Flexibilní automatizační koncepce pro výrobu bateriových článků založenou na datech

Elektromobilita je jedním z klíčových globálních trendů v automobilovém průmyslu. Stále více výrobců automobilů se obrací k elektromobilům, aby snížili emise CO₂ svých vozových parků. Účinná výroba bateriových článků je pro úspěch elektromobility zásadní. Proto se vedle velkých dodavatelů stále častěji stávají výrobci baterií i samotní výrobci automobilů. Ačkoli se výroba automobilových baterií stále soustřeďuje v Asii, západní společnosti v posledních letech rovněž investovaly do rozvoje vlastních výrobních kapacit pro baterie.

Krátké inovační cykly

Procesy a technologie výroby bateriových článků se budou v nadcházejících letech dále vyvíjet. S novými surovinami, pokročilými procesy míchání a nanášení povlaků či alternativními metodami kalandrování a navíjení budou změny pokračovat. Výrobci bateriových článků, kteří chtějí připravit své stávající i budoucí výrobní systémy na tuto dynamickou fázi a výrazně zkrácené inovační cykly, potřebují silné partnery v oblasti automatizace, jejichž řešení podporují digitální transformaci a umožňují modulární a flexibilní koncepce systémů. Díky svému rozsáhlému portfoliu je společnost TURCK již po desetiletí jedním z předních partnerů v oblasti automatizace pro automobilový průmysl po celém světě; a dnes se i nejúspěšnější výrobci baterií spoléhají na technologii TURCK, aby své výrobní systémy učinili flexibilními a připravenými na budoucnost díky optimalizaci procesů založené na datech.

Tři pilíře efektivní výroby

Bezkontaktní identifikační technologie RFID pomáhá zvýšit výkon stávajících systémů a zároveň zlepšuje spolehlivost procesů a kvalitu výrobků. Řešení pro monitorování stavu detekují problémy již v rané fázi, což umožňuje preventivní údržbu, která trvale zvyšuje dostupnost a tím i celkovou efektivitu zařízení (OEE). Především decentralizovaná automatizační technologie s odolnými systémy stvupně krytí IP67, které nevyžadují rozvaděč, usnadňuje zřizování modulárních výrobních systémů, v nichž lze stroje později přeskupit nebo přemístit.

Sledovatelnost: Energetická hustota baterií je srovnatelná s energetickou hustotou výbušnin, což znamená, že vadné baterie mohou být velmi nebezpečné. Výrobní proces, který automaticky dokumentuje každou surovinu, každý výrobek a každý výrobní krok, zaručuje bateriové články nejvyšší kvality. Systémy pro sledování a dohledatelnost zajišťují bezchybnou výrobu. Společnost TURCK má téměř 20 let zkušeností s řešeními HF a UHF RFID ve výrobním prostředí. Jen málokterý jiný dodavatel může nabídnout tak široké portfolio RFID a speciální technologie, jako je například režim HF bus.

Celková efektivita zařízení (OEE): Výrobní náklady na produkt a ziskovost výroby do značné míry závisí na dostupnosti výrobního systému. Proto je zlepšení OEE klíčovým cílem při výrobě baterií. Cílem je minimalizovat neplánované prostoje strojů a pokud možno zabránit nedostatku materiálu. Systémy monitorování stavu lze využít ke sledování stavu strojů a proaktivnímu plánování údržby, zatímco identifikační technologie RFID zlepšuje datovou základnu pro nákup materiálu.

Klíčem je flexibilita. Vzhledem k široké škále různých aplikací baterií bude počet typů bateriových článků narůstat. To znamená, že výrobní závody by měly být připraveny na budoucí úpravy, a to jak z mechanického hlediska, tak z hlediska automatizace. Klíčem ke zvýšení flexibility jsou modulární systémové koncepce. Decentralizovaná řešení pro vstupy/výstupy a řízení v krytí IP67 v kombinaci s rychlou a flexibilní komunikací přes průmyslový Ethernet umožňují rychlé přeskupování systémových modulů. Díky řízení pomocí decentralizovaných PLC a bezpečnostních řídicích jednotek lze dokonce provádět tovární přejímací zkoušky přímo u výrobce, což zkracuje dobu uvedení celého systému do provozu.

Následující příklady ukazují, jak řešení společnosti TURCK pomáhají výrobcům baterií.

Snímače hladiny s rozhraním IO-Link monitorují kalandrování

Jedním z nejdůležitějších kroků při výrobě článků lithium-iontových baterií je kalandrování. Měděná fólie (anoda) nebo hliníková fólie (katoda) potažená z obou stran je stlačována několika rotujícími páry vyhřívaných válců, poté se sroluje a předá do dalšího kroku výrobního procesu. Hydraulicky poháněné páry válců vytvářejí přesně definovaný tlak, který musí být neustále udržován. Jakákoli odchylka od tohoto tlaku snižuje kvalitu a výkon bateriových článků. Nadměrný tlak může dokonce poškodit substrát.

Kompletní řešení IO-Link, sestávající ze senzorů a odpovídající infrastruktury, monitoruje interakci všech procesních komponent a zajišťuje tak optimální kalandrování. Jako IO-Link master slouží zařízení TBENL4-8IOL od společnosti TURCK. Tento kompaktní ethernetový multiprotokolový I/O modul disponuje osmi kanály IO-Link master. Měření a monitorování zajišťují robustní snímače tlaku a teploty z produktové řady TURCK Fluid+, které jsou instalovány uvnitř hydraulického systému. Tlakové snímače PS+ zajišťují konstantní a optimální tlak, díky čemuž má substrát jednotnou povrchovou strukturu a požadovanou pórovitost. Teplotní senzory TS+ monitorují teplotu nejen válců, ale i kapaliny, která je ohřívá. IO-Link umožňuje snadnou parametrizaci a uvedení do provozu, stejně jako výměnu zařízení při výrobě baterií. Aby se předešlo neplánovaným výpadkům ve výrobě, je nutné detekovat prázdné role substrátové fólie. To vyžaduje nepřetržité měření průměru válců pomocí ultrazvukových senzorů RU80D od společnosti TURCK.

Režim HF bus zajišťuje kvalitu lithium-iontových baterií

Při sestavování bateriových modulů z jednotlivých článků se tyto články přivařují k hliníkovému pásu. Kvalita svarových bodů má zásadní vliv na kvalitu baterie, a proto se po svařování provádí její kontrola. Výsledek se zaznamenává přímo na štítek umístěný pod nosičem produktu daného modulu. Celkově má výrobní linka přibližně 35 pozic pro čtení a zápis, což může být u standardních RFID systémů poměrně nákladné. Alternativou by bylo použití RFID přes IO-Link, ale to je kvůli omezené šířce pásma obvykle příliš pomalé.

Díky režimu vysokofrekvenční sběrnice společnosti Turck lze k jedinému portu rozhraní RFID zapojit do série až 32 zařízení pro čtení a zápis, což výrazně snižuje náklady na jednu pozici pro čtení a zápis. Díky vysoké šířce pásma sběrnicového provozu si výrobní linka může zachovat svou původní rychlost. Další výhodou je, že každá čtecí/zapisovací hlava dokáže číst jak EPROM, tak FRAM tagy. Čtení tagů je spouštěno indukčním senzorem. Pokud se ve vzdušném rozhraní různých čtecích/zapisovacích hlav nachází současně více tagů, PLC vytvoří vyrovnávací paměť, aby příkazy pro jednotlivé čtecí/zapisovací hlavy provádělo postupně. Spouštěcí senzor navíc pomáhá detekovat chyby: pokud nelze štítek po spuštění přečíst, znamená to, že je vadný. Zařízení RFID a spouštěcí senzory jsou připojeny přímo k TBEN-S2-2RFID-4DXP. Rozhraní s krytím IP67 komunikuje s PLC prostřednictvím sítě Profinet, ale jako multiprotokolové zařízení jej lze bez zásahu uživatele použít i v sítích Ethernet/IP nebo Modbus TCP.

Sledování pomocí RFID prostřednictvím OPC UA

Výrobní kroky nejsou vždy řízeny PLC nebo řídicím systémem, ale často se vytvářejí přímo v systému ERP. Z toho vyplývá, že identifikační systémy musí být rovněž schopny komunikovat přímo se systémem ERP. OPC UA se v tomto ohledu osvědčilo jako ideální rozhraní, protože tento standard „rozumí“ jak IT systémy, tak i stroje a systémy OT. Pomocí rozhraní TBEN-L-4RFID od společnosti TURCK se data z robustních čtecích/zapisovacích hlav TNLR-Q80 s krytím IP67 přenášejí do ERP systému prostřednictvím OPC UA.

Komunikace RFID v kovovém prostředí může být náchylná k chybám kvůli možným odrazům, proto speciální štítky určené k montáži na kov zajišťují spolehlivé identifikační procesy. Čte se pouze identifikátor štítku a správné informace se přiřazují a doplňují pomocí databáze. Jako dodavatel komplexních služeb nabízí společnost TURCK kompletní systém z jedné ruky: od štítků, čtecích a zapisovacích zařízení a propojovacích kabelů až po RFID rozhraní a odbornou podporu. Tento přístup zabraňuje komunikačním problémům způsobeným řešením od různých výrobců.