Speicherfertigung Automatisierung für die Batterieproduktion

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1 Speicherfertigung Automatisierung für die Batterieproduktion Battery Industry Siemens AG Alle Rechte vorbehalten.

2 Übersicht der Siemens Aktivitäten im ecar Umfeld Outside ecar Inside ecar ecar Produktion Energieversorgung, Speicherund Lastflussmanagement Mittelspannungsverteilung Smart Grid und Metering Laden E-Motor Automatisierung von Fahrzeugproduktion Batterieproduktion Leistungselektronik Batteriezelle Batteriepack PM SM E-Machine 3~ 3~ 400V/ up to 125A DC/AC AC/DC 3~ VPM Li Ion Battery 30 kwh capacity E-Motoren-Produktion 1~ 230V/ 16A = V 1~110V/ 32A = = DC/ DC 14V vehicle electrical system 35 C 60 C water cooling 70 C air cooling Air condition Seite 2 03/2013

3 OEMs aus Branchen mit ähnlichen Prozessen drängen in die neue Branche Batteriefertigung OEMs mit Zielmarkt Automotive Li-Ion Speicher- Technologie Elektroden Märkte Automotive Folien Solar Batteriezellen Heavy Industry Papier Batteriepack Energy Storage Seite 3 03/2013

4 Regionalisierung der Fertigungsstandorte für Batteriezellen und Batteriepacks Seite 4 03/2013

5 Maschinenbau ist zentraler Erfolgsfaktor für leistungsfähigere und kostengünstigere Batterien Seite 5 03/2013

6 Batteriekosten sind wesentlich für den Durchbruch der Elektromobilität vom Trend zum Mainstream Annahme Lithium-Ionen-Batteriekosten ($ per Kilowattstunde (kwh) Pack Level) 2,000 1,750 1,500 Szenario Hoch Mittel Niedrig 1,250 ~ $ 1,000 ~ 720 $ ~ 390 $ $ Erfordert Quelle: voll-automatisierte OEM and supplier interviews conducted in Asia, und Europe and verkettete North America; McKinsey analysis Produktionslinien Quelle: OEM and supplier interviews conducted in Asia, Europe and North America; McKinsey analysis Seite 6 03/2013

7 Wertschöpfungskette bei der Batterienfertigung Materialherstellung Elektrodenherstellung Zellenherstellung Batterieherstellung Batterieintegration Anodenmaterial Kathodenmaterial Bindemittel Ruße Separatoren Elektrolyte etc. Anode Kathode Folie Separator Zellproduktion Zellinbetriebnahme Aufbau von Batteriemodulen/ -packs Aufbau- und Verbindungstechnik Temperierung Batteriemanagement Sicherheits-/Performancetests Integration des Batterie-Packs in das e-fahrzeug Maschinenbauer Seite 7 03/2013

8 Überblick Elektroden-/ Batteriezell-/ Batteriepackfertigung Produktionsprozess für die Li-Ion-Batterie Elektrodenproduktion Mischen Dispergieren Beschichten Trocknen Kalandrieren Trocknen M M M M M Zellproduktion Stanzen Nachglätten M Montage Stapeln, Kontaktieren, Casing, Siegeln Elektrolytdosierung Formierung Grading Packing Verpacken BM BM Batteriepackproduktion BM BM Zellmontage Kontaktierung Batteriemanagement Klimamanagement Funktionstest Seite 8 03/2013

9 Das durchgängige Produkt- und Systemspektrum für die Automatisierung in der Batteriezellfertigung MES/ ERP SCADA / DCS Linienautomatisierung Maintenance Station Netzwerk Visualisierung Steuerung Antriebe Peripherie Mixing Seite 9 03/2013 Coating Punching Assembly Filling Formation Aging Grading

10 Fehlerquellen im Gesamtprozess Elektrodenfertigung Zellfertigung Verunreinigung Dosierung Viskosität Schichtdicke Kanten Partikel Trocknung Porösität Haftung Schichtdicke Porösität Schnittgrate Kantenbruch Schmutz Hohe Dynamik Separieren Stapellage Schmutz/Grate Blasenbildung Dosierung Verteilung Kontaktierung Über-/Unterkapazität 1 Mixer 2 Coating Compressing 3 4 Drying* 5 Slitter/puncher* 6 Assembly 7 Dry room 8 Formation/aging 9 Grading 10 Pac Table with camera system Vacuum gripper with camera system R R Virtual cross - hairs Separator foils Anodes Cathodes Pick - up of electrodes/separators Messpunkte Seite 10 03/2013 Temperatur- Messpunkte Qualitäts- Messpunkt Qualitäts- Messpunkt Qualitäts- Messpunkt Detektion Schlechtteile Qualitäts- Messpunkt

11 Erkennung und Analyse der Prozess- und Produktqualität Fragen des Anlagenbetreibers Mit welcher Leistung läuft die Maschine aktuell? %? Welche Produktqualität wird aktuell produziert? Wie verfügbar ist meine Anlage derzeit? Unsere Lösung Zentrale Erfassung und Auswertung aller Maschinenund Prozessdaten. Ermittlung von zeitabhängigen Kennzahlen für Aggregate, Maschinen und Produktionslinien. Welche Verluste hat die Anlage? Welches sind die Hauptursachen für Stillstände? Wie lange ist meine Anlage im Durchschnitt gestört? Wie kann ich verschiedene Maschinen und Schichten vergleichen? Seite 11 03/2013 Skalierbare Anlagenkonfiguration gemäß Anlagenauslegung. Bei Bedarf Erhöhung der Systemverfügbarkeit durch redundante Systemauslegung. Validierung und Rückverfolgbarkeit von Projektänderungen

12 Anwenderspezifische Darstellung der Daten SCADA / MES System Anwenderspezifische Aufbereitung der Maschinen und Anlagendaten abhängig von den benötigten Sichten Visualization Trends DownTime Monitor OEE / KPI View Messages / Alarms Reports Maintenance System Diagnostics SCADA- und MES-Lösungen für Produktqualität, Tracking & Tracing, Linienkontrolle, Arbeitsanweisungen Evaluierung des Produktionsprozesses auf Basis von vordefinierten und individuellen Kennzahlen Evaluierung des Anlagen-, Linien- und Maschinenstatus fokussiert auf die Optimierung und die Vermeidung von Stillständen. Zugriff auf alle relevanten Prozessdaten Mixing Coating Calandering Prozessdaten Qualitätsdaten KPI, OEE Prozessdaten Qualitätsdaten KPI, OEE Prozessdaten Qualitätsdaten KPI, OEE Seite 12 03/2013

13 Aufgaben eines Leitsystems SCADA- / MES- System Assembly Welding Housing Übergeordnetes Management der Maschinen Auslastung der Maschinen optimieren Aktivierung / Deaktivierung der Maschinen Grobe Steuerung der Maschinen (Automatik, Start, Stop, Grundstellung, Leerfahren) Materialflusssteuerung (Verteilung der Aufträge auf die Maschinen, Routing-Strategie in der Anlage, Ein- und Ausschleuse-Strategie) Material-Tracking Rezepturverwaltung Auftragsverwaltung Steuerung der verbindenden Transport- und Handlingssysteme MES-Anbindung Aussteuerung der eingebundenen Maschinen und schnelle Reaktion auf Prozessstörungen Seite 13 03/2013

14 Aufgaben der eingebundenen Maschinen SCADA- / MES- System Assembly Prozessdaten Qualitätsdaten KPI, OEE Kommunikationsschnittstelle für das Leitsystem zur Verfügung stellen Meldung der Maschinenkennung an das Leitsystem Aufträge des Leitsystems annehmen, ausführen oder ablehnen Produkt-ID der ankommenden Produkte an das Leitsystem melden Meldung des Maschinenstatus (Prozess in Bearbeitung, blockiert, Störung, neu Beladen, usw.) Materialbearbeitung durchführen Erfassung aller Prozessdaten und Weitergabe an das Leitsystem Datentechnische Integration eines Inline-Messsystem (optional) Bearbeitung der erhaltenen Aufträge, Erfassung aller Prozessdaten und Weitergabe an das Leitsystem Seite 14 03/2013

15 Zusammenfassung Anforderungen Qualitätsmessung- und Optimierung Beispiel Beschichten: - Schichtdickenmessung (+/- 1µm mit α- oder γ-strahlung) - Flächenmasse (Homogenität) Beispiel Schneiden: - Scharfe Schnittkanten ohne Grat - Keine Beschädigung der Beschichtung - Schmutz Produktivität - Transparenz - Anlagenverfügbarkeit - Identifizierung von Engpässen - Flexibilität Beispiel Elektrodenfertigung Auftragssteuerung Produktionsdaten Warenwirtschaftssystem ( ERP ) MES System SCADA / DCS Energiedaten 1 Mixer 2 Coating Compressing 3 4 Drying* Anlagenverkettung in der Produktion horizontale + vertikale Integration Produktrückverfolgung Qualitätsdaten 5 Slitter/puncher* Automatisierungslösung Totally Integrated Automation MC/CNC Motors/Drives Drive Technologies ERP PLM/ MES PLC/DCS/HMI Sensors/Low Voltage Industry Automation Produktivität Flexibilität Effizienz Industry Automation Portfolio Prozessleitsysteme Bedien- und Beobachtunsegeräte Niederspannungs- Schalttechnik PLM Software RFID Systeme Automatisierungssysteme Prozessinstrumente Manufacturing Execution Systems Industrielle Kommunikation Kundennutzen Die Fabrik der Zukunft bedeutet die Integration von Produkt und Produktlebenszyklus mit Siemens PLM + Totally Integrated Automation Erfassen und Auswerten aller wichtigen KPIs Tracking & Tracing, Reporting, Anlagenverfügbarkeit (OEE) Leistungsfähige Prozess- und Systemdiagnose, Security, Safety Integrated, Einsatz von Standardkomponenten Durchgängigkeit und Offenheit auf Basis Profinet Profi-Energy für intelligente Energieeffizienz-Steigerung Seite 15 03/2013

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Rainer Sterk Business Development GER I S WEST Franz-Geuer-Str Köln rainer.sterk@siemens.com siemens.de/battery