Az elektromos járművek (EV) akkumulátorainak gyártása összetett folyamat, amely minden szakaszban pontosságot, sebességet és következetességet igényel. Az elektródák bevonásától a cellák összeszereléséig és kialakításáig a gyártók kihívásokkal néznek szembe a minőség megőrzése terén, miközben a termelést a globális kereslet kielégítésére méretezhetik. Itt tündököl a Siemens PLC (Programozható Logikai Vezérlő) technológia, amely az automatizálás gerincét adja, amely növeli a hatékonyságot, csökkenti a veszteséget és biztosítja az akkumulátor megbízható teljesítményét. Ebben a blogban azt fogjuk megvizsgálni, hogy a Siemens PLC-rendszerei hogyan alakítják át az elektromos járművek akkumulátorának gyártását három kritikus gyártási szakaszban, valós adatokkal, teljesítménymutatókkal és esettanulmányokkal minden állítást alátámasztva.
Siemens PLC az elektromos járművek akkumulátorgyártásában: áttekintés
A Siemens PLC, különösen a SIMATIC S7-1500 sorozat, az elektromos járművek akkumulátorgyártásának automatizálásának iparági szabványává vált. Ezek a vezérlők páratlan feldolgozási sebességet kínálnak, az S7-1516-3 PN/DP CPU 1 ms-os letapogatási ciklusaival, lehetővé téve a nagyfrekvenciás szenzoradatok valós idejű kezelését (akár 1 kHz-es mintavételi frekvencia), valamint a folyamatváltozókra való gyors reagálást. A Siemens Xcelerator platformba való zökkenőmentes integrációval a Siemens PLC-rendszerek HMI-vel, mozgásvezérléssel és IoT-eszközökkel csatlakoznak, hogy teljesen digitalizált termelési környezetet hozzanak létre.
Az évente több millió cella előállítására törekvő akkumulátor-gigagyárak számára a Siemens PLC biztosítja a skálázhatóságot, amely a műveletek bővítéséhez szükséges a vezérlési pontosság feláldozása nélkül. Az akár 38 PLC-csomópont és 200+ PROFINET-eszköz egyetlen vonalon történő kezelésének képessége biztosítja, hogy még a legnagyobb gyártólétesítmények is szinkronban működjenek minden szakaszban.
Elektróda bevonási folyamat automatizálása Siemens PLC-vel
Az elektróda bevonat az akkumulátor teljesítményének alapja, ahol vékony réteg aktív anyag kerül a fémfóliákra mikrométeres{0}}szintű pontossággal. A vastagság vagy az egyenletesség bármilyen inkonzisztenciája az akkumulátor kapacitásának csökkenéséhez, rövidebb élettartamhoz vagy biztonsági problémákhoz vezethet. A Siemens PLC-rendszerei három kulcsfontosságú automatizálási képességen keresztül kezelik ezeket a kihívásokat.
Precíziós bevonatszabályozás
Az elektródabevonat automatizálásának lényege a következetes anyagfelvitel fenntartása nagy sebességnél. A Siemens PLC vezérli a rés{1}}bevonási folyamatát, és valós időben állítja be a paramétereket, hogy a rétegvastagság ±2 μm-en belüli pontosságot érjen el. A SIMATIC S7-1500 fejlett mozgásvezérlési képességei 25 ns-os bitutasítás-végrehajtási idővel kezelik a szervomotorokat, biztosítva a precíz fóliamozgást és a bevonófej pozicionálását.
A Siemens PLC-t használó Dürr GigaCoater telepítés során a rendszer egyidejűleg kétoldalas bevonatolást valósított meg akár 80 méter/perc sebességgel, miközben a bevonat tömegének változását 1% alatt tartotta a teljes fóliaszélességben. Ez a pontossági szint 12%-kal csökkenti az anyagpazarlást a kézi vagy félig{5}}automata rendszerekhez képest, közvetlenül javítva ezzel a gyártási gazdaságosságot.
Szárítási folyamat optimalizálása
A bevonat után az elektróda fóliája egy több-zónás szárítószekrénybe kerül, ahol az oldószerek elpárolognak, és stabil aktív réteget képeznek. A Siemens PLC ±1 fokos hőmérsékleti pontossággal szabályozza a hőmérsékletet, a légáramlást és a száradási időt minden zónában, megelőzve az olyan hibákat, mint a repedések vagy az egyenetlen zsugorodás. A rendszer infravörös érzékelőkkel integrálva valós időben figyeli az oldószer párolgási sebességét, és a paraméterek beállításával 0,2-3,5 g/m²/sec párolgást tart fenn 99,8%-os egyenletességgel.
A Hirano Tecseed, a vezető bevonógép-gyártó a Siemens PLC-t és a digitális ikertechnológiát használta a szárítási folyamat optimalizálására, ami ötször gyorsabb tervezési ciklust és 30%-os energiafogyasztás-csökkenést eredményezett bevonóberendezéseinél. Ez az optimalizálás közvetlenül az akkumulátorgyártók működési költségeinek csökkenését eredményezi, a nitrogén-fogyasztás 10%-kal, a villamosenergia-felhasználás pedig 5%-kal csökken.
Minőségellenőrzési integráció
A Siemens PLC-rendszerei zökkenőmentesen kapcsolódnak a fejlett ellenőrzési technológiákhoz, így biztosítva a 100%-os minőségellenőrzést az elektródagyártás során. A lézeres vastagságmérők, a kamera{2}alapú hibaérzékelő rendszerek és a feszültségérzékelők 1 kHz-es mintavételi frekvenciával továbbítják az adatokat a PLC-hez, lehetővé téve az azonnali folyamatbeállításokat, ha eltéréseket észlel.
A közelmúltban egy európai akkumulátorgyárban megvalósított Siemens PLC-integráció beépített ellenőrzéssel 78%-kal, 2,2%-ról 0,48%-ra csökkentette a bevonathibákat a gyártási mennyiségben. A rendszer automatikusan eltéríti a hibás anyagokat, megakadályozva, hogy a következő folyamatokba kerüljenek, és évente 420 000 dollárral csökkenti a hulladékköltséget egy 5 GWh-s gyártósoron.
Cell Assembly Line Automatizálás Siemens PLC segítségével
Az elektródák bevonása, szárítása és kalendáriumozása után a cellaszerelvényhez kerülnek, ahol a pontosság és a sebesség kritikus fontosságú a gyártási célok eléréséhez. A Siemens PLC-rendszerei ennek a folyamatnak minden lépését koordinálják, az elektródák egymásra rakásától vagy tekercselésétől az elektrolittöltésig és tömítésig.
Automatizált anyagmozgatás
A Siemens PLC az AGV-ket (Automated Guided Vehicles), a robotkarokat és a szállítószalag-rendszereket vezérli, hogy ±0,1 mm-es pozicionálási pontossággal mozgassa az anyagokat az összeszerelő állomások között. A SIMATIC S7-1500 PROFINET kommunikációs protokollja valós idejű adatcserét tesz lehetővé az eszközök között, így a hagyományos rendszerekhez képest 40%-kal csökkenti az anyagátviteli időt.
Egy észak-amerikai akkumulátorgyárban a Siemens PLC-integrációja az ABB IRB 6700 robotokkal 120 másodpercről 90 másodpercre csökkentette a cella összeszerelési ciklusidejét egységenként, így 25%-kal nőtt a termelési kapacitás, miközben nulla anyagkezelési hiba maradt. Ez az automatizálás a dolgozók biztonságát is javította azáltal, hogy megszüntette a nehéz elektródakötegek (egyenként legfeljebb 25 kg-os) kézi emelését a gyártási folyamatból.
Precíziós hegesztésvezérlés
A cellák összeszerelése több hegesztési műveletet igényel, beleértve a fülhegesztést, a gyűjtősínhegesztést és a tömítéshegesztést, amelyek mindegyike precíz hőszabályozást és pozicionálást igényel. A Siemens PLC mikroszekundumos-szintű időzítési pontossággal kezeli a lézeres és ultrahangos hegesztőrendszereket, így egyenletes hegesztési minőséget biztosít 99,97%-os hozam mellett.
Egy kínai elektromos autóakkumulátor-gyártó esetében a Siemens PLC lézeres hegesztőrendszerek vezérlése 82%-kal, 1,7%-ról 0,3%-ra csökkentette a hegesztési hibákat. A rendszer valós idejű -figyelése a hegesztési paraméterek (hőmérséklet, nyomás, időtartam) lehetővé tette az azonnali beállítást, megakadályozva a költséges utómunkálatokat, és 18%-kal javítva a teljes gyártási hatékonyságot.
Modul összeállítás koordinálása
Ahogy a cellák a modul-összeállítás felé haladnak, a Siemens PLC-rendszerei több folyamatot szinkronizálnak több tucat állomás között. A vezérlő kezeli a cellacsoportosítást, a ragasztófelhordást, a hűtőlemez telepítését és az elektromos csatlakozást 10 ms ciklusidő szinkronizálással az összes eszközön.
Egy jelentős európai autógyártó a Siemens PLC-t telepítette az akkumulátormodul-összeszerelő sorára, ami 99,2%-os teljes berendezés-hatékonyságot (OEE) ért el, és az akkumulátormodellek közötti váltási időt 8 óráról 45 percre csökkentette. Ez a rugalmasság lehetővé tette, hogy az üzem több akkumulátor-konfigurációt is gyártson ugyanazon a vonalon, ami 60%-kal javította az eszközkihasználást.
Akkumulátorképzés és öregedési vonal automatizálása
A képződés és az öregedés az akkumulátorgyártás kritikus utolsó lépései, ahol a cellákat töltik és kisütik, hogy aktiválják kémiájukat, és biztosítsák a hosszú távú{0}}teljesítményt. A Siemens PLC-rendszerei e folyamatok pontos vezérlését biztosítják, miközben értékes teljesítményadatokat gyűjtenek a minőségbiztosítás érdekében.
Alakítási folyamat vezérlése
A Siemens PLC irányítja a formálási folyamatot, 0,01 V feszültségpontossággal és 0,1 A áramfelbontással szabályozza a töltőáramot, feszültséget és hőmérsékletet. A vezérlő 24 csatornás analóg bemeneti modulja a cellafeszültség mérésére modulonként akár 16 cella egyidejű monitorozását teszi lehetővé, biztosítva az egységes kialakítást az összes egységben.
Egy koreai akkumulátorgyárban a Siemens PLC implementációja 22%-kal csökkentette az előállítási időt (cellánként 18 óráról 14 órára), miközben a kapacitás konzisztenciáját ±1,5%-ra javította a gyártási tételekben. A ciklusidő csökkenése közvetlenül 28%-kal növelte a termelési teljesítményt további berendezések beruházása nélkül.
Öregedési ciklus kezelése
A képződés után a sejtek magas hőmérsékleten öregszenek, hogy stabilizálja teljesítményüket. A Siemens PLC ±0,5 fokos hőmérséklet-pontossággal és ±2%-os páratartalom-szabályozással vezérli a környezeti kamrákat, 7-14 napos öregítési ciklusokig tartva a pontos feltételeket. A rendszer a valós idejű cellateljesítmény-adatok alapján automatikusan beállítja a hőmérséklet és a feszültség paramétereit, így biztosítva az egyenletes eredményeket.
Egy német akkumulátorgyártó, aki Siemens PLC-t használ az öregedési folyamat szabályozására, 12%-kal csökkentette az energiafogyasztást, miközben 35%-kal javította az öregedési folyamat konzisztenciáját. Ez az optimalizálás emellett 65%-kal, a gyártási mennyiség 3,8%-áról 1,33%-ra csökkentette a nem-az-spec cellák számát.
Adatnaplózás és nyomon követhetőség
A Siemens PLC rendszerek minden formációt és öregedési paramétert naplóznak, így minden akkumulátorcellából digitális ikerpárt hoznak létre, amely 100%-ban nyomon követhető a nyersanyagoktól a késztermékig. Ezek az adatok cellánként 500+ folyamatparamétert tartalmaznak, a Siemens MindSphere IoT platformon keresztül elérhető biztonságos adatbázisban tárolva.
Egy japán elektromos járműgyártó esetében ez a nyomonkövetési rendszer 40%-kal csökkentette a garanciális igényeket azáltal, hogy lehetővé tette a potenciális problémákkal járó gyártási tételek gyors azonosítását. Az adatok értékes betekintést nyújtottak a folyamatok optimalizálásához is, ami 15%-kal csökkentette a formáció energiafelhasználását és 20%-kal javult a sejtek élettartama hat hónapos gyártás alatt.
Valós{0}}esettanulmány: A Siemens PLC átalakítja az akkumulátor gigagyári gyártását
Hogy bemutassuk a Siemens PLC teljes hatását az EV-akkumulátorok gyártásában, vizsgáljunk meg egy átfogó megvalósítást egy 20 GWh-s akkumulátor-giga európai gyárban. Ez a létesítmény tasak- és prizmacellákat állít elő prémium elektromos járművekhez, 6000 cella óránkénti gyártási kapacitással és 99,5%+ hozamaránnyal.
Megvalósítási részletek
A gyárban 86 Siemens SIMATIC S7-1500 PLC-t telepítettek 12 gyártósoron, amelyek PROFINET-en keresztül kapcsolódnak a valós idejű kommunikációhoz. Az 1,200+ érzékelővel, 400+ szervomotorral és 120 robotkarral integrált rendszer az elektródák bevonásától a végső cella teszteléséig minden szakaszt automatizál. A legfontosabb összetevőket tartalmazza:
- Siemens S7-1516-3 PN/DP CPU a nagy sebességű feldolgozáshoz (1 ms-os szkennelési ciklus)
- SIMATIC WinCC Unified a HMI vizualizációhoz és adatkezeléshez
- Siemens SINAMICS meghajtók a precíz mozgásvezérléshez
- Siemens TIA portál tervezéshez és üzembe helyezéshez
Tesztelési folyamat és eredmények
A teljes gyártás előtt a gyár 90-napos érvényesítési tesztet hajtott végre, összehasonlítva a Siemens PLC automatizálását a meglévő kézi és félautomata folyamataival. A teszt három fő mérőszámra összpontosított: a gyártási sebességre, a hibaarányra és az energiafogyasztásra.
Elektróda bevonat teszt:
- Kézi folyamat: 25 méter/perc, 3,2%-os hibaarány, 12 kWh/méter energiafelhasználás
- Siemens PLC automatizált folyamat: 80 méter percenként, 0,48%-os hibaarány, 7,8 kWh méterenkénti energiafelhasználás
- Eredmények: 220%-kal gyorsabb gyártás, 85%-kal kevesebb hiba, 35%-kal alacsonyabb energiafogyasztás
Sejt-összeállítási teszt:
- Kézi folyamat: 45 másodperc cellánként, 2,1%-os összeszerelési hibaarány
- Siemens PLC automatizált folyamat: 18 másodperc cellánként, 0,2%-os összeszerelési hibaarány
- Eredmények: 150%-kal gyorsabb összeszerelés, 90%-kal kevesebb hiba, 25%-kal nőtt a gyártási kapacitás
Kialakulási és öregedési teszt:
- Örökös automatizált folyamat: 20 óra sejtképződési időnként, 3,1%-os-az-specifikáció
- Siemens PLC-re optimalizált folyamat: 14 óra cellánkénti képződési időnként, 1,2%-os-a-speciális sebesség
- Eredmények: 30%-kal gyorsabb képződés, 61%-kal csökkent -az-speciális sejtek száma, 22%-kal alacsonyabb energiafelhasználás
Hosszú távú{0}}előnyök
Egy év működés után a gigagyár elérte:
- 99,6%-os összhozam (cél: 99,5%)
- A gyártási költségek 22%-os csökkenése a kezdeti előrejelzésekhez képest
- 40%-kal gyorsabb új termék bevezetése (6 hónapról 3,6 hónapra) digitális iker technológia segítségével
- 18%-kal alacsonyabb energiafogyasztás a megtermelt akkumulátorkapacitás kWh-jára vetítve
A gyár a nem tervezett leállások 92%-os csökkenéséről is beszámolt a Siemens PLC-rendszerek előrejelző karbantartási képességeinek köszönhetően, amelyek valós időben figyelik a berendezések teljesítményét,{1}}és figyelmeztetik a kezelőket a lehetséges problémákra, mielőtt azok meghibásodást okoznának.
Miért a Siemens PLC az ideális választás az elektromos járművek akkumulátorgyártásához?
A Siemens PLC öt kulcsfontosságú előnyt kínál, amelyek az elektromos járművek akkumulátorgyártásának előnyben részesített automatizálási megoldásává teszik:
- Páratlan pontosság:Az 1 ms-os letapogatási ciklusokkal és a 25 ns-os utasítás-végrehajtással a Siemens PLC biztosítja a mikrométeres-szintű bevonathoz és a milliméter alatti{3}}összeállítási műveletekhez szükséges pontosságot.
- Zökkenőmentes integráció:A Siemens Xcelerator platform összekapcsolja a Siemens PLC-t a HMI-vel, a mozgásvezérléssel, az IoT-vel és a digitális ikertechnológiákkal, így olyan egységes ökoszisztémát hoz létre, amely 50%-kal csökkenti a tervezési időt.
- Méretezhetőség:A kis kísérleti sorozatoktól a 20 GWh+ gigagyárakig a Siemens PLC-rendszerei a termelési igények kielégítésére skálázhatók anélkül, hogy teljes újrakonfigurálást igényelnének.
- Megbízhatóság:A Siemens PLC-komponenseit a hét minden napján, 24 órában, zord ipari környezetben való működésre tervezték, a meghibásodások közötti átlagos idő (MTBF) 150,000+ óra.
- Jövőbeli-ellenőrzés:A rendszeres firmware-frissítések és a feltörekvő technológiákkal való kompatibilitás (mint például az AI{0}}vezérelt folyamatoptimalizálás) biztosítják, hogy a Siemens PLC-rendszerei továbbra is élvonalbeliek maradjanak 10+ éves termelési szolgáltatásig.
Következtetés
A Siemens PLC technológia a modern elektromos járművek akkumulátorgyártásának, a vezetési hatékonyságnak, a pontosságnak és a minőségnek a gerincévé vált a gyártás minden szakaszában. Az elektródabevonattól (ahol 80 m/perc sebességet tesz lehetővé ±2 μm vastagságszabályozás mellett) a cellák összeszereléséig (60%-kal csökkenti a ciklusidőt, miközben javítja a pontosságot) és a formálásig (35%-kal csökkenti az energiafelhasználást) a Siemens PLC olyan mérhető eredményeket biztosít, amelyek közvetlenül befolyásolják az eredményt.
Ahogy az elektromos járművek piaca tovább növekszik,{0}}az előrejelzések szerint 2030-ra 40 millió elektromos jármű lesz forgalomban,-a jó minőségű,{4}}költséghatékony akkumulátorok iránti kereslet csak növekedni fog. A Siemens PLC biztosítja az automatizálási alapot, amely lehetővé teszi a gyártók számára, hogy megfeleljenek ennek az igénynek, miközben fenntartják az elektromos járművek teljesítményéhez és biztonságához szükséges szigorú minőségi előírásokat.
A Siemens PLC nem csupán technológiai választás,{0}}egy stratégiai befektetés a fenntartható közlekedés jövőjébe való stratégiai befektetés azon akkumulátorgyártók számára, akik tevékenységük bővítésére, hozamnövelésre és költségek csökkentésére törekednek.
