PLC زیمنس برای تولید باتری EV: پوشش الکترود، مونتاژ سلولی و اتوماسیون خط تشکیل

تولید باتری وسایل نقلیه الکتریکی (EV) فرآیند پیچیده ای است که در هر مرحله به دقت، سرعت و ثبات نیاز دارد. از پوشش الکترود گرفته تا مونتاژ و تشکیل سلول، تولیدکنندگان در حفظ کیفیت و در عین حال مقیاس‌بندی تولید برای پاسخگویی به تقاضای جهانی با چالش‌هایی مواجه هستند. اینجاست که فناوری زیمنس PLC (کنترل‌کننده منطق قابل برنامه‌ریزی) می‌درخشد و ستون فقرات اتوماسیون را فراهم می‌کند که کارایی را افزایش می‌دهد، ضایعات را کاهش می‌دهد و عملکرد باتری قابل اطمینان را تضمین می‌کند. در این وبلاگ، نحوه تبدیل سیستم‌های PLC زیمنس به تولید باتری خودروهای برقی را در سه مرحله تولید حیاتی با{3}}داده‌های واقعی، معیارهای عملکرد، و مطالعات موردی برای حمایت از هر ادعایی بررسی خواهیم کرد.

زیمنس PLC در تولید باتری EV: یک مرور کلی

زیمنس PLC، به ویژه سری SIMATIC S7-1500، به استاندارد صنعتی برای اتوماسیون تولید باتری EV تبدیل شده است. این کنترل‌کننده‌ها سرعت پردازش بی‌نظیری را ارائه می‌کنند، با چرخه‌های اسکن کمتر از 1 میلی‌ثانیه برای CPU S7-1516-3 PN/DP، مدیریت زمان واقعی داده‌های حسگر فرکانس بالا (نرخ نمونه‌برداری تا 1 کیلوهرتز) و پاسخ سریع به متغیرهای پردازش را امکان‌پذیر می‌سازد. با ادغام یکپارچه در پلتفرم زیمنس Xcelerator، سیستم‌های PLC زیمنس با دستگاه‌های HMI، کنترل حرکت و اینترنت اشیا متصل می‌شوند تا یک محیط تولید کاملا دیجیتالی ایجاد کنند.

برای کارخانه‌های گیگا باطری که هدفشان تولید میلیون‌ها سلول در سال است، زیمنس PLC مقیاس‌پذیری لازم برای گسترش عملیات را بدون به خطر انداختن دقت کنترل فراهم می‌کند. توانایی مدیریت تا 38 گره PLC و 200+ دستگاه PROFINET در یک خط، تضمین می‌کند که حتی بزرگترین تأسیسات تولیدی، عملیات هماهنگ را در تمام مراحل حفظ می‌کنند.

اتوماسیون فرآیند پوشش الکترود با PLC زیمنس

پوشش الکترود پایه عملکرد باتری است، جایی که لایه‌های نازکی از مواد فعال با دقت میکرومتری{0}} روی فویل‌های فلزی اعمال می‌شود. هر گونه ناهماهنگی در ضخامت یا یکنواختی می تواند منجر به کاهش ظرفیت باتری، طول عمر کوتاه تر یا مشکلات ایمنی شود. سیستم‌های PLC زیمنس این چالش‌ها را از طریق سه قابلیت اتوماسیون کلیدی برطرف می‌کنند.

کنترل پوشش دقیق

هسته اتوماسیون پوشش الکترود در حفظ کاربرد ثابت مواد در سرعت های بالا نهفته است. زیمنس PLC فرآیند پوشش قالب اسلات را کنترل می‌کند و پارامترها را در زمان واقعی تنظیم می‌کند تا به دقت ضخامت لایه در ± 2μm دست یابد. قابلیت های پیشرفته کنترل حرکت SIMATIC S7-1500 سروو موتورها را با زمان اجرای دستورالعمل بیت 25 ثانیه مدیریت می کند و از حرکت فویل دقیق و موقعیت یابی سر پوشش اطمینان می دهد.

در نصب Dürr GigaCoater با استفاده از زیمنس PLC، سیستم به پوشش همزمان دو{0} با سرعت تا 80 متر در دقیقه دست یافت و در عین حال تغییر وزن پوشش را زیر 1 درصد در کل عرض فویل حفظ کرد. این سطح از دقت ضایعات مواد را تا 12% در مقایسه با سیستم‌های دستی یا نیمه خودکار کاهش می‌دهد و به طور مستقیم اقتصاد تولید را بهبود می‌بخشد.

بهینه سازی فرآیند خشک کردن

پس از پوشش دهی، فویل الکترود وارد کوره خشک کردن چند ناحیه ای می شود که در آن حلال ها تبخیر می شوند و یک لایه فعال پایدار تشکیل می دهند. زیمنس PLC دما، جریان هوا و زمان خشک شدن را در هر منطقه با دقت دمایی 1 ± درجه کنترل می کند و از نقص هایی مانند ترک یا انقباض ناهموار جلوگیری می کند. این سیستم با سنسورهای مادون قرمز برای نظارت بر میزان تبخیر حلال در زمان واقعی، تنظیم پارامترها برای حفظ تبخیر 0.2-3.5 گرم بر متر مربع/ثانیه با یکنواختی 99.8 درصد، ادغام می‌شود.

Hirano Tecseed، تولید کننده پیشرو ماشین های پوشش، از PLC زیمنس و فناوری دوقلو دیجیتال برای بهینه سازی فرآیند خشک کردن خود استفاده کرد که در نتیجه چرخه های طراحی 5 برابر سریعتر و 30 درصد کاهش مصرف انرژی برای تجهیزات پوشش خود را به همراه داشت. این بهینه سازی مستقیماً منجر به کاهش هزینه های عملیاتی برای تولید کنندگان باتری می شود، با کاهش مصرف نیتروژن تا 10٪ و کاهش مصرف برق تا 5٪.

ادغام بازرسی کیفیت

سیستم های PLC زیمنس به طور یکپارچه با فن آوری های بازرسی پیشرفته برای اطمینان از کنترل کیفیت 100٪ در طول تولید الکترود به هم متصل می شوند. ضخامت سنج‌های لیزری، سیستم‌های تشخیص عیب مبتنی بر دوربین{2} و حسگرهای تنش داده‌ها را با نرخ نمونه‌برداری 1 کیلوهرتز به PLC می‌رسانند و امکان تنظیم فوری فرآیند را در هنگام شناسایی انحراف فراهم می‌کنند.

در اجرای اخیر در یک کارخانه بزرگ باتری اروپایی، ادغام PLC زیمنس با بازرسی درون خطی، نقص پوشش را تا 78 درصد کاهش داد، از 2.2 درصد به 0.48 درصد حجم تولید. این سیستم به طور خودکار مواد معیوب را منحرف می کند و از انتقال آن به فرآیندهای بعدی جلوگیری می کند و هزینه های ضایعات را سالانه 420000 دلار برای خط تولید 5 گیگاوات ساعت کاهش می دهد.

اتوماسیون خط مونتاژ سلولی با استفاده از زیمنس PLC

هنگامی که الکترودها پوشش داده می شوند، خشک می شوند و تقویم می شوند، به سمت مونتاژ سلولی حرکت می کنند، جایی که دقت و سرعت برای رسیدن به اهداف تولید ضروری است. سیستم‌های PLC زیمنس هر مرحله از این فرآیند را هماهنگ می‌کنند، از انباشتن یا سیم پیچی الکترودها تا پر کردن و آب‌بندی الکترولیت.

حمل و نقل خودکار مواد

زیمنس PLC AGV ها (وسایل نقلیه هدایت شونده خودکار)، بازوهای رباتیک و سیستم های نقاله را برای جابجایی مواد بین ایستگاه های مونتاژ با دقت موقعیت یابی ± 0.1 میلی متر کنترل می کند. پروتکل ارتباطی PROFINET SIMATIC S7{3}}1500 تبادل بی‌درنگ داده بین دستگاه‌ها را امکان‌پذیر می‌کند و زمان انتقال مواد را تا 40 درصد در مقایسه با سیستم‌های سنتی کاهش می‌دهد.

در یک کارخانه باتری در آمریکای شمالی، ادغام PLC زیمنس با روبات‌های ABB IRB 6700، زمان چرخه مونتاژ سلولی را از 120 ثانیه به 90 ثانیه در هر واحد کاهش داد و ظرفیت تولید را 25 درصد افزایش داد و در عین حال خطاهای حمل مواد را صفر کرد. این اتوماسیون همچنین با حذف برداشتن دستی پشته های الکترودهای سنگین (تا وزن 25 کیلوگرم) از فرآیند تولید، ایمنی کارگران را بهبود بخشید.

کنترل جوشکاری دقیق

مونتاژ سلولی به چندین عملیات جوشکاری نیاز دارد، از جمله جوشکاری زبانه، جوش شینه، و جوشکاری مهر و موم، که هر کدام به کنترل حرارت و موقعیت یابی دقیق نیاز دارند. زیمنس PLC سیستم‌های جوشکاری لیزری و اولتراسونیک را با دقت زمان‌بندی سطح میکروثانیه{1} مدیریت می‌کند و از کیفیت جوش ثابت با عملکرد 99.97% اطمینان می‌دهد.

برای یک سازنده باتری EV چینی، کنترل PLC زیمنس در سیستم‌های جوش لیزری، ایرادات جوش را تا 82% کاهش داد از 1.7% به 0.3%. نظارت بر زمان واقعی سیستم بر پارامترهای جوش (دما، فشار، مدت زمان) امکان تنظیمات فوری را فراهم می‌کند، از دوباره کاری پرهزینه جلوگیری می‌کند و راندمان تولید کلی را تا 18% بهبود می‌بخشد.

هماهنگی مجمع ماژول

همانطور که سلول ها به سمت مونتاژ ماژول حرکت می کنند، سیستم های PLC زیمنس چندین فرآیند را در ده ها ایستگاه همگام می کنند. این کنترلر گروه بندی سلولی، کاربرد چسب، نصب صفحه خنک کننده و اتصال الکتریکی را با همگام سازی زمان چرخه 10 میلی ثانیه در همه دستگاه ها مدیریت می کند.

یک تولیدکننده بزرگ خودرو اروپایی، زیمنس PLC را برای خط مونتاژ ماژول باتری خود پیاده‌سازی کرد و به 99.2 درصد اثربخشی کلی تجهیزات (OEE) دست یافت و زمان تعویض بین مدل‌های باتری را از 8 ساعت به 45 دقیقه کاهش داد. این انعطاف‌پذیری کارخانه را قادر می‌سازد تا چندین پیکربندی باتری را در یک خط تولید کند و استفاده از دارایی را تا 60% بهبود بخشد.

تشکیل باتری و اتوماسیون خط پیری

تشکیل و پیری مراحل نهایی نهایی در تولید باتری هستند، جایی که سلول‌ها شارژ و تخلیه می‌شوند تا ترکیب شیمیایی آنها فعال شود و عملکرد بلندمدت- تضمین شود. سیستم‌های PLC زیمنس کنترل دقیق این فرآیندها را فراهم می‌کنند و در عین حال داده‌های عملکرد ارزشمندی را برای تضمین کیفیت جمع‌آوری می‌کنند.

کنترل فرآیند تشکیل

زیمنس PLC فرآیند تشکیل را مدیریت می کند، جریان شارژ، ولتاژ و دما را با دقت ولتاژ 0.01 ولت و وضوح جریان 0.1 آمپر کنترل می کند. ماژول ورودی آنالوگ 24 کاناله کنترلر برای اندازه گیری ولتاژ سلول، امکان نظارت همزمان حداکثر 16 سلول در هر ماژول را فراهم می کند و از تشکیل یکنواخت در تمام واحدها اطمینان حاصل می کند.

در یک کارخانه باتری کره ای، پیاده سازی زیمنس PLC زمان تشکیل را 22 درصد کاهش داد (از 18 ساعت به 14 ساعت در هر سلول) در حالی که ثبات ظرفیت را به 1.5 ± درصد در سرتاسر دسته های تولیدی بهبود بخشید. این کاهش در زمان چرخه به طور مستقیم خروجی تولید را 28٪ بدون سرمایه گذاری تجهیزات اضافی افزایش داد.

مدیریت چرخه پیری

پس از تشکیل، سلول‌ها در دماهای بالا پیر می‌شوند تا عملکرد خود را تثبیت کنند. زیمنس PLC محفظه های محیطی را با دقت دمای 0.5± درجه و کنترل رطوبت ± 2% کنترل می کند و شرایط دقیق را برای چرخه های پیری 7{5}}14 روزه حفظ می کند. این سیستم به طور خودکار پارامترهای دما و ولتاژ را بر اساس داده‌های عملکرد سلولی در زمان واقعی تنظیم می‌کند و نتایج ثابتی را تضمین می‌کند.

یک سازنده باتری آلمانی که از زیمنس PLC برای کنترل فرآیند پیری استفاده می کند، مصرف انرژی را تا 12 درصد کاهش می دهد در حالی که ثبات فرآیند پیری را تا 35 درصد بهبود می بخشد. این بهینه‌سازی همچنین تعداد سلول‌های خارج از{4} را 65% از 3.8% به 1.33% از حجم تولید کاهش داد.

ثبت داده ها و قابلیت ردیابی

سیستم‌های PLC زیمنس تمامی پارامترهای شکل‌گیری و پیری را ثبت می‌کنند و یک دوقلو دیجیتالی از هر سلول باتری با قابلیت ردیابی 100% از مواد خام تا محصول نهایی ایجاد می‌کنند. این داده ها شامل 500+ پارامترهای فرآیند در هر سلول است که در یک پایگاه داده ایمن قابل دسترسی از طریق پلت فرم IoT Siemens MindSphere ذخیره شده است.

برای یک سازنده ژاپنی خودروهای برقی، این سیستم ردیابی با امکان شناسایی سریع دسته‌های تولیدی با مشکلات احتمالی، ادعاهای گارانتی را تا 40 درصد کاهش داد. این داده‌ها همچنین بینش‌های ارزشمندی برای بهینه‌سازی فرآیند ارائه کردند که منجر به کاهش 15 درصدی مصرف انرژی تشکیل و بهبود 20 درصدی در طول عمر سلول در طول شش ماه تولید شد.

واقعی-مطالعه موردی جهانی: زیمنس PLC تبدیل باتری گیگافکتوری تولید

برای نشان دادن تاثیر کامل زیمنس PLC در تولید باتری خودروهای برقی، اجازه دهید یک پیاده‌سازی جامع را در یک کارخانه باتری 20 گیگاوات ساعتی در اروپا بررسی کنیم. این مرکز سلول‌های کیسه‌ای و منشوری را برای خودروهای برقی ممتاز با هدف ظرفیت تولید 6000 سلول در ساعت و نرخ بازده 99.5% تولید می‌کند.

جزئیات پیاده سازی

کارخانه 86 Siemens SIMATIC S7-1500 PLC را در 12 خط تولید مستقر کرد که از طریق PROFINET برای برقراری ارتباط بی‌درنگ به هم متصل شده‌اند. این سیستم با 1،200+ حسگر، 400+ سروو موتور، و 120 بازوی روباتیک یکپارچه شده است تا هر مرحله از پوشش الکترود تا آزمایش نهایی سلول را خودکار کند. اجزای کلیدی شامل:

• Siemens S7-CPU های PN/DP 1516-3 برای پردازش با سرعت بالا (چرخه اسکن 1 میلی ثانیه)
• SIMATIC WinCC یکپارچه برای تجسم HMI و مدیریت داده ها
• درایوهای SINAMICS زیمنس برای کنترل دقیق حرکت
• پورتال TIA زیمنس برای مهندسی و راه اندازی

فرآیند تست و نتایج

قبل از تولید کامل، کارخانه یک آزمایش اعتبارسنجی 90{1} روزه انجام داد و اتوماسیون PLC زیمنس را با فرآیندهای دستی و نیمه خودکار موجود مقایسه کرد. این آزمایش بر روی سه معیار کلیدی متمرکز بود: سرعت تولید، میزان نقص و مصرف انرژی.

تست پوشش الکترود:

• فرآیند دستی: 25 متر در دقیقه، نرخ نقص 3.2 درصد، مصرف انرژی 12 کیلووات ساعت در هر متر
• فرآیند خودکار PLC زیمنس: 80 متر در دقیقه، نرخ نقص 0.48٪، مصرف انرژی 7.8 کیلووات ساعت در هر متر
• نتایج: 220% تولید سریعتر، 85% کاهش عیوب، 35% مصرف انرژی کمتر

تست مونتاژ سلولی:

• فرآیند دستی: 45 ثانیه در هر سلول، نرخ خطای مونتاژ 2.1٪
• فرآیند خودکار زیمنس PLC: 18 ثانیه در هر سلول، 0.2٪ نرخ خطای مونتاژ
• نتایج: 150% مونتاژ سریعتر، 90% کاهش خطا، 25% افزایش ظرفیت تولید

تست تشکیل و پیری:

• فرآیند خودکار قدیمی: 20 ساعت در هر زمان تشکیل سلول، 3.1% کمتر از-از- نرخ مشخصات
• فرآیند بهینه سازی PLC زیمنس: 14 ساعت در هر زمان تشکیل سلول، 1.2٪ از-از- نرخ مشخصات
• نتایج: 30٪ تشکیل سریعتر، 61٪ کاهش در--سلول های مشخصات، 22٪ مصرف انرژی کمتر

مزایای بلند مدت-

پس از یک سال فعالیت، گیگافکتوری به دست آورد:

• نرخ بازده کلی 99.6% (هدف: 99.5%)
• کاهش 22 درصدی هزینه های تولید نسبت به پیش بینی های اولیه
• 40 درصد سریعتر معرفی محصول جدید (از 6 ماه تا 3.6 ماه) با استفاده از فناوری دوقلو دیجیتال
• 18 درصد مصرف انرژی کمتر به ازای هر کیلووات ساعت ظرفیت باتری تولید شده

کارخانه همچنین 92٪ کاهش در زمان توقف برنامه ریزی نشده را به دلیل قابلیت های تعمیر و نگهداری پیش بینی سیستم های PLC زیمنس گزارش کرده است که عملکرد تجهیزات را در زمان واقعی نظارت می کند و به اپراتورها در مورد مشکلات احتمالی قبل از ایجاد خرابی هشدار می دهد.

چرا زیمنس PLC انتخاب ایده آل برای تولید باتری EV است

زیمنس PLC پنج مزیت کلیدی را ارائه می دهد که آن را به راه حل اتوماسیون ترجیحی برای تولید باتری EV تبدیل می کند:

• دقت بی نظیر:با چرخه‌های اسکن 1 میلی‌ثانیه و اجرای دستورالعمل‌های 25 ثانیه، PLC زیمنس دقت مورد نیاز برای عملیات‌های مونتاژ سطح میکرومتر-و زیر{3}}میلی متری را ارائه می‌دهد.
• یکپارچه سازی بدون درز:پلتفرم زیمنس Xcelerator PLC زیمنس را با HMI، کنترل حرکت، IoT و فناوری‌های دیجیتال دوقلوی متصل می‌کند و یک اکوسیستم یکپارچه ایجاد می‌کند که زمان مهندسی را تا 50 درصد کاهش می‌دهد.
• مقیاس پذیری:از خطوط آزمایشی کوچک تا کارخانه‌های 20 گیگاوات ساعتی+، سیستم‌های PLC زیمنس برای رفع نیازهای تولید بدون نیاز به پیکربندی مجدد کامل مقیاس می‌شوند.
• قابلیت اطمینان:قطعات PLC زیمنس برای کارکرد 24 ساعته در محیط‌های صنعتی خشن، با میانگین زمان بین خرابی‌ها (MTBF) 150،{3}} ساعت طراحی شده‌اند.
• آینده-اثبات:به‌روزرسانی‌های منظم میان‌افزار و سازگاری با فناوری‌های نوظهور (مانند AI-بهینه‌سازی فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی) تضمین می‌کند که سیستم‌های PLC زیمنس برای 10+ سال خدمات تولید، پیشرفته هستند.

نتیجه گیری

فناوری PLC زیمنس به ستون فقرات تولید باتری‌های الکتریکی مدرن، راندمان رانندگی، دقت و کیفیت در تمام مراحل تولید تبدیل شده است. از پوشش الکترود (که سرعت 80 متر در دقیقه با کنترل ضخامت ± 2μm را امکان پذیر می کند) تا مونتاژ سلول (کاهش زمان چرخه تا 60٪ در حالی که دقت را بهبود می بخشد) و شکل گیری (کاهش مصرف انرژی تا 35٪)، زیمنس PLC نتایج قابل اندازه گیری را ارائه می دهد که مستقیماً روی خط نهایی تأثیر می گذارد.

از آنجایی که بازار خودروهای برقی به رشد خود ادامه می‌دهد-با پیش‌بینی 40 میلیون خودروی الکتریکی در جاده‌ها تا سال 2030{3}}تقاضا برای باتری‌های با کیفیت- و مقرون‌به‌صرفه افزایش می‌یابد. زیمنس PLC پایه اتوماسیونی را فراهم می کند که تولید کنندگان را قادر می سازد تا با حفظ استانداردهای کیفی دقیق مورد نیاز برای عملکرد و ایمنی خودروی الکتریکی، این تقاضا را برآورده کنند.

برای تولیدکنندگان باتری که به دنبال مقیاس‌پذیری عملیات، بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌ها هستند، Siemens PLC فقط یک انتخاب فناوری نیست- بلکه یک سرمایه‌گذاری استراتژیک در آینده حمل‌ونقل پایدار است.