Inteligentna produkcja dla giga-fabryk baterii

Baterie będą zajmować centralne miejsce na rynkach energetyki zarówno w dziedzinie mobilności, jak i magazynowania energii. Zdaniem Międzynarodowej Agencji Energetycznej (MAE) globalna zdolność produkcyjna w przypadku baterii do pojazdów elektrycznych (EV) w okresie od 2020 do 2025 roku będzie musiała wzrosnąć ponad trzykrotnie, aby spełnić zapotrzebowanie odpowiadające planowanej światowej produkcji tych pojazdów.

W celu dostarczenia miliardów watów energii, których pojazdy elektryczne będą potrzebować w nadchodzących dziesięcioleciach, będą musiały powstać giga-fabryki baterii. Do tego nie wystarczy samo zwiększenie skali tradycyjnych technologii i technik produkcji. Jeśli prędkość, elastyczność i produktywność mają znacząco wzrosnąć, konieczne będzie nowe podejście do procesów produkcyjnych. Kluczowym narzędziem, które pozwoli zwiększyć skalę produkcji baterii, jest inteligentna produkcja. W odniesieniu do niej lubimy posługiwać się określeniem „digital thread”, ponieważ wpływa ona nie tylko na realizację, ale też na optymalizację całego cyklu żywotności.
Jak to wygląda w praktyce?
Wszystko zaczyna się na wczesnych etapach prac badawczo-rozwojowych, kiedy chemicy oraz inżynierowie opracowują nowe koncepcje baterii. Do projektowania wykorzystują narzędzia, jakie oferuje chemia obliczeniowa oraz oprogramowanie CAD, a do zarządzania pracami rozwojowymi używają oprogramowania PLM. Wątek cyfrowy („digital thread”) zaczyna się w momencie, gdy rozpoczynamy gromadzenie informacji w środowisku wirtualnym. Na etapie testowania narzędzia, takie jak MATLAB czy Ansys, dostarczają jeszcze więcej wartościowych danych.
Dane te służą do opracowywania „cyfrowych bliźniaków” rzeczywistych maszyn. Następnie używa się ich w operacjach procesu produkcyjnego, planowania i testowania przebiegających w świecie wirtualnym. Bliźniaki cyfrowe pomagają szkolić personel w świecie wirtualnym oraz umożliwiają szybkie zwiększenie produkcji w odpowiednim momencie. Ale to nie wszystko. W miarę jak produkty są wytwarzane, sprzedawane i użytkowane, dane są zbierane w świecie fizycznym, po czym są przekazywane do świata wirtualnego, w którym produkty i procesy mogą być zoptymalizowane. Właśnie to scalenie światów fizycznego i wirtualnego jest przyszłością produkcji baterii.

Monitorowanie inteligentnej produkcji baterii

Jednym z najważniejszych aspektów wątku cyfrowego jest większa widoczność procesu poprzez monitorowanie produkcji. Odbywa się to za pomocą pakietu oprogramowania zwanego systemem realizacji produkcji (MES). MES jest wykorzystywany w produkcji motoryzacyjnej od kilkudziesięciu lat, niemniej będzie odgrywać kluczową rolę także w produkcji baterii, zwłaszcza gdy chodzi o produkcję na specjalne zamówienie. W miarę rozwoju rynku rosnąć będzie zapotrzebowanie na produkty dostosowywane do potrzeb, nawet w zakresie tak wąskim, jak specjalne partie dla poszczególnych modeli samochodów.

Zautomatyzowane oraz inteligentne gromadzenie danych, bez użycia papieru – krok po kroku

Dzięki oprogramowaniu MES możliwa jest integracja systemów sterowania oraz systemów biznesowych w celu realizacji oraz śledzenia zamówień w całym przedsiębiorstwie. Można też zyskać dodatkowy kontekst niezbędny do przełożenia danych o produkcji na użyteczne informacje.
Na początku, można zacząć od programów aplikacyjnych MES działających na małą skalę, które pomagają pokonać określone trudności w produkcji. Chcą stawić czoła anomaliom można wykorzystać program aplikacyjny MES do kontroli jakości, aby śledził działania, identyfikował sytuacje i ostrzegał, gdy maszyna bądź procesy operatora wykraczają poza wyznaczone limity.
Inne programy aplikacyjne, które warto rozważyć to tzw. „track-and-trace”, umożliwiające uzyskanie pełnej identyfikowalności baterii na przestrzeni całego procesu produkcji oraz pewności, że baterie są bezpieczne w eksploatacji.
Na koniec można przejść na pakiet oprogramowania MES na skalę przedsiębiorstwa, który będzie dostarczać spójny obraz całości operacji.

Czym jest paszport baterii?

Innym ważnym przykładem zautomatyzowanego oraz inteligentnego gromadzenia danych bez użycia papieru jest paszport baterii zaproponowany przez organizację Global Battery Alliance (GBA). Paszport baterii dostarcza wiarygodnych informacji o wskaźnikach związanych z odpowiedzialnymi i zrównoważonymi praktykami. Efektem tego jest znak jakości, odzwierciedlający uwierzytelnione zapisy dotyczące odpowiedzialnego pozyskiwania surowców, zarządzania, recyklingu oraz eksploatacji baterii przez cały cykl żywotności. Rola paszportu baterii we wspieraniu odpowiedzialnego łańcucha wartości została potwierdzona w trakcie debaty o polityce globalnej, między innymi na konferencji liderów G7 w 2021 roku, w projekcie dyrektywy UE poświęconej bateriom oraz przez rządy Kanady i Stanów Zjednoczonych. Wszystkie dane na potrzeby tej inicjatywy muszą być gromadzone automatycznie.

Poprawa dzięki ocenie porównawczej

Firma Rockwell Automation razem z Samsung SDI opracowały system MES, który nie wymaga papierowych dokumentów, jest kompletny i posiada pętle jakości. System ten dokumentuje każdy krok produkcyjny. Na przykład oprogramowanie FactoryTalk Analytics może wskazywać, że rosnące stopy błędów na stanowisku, na którym baterie są klejone, korelują bezpośrednio z beczką kleju włączoną ostatnio do procesu produkcyjnego. Według firmy Samsung SDI to narzędzie analityczne znacznie podnosi efektywność w najbardziej zróżnicowanych obszarach. Nie tylko bada oczywiste kwestie, ale też łączy ze sobą poprawne zależności na potrzeby ciągłego doskonalenia, a co istotne, jest łatwe w obsłudze. Fakt, że szczegółową wiedzę, której uzyskanie niegdyś zajmowało co najmniej godzinę, obecnie można uzyskać w ciągu pięciu minut, pokazuje, jak szybko to rozwiązanie się zamortyzowało.

Widoczność zasobów – Internet Rzeczy

Jeśli chodzi o możliwość dostępu do danych spoza systemu MES, wspólnie z PTC opracowujemy platformą Internetu Rzeczy, która pozwoli firmie poprawić widoczność zasobów. Gromadzenie danych i poprawa widoczności umożliwia porównywanie infrastruktury maszynowej z całego świata. Mając dziesięć zakładów produkcyjnych, można zobaczyć, które zakłady, linie i maszyny działają lepiej od pozostałych. Będzie można nie tylko gromadzić informacje z hali produkcyjnej w czasie rzeczywistym, ale też dodawać wiele innych źródeł danych, które razem zapewniają pełną widoczność prowadzonych operacji.

Inteligentne systemy przenośnikowe

Mogłoby się zdawać, że produkcja inteligentna opiera się wyłącznie na oprogramowaniu, ale takie wyobrażenie jest dalekie od prawdy. W giga-fabrykach wyposażonych w maszyny o wysokich osiągach niezmiernie ważną rolę będzie odgrywać sprzęt. Tradycyjne systemy przenośnikowe mogłyby jedynie spowalniać proces. W systemach tych do sterowania ruchem wykorzystywane są setki mechanicznych części, takich jak skrzynie przekładniowe, pasy i łańcuchy napędzane przez koła obrotowe. W rezultacie systemy te charakteryzują się ograniczoną elastycznością, a także prędkościami operacyjnymi oraz prędkościami przyspieszania/zwalniania, które mogą nie spełniać potrzeb giga-fabryki.
Lepszym rozwiązaniem jest system serwonapędów z technologią niezależnych wózków (ICT). Ponieważ jest on wolny od ograniczeń, jakim podlega tradycyjny system przenośnikowy, może tworzyć szybsze, bardziej elastyczne linie baterii z zastosowaniem niezależnych, programowalnych elementów transportujących. To pozwala radykalnie skrócić czas przezbrajania linii dzięki prostym profilom programowym umożliwiającym zmianę wytwarzanych produktów za jednym naciśnięciem przycisku. Firma Eagle Technologies zastosowała tę technologię w maszynie do montażu pakietów baterii, którą opracowała w celu uzyskania maksymalnej produktywności na linii baterii do pojazdów elektrycznych. Maszyna ma szeroki zakres możliwości, od sortowania pojedynczych ogniw po pełny montaż modułów i pakietów baterii z jednoczesnym wykonywaniem niezbędnych testów. Wyposażona jest w serwomotory liniowe, które przy dużych prędkościach precyzyjnie ustawiają ładunki we właściwym kierunku. Przezbrajanie polega jedynie na wyborze odpowiedniego trybu w interfejsie operatora.

Ładowanie na horyzoncie

Aby szybko rozwijający się rynek pojazdów elektrycznych mógł odgrywać właściwą sobie rolę w dekarbonizacji, będzie potrzebował wysoce efektywnych i elastycznych gigafabryk zdolnych produkować odpowiednie baterie z niezmiennie wysoką jakością, w dużych ilościach i przy dużych prędkościach. W tworzeniu tych obiektów przemysłowych, których siłą napędową będą dane, kluczową rolę będzie odgrywać całościowo ujęty wątek cyfrowy.