Transparenz vom Pulver bis zur Zelle Performantes SCADA-System für die industrielle Produktion großer Lithium-Ionen-Zellen am ZSW Ulm

siemens.de/battery

Leistungsfähige Lithium-Ionen- Batterien sind eine Schlüsselkomponente für Elektroautos wie auch für die dezentrale Speicherung von Strom aus erneuer-baren Energien. Von der Kapazität, Sicherheit, Langlebigkeit und den Kosten der Batterie hängt die Akzeptanz der Nutzer und davon die Zukunft der Anwendungen ab.

Beste Eigenschaften und wettbewerbs- fähige Lösungen für die industrielle Produktion großer Lithium-Ionen-Zellen sind die Entwicklungsziele am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg. Das Ulmer Institut betreibt dazu eine flexible Forschungsplattform (FPL), die einen seriennahen Produktionsprozess für Hardcase-Batteriezellen abbildet, mit autarken Anlagen für die Rezeptur- vorbereitung, Elektrodenherstellung, Zellassemblierung und Formierung. Eine Kernanwendung ist die Fertigung von PHEV-1-Zellen (Plug-in Hybrid Electric Vehicle).

Die Forscher untersuchen dabei das Zusammenspiel von Zellchemie, Zell-

design und Herstelltechnologien hinsichtlich Qualität, Sicherheit und Kosten. Bei neuen Materialien und Komponenten geht es ums Evaluieren von Verarbeitbarkeit und Qualität im industrierelevanten Maßstab. Und darum, Produktionsprozesse zu opti-mieren oder fortschrittliche Zellchemie in Musterserien zu verifizieren – unter anderem im Auftrag deutscher Automobilhersteller.

Industriebewährtes SCADA-System als KlammerGesteuert, bedient und beobachtet werden die Teilprozesse an den jeweili-gen Anlagen. Um jederzeit das große Ganze unter Kontrolle zu haben, werden sämtliche Kunden-, Auftrags-, Material-, Rezeptur-, Prozess- und Qualitätsdaten auf einem zentralen Leitstand zusam-mengeführt. Dieser setzt auf dem indus-triebewährten SCADA-System SIMATIC WinCC von Siemens auf und wurde vom WinCC-Kompetenz-Center Stuttgart mit dem ZSW geplant, projektiert und pro-grammiert. Durch das langjährige Know-how auf dem Gebiet der Batterieferti-gung konnte Siemens so sehr schnell

eine bedarfsgerechte Lösung anbieten und realisieren. Es entstand ein verteiltes Server-Client-System mit zwei WinCC-Servern und mehreren Web-Clients mit lokalem Zugriff auf die Server via WinCC/WebNavigator und Webbrowser und voller Bedienfunktionalität.

Umgesetzt wurde eine intuitive und einfache Bedienoberfläche mit flacher Menüstruktur, die schnell zu jeder Detailinformation führt. Etwa zu Trend-kurven der Beschichtungsdicke basier-end auf „Echtzeit“-Messdaten oder zum Alarm-Management. Weitere Kernauf-gabe ist die zentrale Langzeitarchivier-ung über SIMATIC Process Historian,

Ziel des ZSW: Wettbewerbsfähige Produktion-sprozesse, unter anderem für prismatische Zellen.

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einer systemübergreifenden Echtzeitdaten-bank für beliebig viele Prozessdaten und Meldungen. Darüber hinaus lassen sich für Analysen beliebige Ad-hoc-Reports oder Batch- Protokolle erstellen.

Offener und flexibler Ansatz In der Forschung geht es nicht um vollauto- matische Produktion in möglichst hohen Stückzahlen bei kürzesten Zykluszeiten. Vielmehr kommt es darauf an, ein offenes, flexibles System zu haben, das sich auch partiell nutzen und erweitern lässt. Neben der Integration externer Messsysteme war ein einfacher Zugriff auf Labordaten aus dem SCADA-System heraus unabdingbar. Geschaffen wurde zudem eine Kopplung ans Lagerverwaltungssystem sowie an die Gebäudeleittechnik, um auch lagerungs- relevante Einflüsse untersuchen zu können.

SIMATIC WinCC ist grundsätzlich offen dafür: Standards wie Industrial Ethernet, PROFINET, PROFIBUS oder OPC ermöglichen einfachen Austausch mit Komponenten und Steuerun-gen diverser Hersteller.

Produktionsforschung lebt von DatenDas SCADA-System bündelt diese und erfasst jede Veränderung der Prozessparameter aller Anlagenteile. Externe Messsysteme liefern kontinuierlich Daten, die sich frei mit anderen Prozessparametern verknüpfen lassen. Bei der Dickenmessung beim Beschichten werden rund 30 Einzelwerte auf drei aussagekräftige Werte verdichtet und ans WinCC-Langzeit-archiv übergeben.

So wird für jeden Meter Elektrodenmaterial von der Schichtdicke über den Kalanderpress-

druck bis zum Trocknungsgrad alles doku-mentiert – für jede einzelne Zelle. Dank feingranularer Lagerverwaltung wissen die Forscher auch, aus welcher Liefercharge beispielsweise der Deckel jeder Zelle stammt.

Die lückenlose Aufzeichnung mit WinCC ermöglicht den Vergleich verschiedener Versuchskonstellationen und eine Rück-verfolgbarkeit auch noch nach Jahren.

Blaupausen für die kommerzielle FertigungDer durchgängige Einsatz industriebewährter Standardsysteme und Komponenten verein-facht den Know-how-Transfer entscheidend. Dadurch können auf der ZSW-Forschun-gsplattform generierte Lösungen als Blaupau-sen für die (groß)industrielle Fertigung von Batteriezellen dienen.

Insbesondere das SCADA-System SIMATIC WinCC von Siemens lässt sich mit geringem Aufwand auf komplexere Produktionsanlagen übertragen und individualisieren.

Das vom WinCC-Kompetenz-Center Stuttgart mit dem ZSW realisierte SCADA-System schafft Transparenz vom Pulver bis zur Zelle.

WinCC-Basis

� Web-Navigator(Zugriff via Internet)

� User archive(projektspezifische Datenbank)

� Process Historian(Langzeitarchivierung)

� Information Server(nutzerspezifische Berichte)

Web clients(Zugriff über jeden Internetbrowser)

SCADA-System

Intranet

MontageBeschichten Verdichten TrocknenStanzen/SchneidenMischen

Auch die Elektroden-Beschich-tungslinie wird lokal gesteuert und transferiert wichtige Prozessdaten zum Leitstand.A

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Am ZSW integriert das SCADA-System SIMATIC WinCC:

• alle Warenein- und -ausgänge sowie Lagerbereiche

• das automatische Abwiegen und Zuführen der Materialien

• die Mischanlagen zur Pastenherstellung• die beidseitige Elektrodenbeschichtung• einen Präzisionskalander• das vollautomatische Wickeln, die Montage

und das Befüllen prismatischer Zellen • die vollautomatische Formation

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