robust, kann anschließend die Umsetzung in den realen Prozessen, Maschinen und Anlagen erfolgen. Unter Berücksichtigung dieser Motivation sollen im Projekt „ViPro“ im Wesentlichen zwei Probleme adressiert werden. Erstens sind die bisher entwickelten Modelle für die Prozesse einer Batteriezellfertigung vielfach heterogen und bieten keine Schnittstelle zur einheitlichen Nutzung von Steuerungs-, Prozess-, Maschinen- und Anlagendaten. Zweitens gibt es bis heute keinen Ansatz, wie das an unterschiedlichen Standorten vorhandene Prozesswissen standortübergreifend zur Qualitätssteigerung der Modelle erschlossen werden kann.
Projektinhalt
Zur Zielerreichung sollen insbesondere folgende Teilaspekte entwickelt werden: ein virtuelles Produktionssystem auf Basis anpassungsfähiger und verknüpfbarer Prozess-, Maschinen- und Anlagenmodelle mit standardisierten semantischen Beschreibungen sowie Schnittstellen zur Kommunikation und zum Austausch von Daten mit realen Maschinen und Anlagen. Zudem wird eine Vernetzung zwischen realem und virtuellem Produktionssystem unter Nutzung echtzeitnaher Kommunikationsstandards als Grundlage für die Entwicklung adaptiver, selbstlernender und prozessübergreifender Steuerungskonzepte entwickelt. Zur Verknüpfung, Überwachung und Auswertung der Einzelmodelle wird ein intelligentes Betriebsleitsystem ausgearbeitet und prototypisch umgesetzt. Auf dieser Ebene werden prozessübergreifende Steuerungskonzepte erprobt und für die Rückkopplung der Ergebnisse an die realen Maschinen und Anlagen vorbereitet. Ein virtuelles Produktionssystem wird an den einzelnen Standorten für die Prozesse Beschichtung (ZSW), Assemblierung (wbk), Elektrolytbefüllung (IWF) und Formierung (IPA) partiell implementiert und anschließend mit dem intelligenten Betriebsleitsystem in einer Plattform vernetzt.
Projektziele
Im Forschungsprojekt ViPro wird ein System zur prozessübergreifenden Steuerung konzipiert und die kommunikationstechnische Machbarkeit untersucht. Ziel eines solchen virtuellen Abbilds einer Batteriezellfertigung ist es, komplexe Ursache-Wirkung-Zusammenhänge zu quantifizieren und über dieses Verständnis eine Steigerung der Produktivität sowie einen effizienteren Maschinen- und Anlagenbetrieb zu erzielen. Optimierungsansätze im virtuellen Raum können realitätsnah und risikoarm erprobt werden. Ziel des Projekts ist zudem der Aufbau eines virtuellen Produktionssystems auf Basis standardisierter Modelle und die Erschließung standortübergreifender Datenpools entlang der Prozesskette einer Batteriezellfertigung. Zur einheitlichen Nutzung von Steuerungs-, Prozess-, Maschinen- und Anlagendaten werden dazu Möglichkeiten zur Standardisierung der notwendigen Kommunikationsschnittstellen sowie von Anlagenmodellen entwickelt und erprobt. Die Entwicklung eines virtuellen Produktionssystems erfolgt auf Basis anpassungsfähiger und verknüpfbarer Prozess-, Maschinen- und Anlagenmodelle mit standardisierten semantischen Beschreibungen sowie Schnittstellen zur Kommunikation und zum Austausch von Daten mit realen Maschinen und Anlagen. Der Aufbau und die Erprobung einer Vernetzung zwischen realem und virtuellem Produktionssystem unter Nutzung echtzeitnaher Kommunikationsstandards bildet die Grundlage für die Entwicklung adaptiver, selbstlernender Steuerungskonzepte. Auf der Ebene des Betriebsleitsystems werden prozessübergreifende Steuerungskonzepte erprobt und für die Rückkopplung der Ergebnisse an die realen Maschinen und Anlagen vorbereitet.
Urheber ist TU BS/IWF Aleksandra Naumann
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Dipl. Kfm. Alexander Sauer
Fraunhofer Gesellschaft
Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)
Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart
Tel.: +49 711 970 3600
E-Mail: alexander.sauer@ipa.fraunhofer.de
Projektlaufzeit
01.10.2020-31.03.2024
Themenfeld
Förderkennzeichen
03XP0324A
Technologietransfer
Prozessübergreifende Steuerung
Prozessübergreifende Steuerungen nutzen üblicherweise nur Zeit-Informationen zur Synchronisation hintereinandergeschalteter Prozesse. Eine prozessübergreifende Sichtweise wird ansonsten durch einmalige datengetriebene und übergreifende Analysen oder in Form von prozessbegleitenden SCADA-Systemen zum Untersuchen vom Wirkzusammenhängen zwischen Prozessen genutzt. So gewonnene Daten fließen nicht direkt in die Steuerung zurück, sondern werden für manuelle Anpassungen an einzelnen Prozessen genutzt.
Es mangelt an Lösungen, um gewonnene Erkenntnisse zu Wirkzusammenhängen zwischen Prozessen in feinerer Auflösung bis hin zum einzelnen Produkt zur Optimierung von Einzelprozessen und der Fertigungslinie zu nutzen.
Kommunikation für eine prozessübergreifende Steuerung (Cloud-IoT-System, Middleware, Anlagenanbindung, etc.)
Die IT-Systemlandschaft und Anlagentechnik sind geprägt von einer Vielzahl an proprietären Schnittstellen und Datenformaten. Dies hemmt die Realisierung neuartiger und innovativer Konzepte wie die in ViPro entwickelte prozessübergreifende Steuerung, da der Aufwand und die Fehlerhäufigkeit für die Integration solcher Systeme sehr hoch sind. Daher gibt es eine Vielzahl an Bestrebungen, eine Standardisierung auf unterschiedlichsten Ebenen der Schnittstellen und Datenformate voranzutreiben.
Anlagenmodelle für eine prozessübergreifende Steuerung
Die Modellierung der einzelnen Prozesse für die Batterieproduktion bietet signifikante Potenziale, um Inbetriebnahmeprozesse und den Betrieb der Produktionsanlagen zu optimieren, insbesondere um Materialausschussraten zu reduzieren. Im Stand der Technik sind vielfältige Modellierungsansätze zu finden, insbesondere hinsichtlich der Modellierung materialseitiger Einflüsse auf die entsprechenden Produktionsprozesse. Um die Batterieproduktion in ihrer Gesamtheit zu optimieren, ist es notwendig, dass die Produktionsprozessmodelle über definierte Schnittstellen gekoppelt und anlagenseitige Einflussfaktoren berücksichtigt werden. Dadurch lassen sich verschiedene Anwendungsfälle ableiten, wie beispielsweise die Vorhersage entsprechender Zwischenprodukteigenschaften in Abhängigkeit von Einstellparametern der Maschinen oder die Ableitung optimaler Parameter auf Basis von Zwischenprodukteigenschaften vorgelagerter Prozessschritte.
Prozessübergreifende Steuerung
Im Rahmen von ViPro wurde eine prozessübergreifende Steuerung auf zwei Ebenen entwickelt (siehe Abbildung 1). Die übergeordnete Ebene ist ein anwendernahes intelligentes Betriebsleitsystem, welches Daten zur aktuellen Produktion anzeigt und der untergeordneten prozessübergreifenden Steuerungsebene initiale Produktionsparameter liefert. Auf Steuerungsebene werden wahlweise und individuell austauschbar Anlagen und Prozessmodelle angesteuert. So ist es möglich, eine Produktion auf räumlich getrennten Anlagen zu optimieren.
Ein im Rahmen des Projektes entwickeltes Regressionsmodell ermöglicht die Prädiktion von Endprodukteigenschaften und wird zur zellspezifischen Optimierung von Prozessparametern zwischen Produktionsschritten verwendet. Für diesen Schritt sowie um eine Bewertung der vorgeschlagenen Parameteränderungen durch ein weiteres Machine-Learning-Modell auf Ebene des Betriebsleitsystems zu ermöglichen, wurde ein breites Spektrum plausibler Eingangsdaten zur Erstellung einer Datengrundlage genutzt.
Kommunikation für eine prozessübergreifende Steuerung (Cloud-IoT-System, Middleware, Anlagenanbindung, etc.)
Die im Rahmen des Projekts entwickelte einheitliche Schnittstellentechnologie ermöglicht eine effiziente Inbetriebnahme der einzelnen Komponenten. Darüber hinaus können dadurch auch Erweiterungen oder bestehende Systeme einfacher ein Teil der ViPro Plattform werden. Dabei wurde auf standardisierte Technologien zurückgegriffen, die eine flexible Anpassung an zukünftige Entwicklungen ermöglichen.
Die Erweiterung des Konnektors StationConnector um diese ViPro-Schnittstelle ermöglicht die einfache Integration einer Vielzahl von Anlagen und Steuerungen unterschiedlichster Hersteller in die ViPro-Plattform (Abbildung 2 zeigt beispielhafte Anlagen im Trockenraum des Zentrums für Digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA).
Zur Evaluation der Schnittstellen und der Module bereits zu einem frühen Zeitpunkt des Projektes wurden zudem Kommunikationsemulatoren als softwarebasierte Agenten um diese Schnittstelle erweitert. Dadurch können Systeme bezüglich ihrer Leistung und Robustheit beispielsweise gegenüber Störungen einfach und sicher getestet werden. Abbildung 3 stellt die finale Infrastruktur und die Kommunikationsflüsse schematisch dar.
Anlagenmodelle für eine prozessübergreifende Steuerung
Im Rahmen des Projekts wurden entsprechende Prozess- und Anlagenmodelle auf Basis unterschiedlicher Modellierungsansätze entwickelt. Beispielsweise wird für den Beschichtungsprozess auf Machine Learning-Methoden zurückgegriffen, um das Flächengewicht vorherzusagen. Beim Assemblierungsprozess wird eine multiphysikalische Systemsimulation verwendet, um die Materialbelastung von Elektroden- und Separatorbahnen zu ermitteln (siehe Abbildung 4). Die Modellierungstätigkeiten umfassen die klare Definition von Schnittstellen zwischen den einzelnen Modellen und dem übergeordneten Leitsystem. Hierdurch lassen sich Optimierungsansätze entlang der Prozesskette virtuell und risikolos erschließen.
Legende
Konzeptionierung, Technologieauswahl und Implementierungsunterstützung für eine prozessübergreifende Steuerung in der Batteriezellproduktion. Dies kann in einem Beratungsformat oder im Rahmen einer Konzeptionierung erfolgen.
Fraunhofer Gesellschaft
Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)
Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart
Tel.: +49 711 970-3600
E-Mail-Adresse: alexander.sauer@ipa.fraunhofer.de
https://www.ipa.fraunhofer.de/de/ueber_uns/Leitthemen/batterieproduktion.html
Technische Universität Braunschweig
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Langer Kamp 19b, 38106 Braunschweig
Professur Fertigungstechnologien & Prozessautomatisierung
Tel.: +49 531 391-7600
E-Mail-Adresse: k.droeder@tu-braunschweig.de
Technische Universität Braunschweig
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Professur Nachhaltige Produktion & Life Cycle Engineering
Langer Kamp 19b, 38106 Braunschweig
Tel.: +49 531/391-7149
E-Mail-Adresse: c.herrmann@tu-braunschweig.de
https://www.tu-braunschweig.de/iwf
Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Produktionstechnik (wbk)
Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe
Tel.: +49 721 608-44009
E-Mail-Adresse: juergen.fleischer@kit.edu
https://www.wbk.kit.edu/
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung
Baden-Württemberg
Produktionsforschung (ECP)
Lise-Meitner-Straße 24, 89081 Ulm
Tel.: +49 731 9530-562
E-Mail-Adresse: wolfgang.braunwarth@zsw-bw.de
https://www.zsw-bw.de/forschung/batterien/themen.html
Parameteroptimierung mit Daten aus folgenden Quellen: Realdaten von Anlagen der Industriepartner (Anlagenanbindung und Datenaufnahme), Aufnahme im Rahmen einer experimentellen Versuchsreihe und/oder mithilfe von Simulationsmethoden. Hierbei kann die Anlagenanbindung zur Datenaufnahme und Speicher in einem System konzipiert und aufgebaut werden.
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
wbk Institut für Produktionstechnik
Kaiserstraße 12, 76133 Karlsruhe
Tel.: +49 721 608 – 44009
E-Mail-Adresse: Juergen.Fleischer@kit.edu
www.wbk.kit.edu
Fraunhofer Gesellschaft
Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)
Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart
Tel.: +49 711 970-3600
E-Mail-Adresse: alexander.sauer@ipa.fraunhofer.de
https://www.ipa.fraunhofer.de/de/ueber_uns/Leitthemen/batterieproduktion.html
Konzeptionierung, Machbarkeitsuntersuchung, Implementierung und Robustheitstest für die IoT-Infrastruktur/Kommunikation in der Batteriezellproduktion
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
wbk Institut für Produktionstechnik
Kaiserstraße 12, 76133 Karlsruhe
Tel.: +49 721 608 – 44009
E-Mail-Adresse: Juergen.Fleischer@kit.edu
www.wbk.kit.edu
Fraunhofer Gesellschaft
Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)
Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart
Tel.: +49 711 970-3600
E-Mail-Adresse: alexander.sauer@ipa.fraunhofer.de
https://www.ipa.fraunhofer.de/de/ueber_uns/Leitthemen/batterieproduktion.html
Projektpartner
Fraunhofer-Gesellschaft
Institut für Produktionstechnik und
Automatisierung (IPA)
Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Dipl. Kfm. Alexander Sauer
www.ipa.fraunhofer.de
Technische Universität Braunschweig
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Langer Kamp 19b, 38106 Braunschweig
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder und Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann
www.tu-braunschweig.de/iwf
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
wbk Institut für Produktionstechnik
Kaiserstr. 12, 76131 Karlsruhe
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
www.wbk.kit.edu
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
Produktionsforschung (ECP)
Lise-Meitner-Str. 24, 89081 Ulm
Vertreten durch Dr. Wolfgang Braunwarth
www.zsw-bw.de