Elektrisko transportlīdzekļu (EV) akumulatoru ražošana ir sarežģīts process, kas prasa precizitāti, ātrumu un konsekvenci katrā posmā. No elektrodu pārklājuma līdz šūnu montāžai un veidošanai ražotāji saskaras ar problēmām, saglabājot kvalitāti, vienlaikus palielinot ražošanu, lai apmierinātu globālo pieprasījumu. Šeit spīd Siemens PLC (Programmable Logic Controller) tehnoloģija, nodrošinot automatizācijas mugurkaulu, kas veicina efektivitāti, samazina atkritumu daudzumu un nodrošina uzticamu akumulatora veiktspēju. Šajā emuārā mēs izpētīsim, kā Siemens PLC sistēmas pārveido EV akumulatoru ražošanu trīs kritiskos ražošanas posmos, izmantojot reālus datus, veiktspējas rādītājus un gadījumu izpēti, kas apstiprina katru apgalvojumu.
Siemens PLC EV akumulatoru ražošanā: pārskats
Siemens PLC, jo īpaši SIMATIC S7-1500 sērija, ir kļuvusi par EV akumulatoru ražošanas automatizācijas nozares standartu. Šie kontrolleri piedāvā nepārspējamu apstrādes ātrumu ar pat 1 ms skenēšanas cikliem S7-1516-3 PN/DP centrālajam procesoram, kas ļauj reāllaikā apstrādāt augstfrekvences sensora datus (līdz 1kHz iztveršanas frekvencei) un ātri reaģēt uz procesa mainīgajiem. Ar nemanāmu integrāciju Siemens Xcelerator platformā Siemens PLC sistēmas savienojas ar HMI, kustības kontroli un IoT ierīcēm, lai izveidotu pilnībā digitalizētu ražošanas vidi.
Akumulatoru gigarūpnīcām, kuru mērķis ir saražot miljoniem elementu gadā, Siemens PLC nodrošina mērogojamību, kas nepieciešama, lai paplašinātu darbības, nezaudējot vadības precizitāti. Iespēja apstrādāt līdz pat 38 PLC mezgliem un 200+ PROFINET ierīcēm vienā līnijā nodrošina, ka pat lielākās ražošanas iekārtas nodrošina sinhronizētu darbību visos posmos.
Elektrodu pārklāšanas procesa automatizācija ar Siemens PLC
Elektrodu pārklājums ir akumulatora darbības pamats, kad ar mikrometra{0}}līmeņa precizitāti uz metāla folijām tiek uzklāti plāni aktīvā materiāla slāņi. Jebkāda biezuma vai viendabīguma neatbilstība var izraisīt akumulatora jaudas samazināšanos, īsāku kalpošanas laiku vai drošības problēmas. Siemens PLC sistēmas risina šīs problēmas, izmantojot trīs galvenās automatizācijas iespējas.
Precīza pārklājuma kontrole
Elektrodu pārklājuma automatizācijas pamatā ir nemainīga materiāla uzklāšana lielā ātrumā. Siemens PLC kontrolē slotu{1}}pārklāšanas procesu, pielāgojot parametrus reāllaikā, lai sasniegtu slāņa biezuma precizitāti ±2 μm robežās. SIMATIC S7-1500 uzlabotās kustības kontroles iespējas pārvalda servomotorus ar 25ns bitu instrukciju izpildes laiku, nodrošinot precīzu folijas kustību un pārklājuma galviņas novietojumu.
Dürr GigaCoater instalācijā, izmantojot Siemens PLC, sistēma panāca vienlaicīgu divpusēju pārklājumu ar ātrumu līdz 80 metriem minūtē, saglabājot pārklājuma svara svārstības zem 1% visā folijas platumā. Šis precizitātes līmenis samazina materiālu atkritumu daudzumu par 12%, salīdzinot ar manuālajām vai daļēji automatizētajām sistēmām, tieši uzlabojot ražošanas ekonomiku.
Žāvēšanas procesa optimizācija
Pēc pārklāšanas elektroda folija nonāk vairāku zonu žāvēšanas krāsnī, kur šķīdinātāji iztvaiko, veidojot stabilu aktīvo slāni. Siemens PLC kontrolē temperatūru, gaisa plūsmu un žāvēšanas laiku katrā zonā ar ±1 grādu temperatūras precizitāti, novēršot tādus defektus kā plaisas vai nevienmērīgu saraušanos. Sistēma ir integrēta ar infrasarkanajiem sensoriem, lai uzraudzītu šķīdinātāja iztvaikošanas ātrumu-reāllaikā, pielāgojot parametrus, lai uzturētu 0,2–3,5 g/m²/s iztvaikošanu ar 99,8% vienmērīgumu.
Hirano Tecseed, vadošais pārklāšanas iekārtu ražotājs, izmantoja Siemens PLC un digitālo dvīņu tehnoloģiju, lai optimizētu to žāvēšanas procesu, kā rezultātā tika panākti 5x ātrāki projektēšanas cikli un par 30% samazināts enerģijas patēriņš pārklāšanas iekārtām. Šī optimizācija tieši nozīmē zemākas darbības izmaksas akumulatoru ražotājiem, par 10% samazinot slāpekļa patēriņu un par 5% samazinot elektroenerģijas patēriņu.
Kvalitātes pārbaudes integrācija
Siemens PLC sistēmas nemanāmi savienojas ar progresīvām pārbaudes tehnoloģijām, lai nodrošinātu 100% kvalitātes kontroli elektrodu ražošanas laikā. Lāzera biezuma mērītāji,{2}}uz kameru balstītas defektu noteikšanas sistēmas un spriegojuma sensori ievada datus PLC ar 1kHz iztveršanas frekvenci, ļaujot nekavējoties veikt procesa pielāgošanu, kad tiek konstatētas novirzes.
Nesen Eiropas akumulatoru gigarūpnīcā ieviestā Siemens PLC integrācija ar iekšējo pārbaudi samazināja pārklājuma defektus par 78% no 2,2% līdz 0,48% no ražošanas apjoma. Sistēma automātiski novirza bojātos materiālus, neļaujot tiem pāriet uz nākamajiem procesiem un samazinot lūžņu izmaksas par 420 000 USD gadā 5GWh ražošanas līnijai.
Šūnu montāžas līnijas automatizācija, izmantojot Siemens PLC
Kad elektrodi ir pārklāti, žāvēti un kalendāri, tie pāriet uz elementu montāžu, kur precizitāte un ātrums ir ļoti svarīgi, lai sasniegtu ražošanas mērķus. Siemens PLC sistēmas koordinē katru šī procesa posmu, sākot no elektrodu sakraušanas vai uztīšanas līdz elektrolīta pildīšanai un blīvēšanai.
Automatizēta materiālu apstrāde
Siemens PLC kontrolē AGV (Automated Guided Vehicles), robotizētās rokas un konveijera sistēmas, lai pārvietotu materiālus starp montāžas stacijām ar ±0,1 mm pozicionēšanas precizitāti. SIMATIC S7-1500 PROFINET sakaru protokols nodrošina reāllaika datu apmaiņu starp ierīcēm, samazinot materiāla pārsūtīšanas laiku par 40%, salīdzinot ar tradicionālajām sistēmām.
Ziemeļamerikas akumulatoru rūpnīcā Siemens PLC integrācija ar ABB IRB 6700 robotiem samazināja šūnu montāžas cikla laiku no 120 sekundēm līdz 90 sekundēm uz vienību, palielinot ražošanas jaudu par 25%, vienlaikus saglabājot nulles materiālu apstrādes kļūdas. Šī automatizācija arī uzlaboja strādnieku drošību, no ražošanas procesa izslēdzot smago elektrodu kaudzes (katra līdz 25 kg) manuālu pacelšanu.
Precīzijas metināšanas kontrole
Šūnu montāžai ir nepieciešamas vairākas metināšanas darbības, tostarp cilpas metināšana, kopņu metināšana un blīvējuma metināšana, katrai no tām ir nepieciešama precīza siltuma kontrole un pozicionēšana. Siemens PLC pārvalda lāzera un ultraskaņas metināšanas sistēmas ar mikrosekundes-līmeņa laika precizitāti, nodrošinot nemainīgu metināšanas kvalitāti ar 99,97% iznākumu.
Ķīnas EV akumulatoru ražotājam Siemens PLC lāzermetināšanas sistēmu vadība samazināja metināšanas defektus par 82%, no 1,7% līdz 0,3%. Sistēmas reāllaika -metināšanas parametru (temperatūras, spiediena, ilguma) uzraudzība ļāva veikt tūlītējus pielāgojumus, novēršot dārgu pārstrādi un uzlabojot kopējo ražošanas efektivitāti par 18%.
Moduļa montāžas koordinācija
Kad šūnas pāriet uz moduļu montāžu, Siemens PLC sistēmas sinhronizē vairākus procesus desmitiem staciju. Kontrolieris pārvalda šūnu grupēšanu, līmes uzklāšanu, dzesēšanas plāksnes uzstādīšanu un elektrisko savienojumu ar 10 ms cikla laika sinhronizāciju visās ierīcēs.
Liels Eiropas automobiļu ražotājs savā akumulatoru moduļu montāžas līnijā ieviesa Siemens PLC, panākot 99,2% kopējo aprīkojuma efektivitāti (OEE) un samazinot pārslēgšanās laiku starp akumulatoru modeļiem no 8 stundām līdz 45 minūtēm. Šī elastība ļāva ražotnei ražot vairākas akumulatoru konfigurācijas vienā līnijā, uzlabojot līdzekļu izmantošanu par 60%.
Akumulatora veidošanas un novecošanas līnijas automatizācija
Veidošanās un novecošana ir kritiski pēdējie posmi akumulatoru ražošanā, kad šūnas tiek uzlādētas un izlādētas, lai aktivizētu to ķīmisko sastāvu un nodrošinātu ilglaicīgu -veiktspēju. Siemens PLC sistēmas nodrošina precīzu šo procesu kontroli, vienlaikus vācot vērtīgus veiktspējas datus kvalitātes nodrošināšanai.
Veidošanas procesa kontrole
Siemens PLC pārvalda formēšanas procesu, kontrolējot uzlādes strāvu, spriegumu un temperatūru ar 0,01 V sprieguma precizitāti un 0,1 A strāvas izšķirtspēju. Kontrollera 24 kanālu analogās ievades modulis šūnu sprieguma mērīšanai ļauj vienlaicīgi uzraudzīt līdz pat 16 šūnām katrā modulī, nodrošinot vienmērīgu veidošanos visās vienībās.
Korejas akumulatoru rūpnīcā Siemens PLC ieviešana samazināja veidošanas laiku par 22% (no 18 stundām līdz 14 stundām vienā šūnā), vienlaikus uzlabojot jaudas konsekvenci līdz ±1,5% visās ražošanas partijās. Šis cikla laika samazinājums tieši palielināja ražošanas izlaidi par 28% bez papildu ieguldījumiem aprīkojumā.
Novecošanās cikla vadība
Pēc veidošanās šūnas noveco paaugstinātā temperatūrā, lai stabilizētu to darbību. Siemens PLC kontrolē vides kameras ar ±0,5 grādu temperatūras precizitāti un ±2% mitruma kontroli, saglabājot precīzus apstākļus 7-14 dienu novecošanas cikliem. Sistēma automātiski pielāgo temperatūras un sprieguma parametrus, pamatojoties uz reāllaika elementu veiktspējas datiem, nodrošinot konsekventus rezultātus.
Vācijas akumulatoru ražotājs, kas novecošanas procesa kontrolei izmantoja Siemens PLC, samazināja enerģijas patēriņu par 12%, vienlaikus uzlabojot novecošanas procesa konsistenci par 35%. Šī optimizācija arī samazināja no-no-noteikto šūnu skaitu par 65% no 3,8% līdz 1,33% no ražošanas apjoma.
Datu reģistrēšana un izsekojamība
Siemens PLC sistēmas reģistrē katru veidošanās un novecošanas parametru, izveidojot katra akumulatora elementa digitālo dvīņu ar 100% izsekojamību no izejvielām līdz gatavam produktam. Šajos datos ir iekļauti 500+ procesa parametri katrā šūnā, kas tiek glabāti drošā datu bāzē, kurai var piekļūt, izmantojot Siemens MindSphere IoT platformu.
Japānas EV ražotājam šī izsekojamības sistēma samazināja garantijas prasības par 40%, ļaujot ātri identificēt ražošanas partijas ar iespējamām problēmām. Dati arī sniedza vērtīgu ieskatu procesa optimizācijā, kā rezultātā par 15% tika samazināts formēšanas enerģijas patēriņš un par 20% uzlabots šūnu kalpošanas laiks sešu ražošanas mēnešu laikā.
Reāls{0}}Pasaules gadījuma pētījums: Siemens PLC pārveido akumulatoru Gigafactory ražošanu
Lai demonstrētu Siemens PLC pilno ietekmi uz EV akumulatoru ražošanu, apskatīsim visaptverošu ieviešanu 20 GWh akumulatoru gigarūpnīcā Eiropā. Šī iekārta ražo maisiņus un prizmatiskas šūnas augstākās kvalitātes elektriskajiem transportlīdzekļiem ar mērķi 6000 elementu stundā ražošanas jaudu un 99,5%+ ienesīgumu.
Īstenošanas informācija
Rūpnīcā tika izvietoti 86 Siemens SIMATIC S7-1500 PLC 12 ražošanas līnijās, kas savienoti, izmantojot PROFINET reāllaika saziņai. Sistēma ir integrēta ar 1,200+ sensoriem, 400+ servomotoriem un 120 robotu rokām, lai automatizētu katru posmu no elektrodu pārklāšanas līdz galīgajai šūnu pārbaudei. Iekļautās galvenās sastāvdaļas:
- Siemens S7-1516-3 PN/DP CPU liela ātruma apstrādei (1 ms skenēšanas cikls)
- SIMATIC WinCC Unified HMI vizualizācijai un datu pārvaldībai
- Siemens SINAMICS diskdziņi precīzai kustības kontrolei
- Siemens TIA portāls projektēšanai un nodošanai ekspluatācijā
Testēšanas process un rezultāti
Pirms pilnīgas ražošanas rūpnīca veica 90-dienu validācijas testu, salīdzinot Siemens PLC automatizāciju ar esošajiem manuālajiem un daļēji automatizētajiem procesiem. Pārbaudē galvenā uzmanība tika pievērsta trim galvenajiem rādītājiem: ražošanas ātrums, defektu līmenis un enerģijas patēriņš.
Elektrodu pārklājuma pārbaude:
- Manuāls process: 25 metri minūtē, 3,2% defektu līmenis, 12 kWh uz vienu metru enerģijas patēriņu
- Siemens PLC automatizēts process: 80 metri minūtē, 0,48% defektu līmenis, 7,8 kWh uz vienu metru enerģijas patēriņu
- Rezultāti: par 220% ātrāka ražošana, par 85% defektu samazinājums, par 35% mazāks enerģijas patēriņš
Šūnu montāžas tests:
- Manuāls process: 45 sekundes uz vienu šūnu, 2,1% montāžas kļūdu līmenis
- Siemens PLC automatizētais process: 18 sekundes uz vienu šūnu, 0,2% montāžas kļūdu līmenis
- Rezultāti: 150% ātrāka montāža, 90% kļūdu samazinājums, 25% ražošanas jaudas palielinājums
Veidošanās un novecošanas tests:
- Mantotais automatizētais process: 20 stundas katrā šūnu veidošanās laikā, 3,1% no-no-specifikācijas ātruma
- Siemens PLC optimizēts process: 14 stundas katrā šūnu veidošanās laikā, 1,2% no-no-specifikācijas ātruma
- Rezultāti: par 30% ātrāka veidošanās, par 61% samazināts-no-spec šūnu skaits, par 22% mazāks enerģijas patēriņš
Ilgtermiņa-priekšrocības
Pēc viena gada darbības gigafactory panāca:
- 99,6% kopējā ienesīguma likme (mērķis: 99,5%)
- Ražošanas izmaksu samazinājums par 22%, salīdzinot ar sākotnējām prognozēm
- Par 40% ātrāka jauna produkta ieviešana (no 6 mēnešiem līdz 3,6 mēnešiem), izmantojot digitālo dvīņu tehnoloģiju
- Par 18% mazāks enerģijas patēriņš uz saražotās akumulatora jaudas kWh
Rūpnīca arī ziņoja par neplānotas dīkstāves samazināšanos par 92%, pateicoties Siemens PLC sistēmu paredzamajām apkopes iespējām, kas uzrauga iekārtu veiktspēju reāllaikā-un brīdina operatorus par iespējamām problēmām, pirms tās izraisa kļūmes.
Kāpēc Siemens PLC ir ideāla izvēle EV akumulatoru ražošanai
Siemens PLC piedāvā piecas galvenās priekšrocības, kas padara to par vēlamo automatizācijas risinājumu EV akumulatoru ražošanā:
- Nepārspējama precizitāte:Ar 1 ms skenēšanas cikliem un 25 ns instrukciju izpildi Siemens PLC nodrošina precizitāti, kas nepieciešama mikrometra-līmeņa pārklājumam un sub-milimetra montāžas darbībām.
- Bezšuvju integrācija:Siemens Xcelerator platforma savieno Siemens PLC ar HMI, kustības kontroli, IoT un digitālajām dvīņu tehnoloģijām, radot vienotu ekosistēmu, kas samazina projektēšanas laiku par 50%.
- Mērogojamība:No mazām izmēģinājuma līnijām līdz 20 GWh+ gigarūpnīcām Siemens PLC sistēmas tiek mērogotas, lai apmierinātu ražošanas vajadzības, neprasot pilnīgu pārkonfigurāciju.
- Uzticamība:Siemens PLC komponenti ir paredzēti darbam visu diennakti skarbos industriālajos apstākļos, un vidējais laiks starp atteicēm (MTBF) ir 150,000+ stundas.
- Nākotnes{0}}pārbaude:Regulāri programmaparatūras atjauninājumi un saderība ar jaunām tehnoloģijām (piemēram, AI{0}}vadītā procesa optimizācija) nodrošina, ka Siemens PLC sistēmas joprojām ir visprogresīvākās -progresīvās 10+ gadu ražošanas darbības laikā.
Secinājums
Siemens PLC tehnoloģija ir kļuvusi par mūsdienu EV akumulatoru ražošanas, braukšanas efektivitātes, precizitātes un kvalitātes mugurkaulu visos ražošanas posmos. No elektrodu pārklājuma (kur tas nodrošina ātrumu 80 m/min ar ±2 μm biezuma kontroli) līdz šūnu montāžai (samazina cikla laiku par 60%, vienlaikus uzlabojot precizitāti) un veidošanu (samazinot enerģijas patēriņu par 35%), Siemens PLC nodrošina izmērāmus rezultātus, kas tieši ietekmē apakšējo līniju.
Tā kā EV tirgus turpina augt,{0}}prognozējot, ka līdz 2030. gadam uz ceļiem būs 40 miljoni elektrisko transportlīdzekļu,-pieprasījums pēc augstas-kvalitatīvas, rentablas akumulatoriem tikai pieaugs. Siemens PLC nodrošina automatizācijas pamatu, kas ļauj ražotājiem apmierināt šo pieprasījumu, vienlaikus saglabājot stingros kvalitātes standartus, kas nepieciešami elektrisko transportlīdzekļu veiktspējai un drošībai.
Akumulatoru ražotājiem, kas vēlas paplašināt darbību, uzlabot ražīgumu un samazināt izmaksas, Siemens PLC nav tikai tehnoloģiju izvēle,{0}}tā ir stratēģisks ieguldījums ilgtspējīga transporta nākotnē.
