Solarzellen brauchen Sicherheit PC-basierte Sicherheitssteuerung zur Optimierung von Maschinen für die Solarzellenproduktion

Nach eigenen Schätzungen der Singulus Technologies AG wurden mehr als die Hälfte aller CDs und DVDs sowie über ein Drittel aller Blu-ray-Discs weltweit auf Singulus-Anlagen gefertigt. Das Technologieunternehmen mit rund 460 Mitarbeitern weltweit und Sitz in Kahl am Main bei Aschaffenburg zählt zu den weltweit bekannten Adressen, wenn es darum geht, Hightech-Scheiben in hoher Qualität mit möglichst kurzen Taktzeiten zu produzieren. Was lag somit für den Aufbau eines weiteren Standbeins im Konzern näher, als Maschinen für die Produktion von Solarzellen zu entwickeln und zu bauen, in denen filigrane Wafer in hohen Stückzahlen prozessiert werden. Im Jahr 2007 hatte sich dann das Unternehmen dazu entschieden, in den Solarmarkt einzusteigen, gerade zwei Jahre nach diesem Entschluss wurden bereits die ersten Singular-Maschinen ausgeliefert. Mit Durchsatzleistungen von bis zu 1.500 Wafern pro Stunde erfüllen sie die hohen Qualitäts- und Mengenansprüche der Solarbranche. Singular-Produktmanager Dr. Björn Roos betont: \“Einen entscheidenden Einfluss auf die Durchsatzleistung, die Wirtschaftlichkeit und die Betriebssicherheit solcher Maschinen hat die optimale Abstimmung von Prozesstechnik und Automatisierung.\“ Kompakte PC-basierte Einheit spart Platz in der Maschine Bei der plasmaunterstützten Antireflexbeschichtung von Solarzellen mit einer Taktrate von wenigen Sekunden und Werkstückstärken von nur wenigen Zehntelmillimetern (200µm) ist jede noch so kleine Störquelle ein Risiko. \“Aus diesem Grund spielt für uns neben der feinen Abstimmung der Automatisierung vor allem auch eine schnell reagierende Sicherheitstechnik eine bedeutende Rolle\“, ergänzt Dipl.-Ing. Edgar Rüth, Leiter der Elektrotechnik bei Singulus. Aus diesem Grund entschieden sich die Verantwortlichen bei der Maschinensteuerung für einen Industrie-PC Simatic IPC847C von Siemens im 19\“-Rack-Format. Denn er ist nicht nur schnell, sondern auch robust und flexibel erweiterbar konstruiert. So kann er individuell an die gestellten – oder sich ändernden – Anforderungen angepasst werden. In Kombination mit dem fehlersicheren Software-Controller Simatic WinAC RTX F bildet das Gerät eine kompakte Einheit mit hoher Funktionalität, wie Dr. Björn Roos bestätigt: \“Diese Gesamtlösung erweist sich als besonders wirtschaftlich und spart uns zudem eine Menge Platz in der Maschine.\“ Mit nur vier Höheneinheiten (HE) lässt sich der IPC847C sehr einfach in die Maschine integrieren. Einen zusätzlichen Schaltschrank für die Elektrotechnik gibt es somit nicht. Dr. Björn Roos erklärt: \“Unsere Beschichtungsmaschinen sind sehr kompakt und modular aufgebaut, sodass mehrere Einheiten innerhalb einer Produktionslinie platziert werden können. Auf nur 40m² Grundfläche können sogar zwei Singular aufgestellt werden.\“ Motion-Control-Achsen einfach einbinden Aus den Wafer-Rohlingen entstehen in nur sieben Schritten die Solarzellen. Aufgrund der äußerst anspruchsvollen Handhabung der extrem dünnen Scheiben kommt der Programmierung der Motion-Control-Antriebe eine hohe Bedeutung zu. Auch hier erwies sich die Leistungsfähigkeit der IPC847C mit den besonders schnellen Prozessoren Intel Core i7 als geeignete Hardware-Plattform. \“Sehr praxisorientiert ist diese Lösung auch aufgrund der einfachen Integration zusätzlicher Steuerungselemente\“, betont Edgar Rüth. Für die 27 Motion-Control-Achsen in der Singular-Maschine gibt es eine eigene PC-Karte, die 32 Achsen regeln kann. Obwohl hier eine ausreicht, finden bis zu 7 PCI-Karten und 4 PCI-Express-Karten Platz. Weiterhin hat sich die Flexibilität beim Anschluss externer Geräte als Vorteil herausgestellt, weil sowohl Profibus als auch Profinet unterstützt wird. \“Dadurch lässt sich eine Vielzahl von Komponenten und Subsystemen sehr einfach integrieren und wir können uns deshalb das Beste auswählen, was es am Markt gibt\“, betont Dr. Björn Roos. Bei der Steuerung hat das Unternehmen diese Möglichkeit schließlich auch genutzt, wie die beiden Experten bestätigen: \“Im Vergleich zur Kombination aus Industrie-PC und ultraschnellem Software-Controller mit integrierter Sicherheitstechnik gibt es derzeit nichts Vergleichbares am Markt.\“ Zum Hintergrund: Die Beschichtungsprozesse bei den Solar-Wafern basieren auf dem sogenannten PECVD1-Verfahren. Hierbei müssen z.B. u.a. giftige und zugleich explosive Gase in extrem kurzen Zyklen in die Produktionskammern eingeleitet, gezündet und nach kurzer, stabiler Brenndauer sofort wieder abgesaugt werden. Dr. Björn Roos und Edgar Rüth sind sich einig: \“Die Kunst besteht darin, solche Kurzzeittakt-Prozesse stabil zu bekommen.\“ Fehlersicherheit mit dem Industrie-PC erhöht die Wirtschaftlichkeit Diese technischen Randbedingungen machen die Forderung nach reproduzierbaren Vorgängen verständlich, denn jede Unterbrechung hat einen Produktionsausfall und hohe Kosten zur Folge. Aber nicht nur das: Die Sicherheitstechnik spielt hier deshalb eine so herausragende Rolle, weil durch Prozessfehler kritische und gefährliche Zustände entstehen können. Zum einen müssen die Gase jederzeit isoliert und \’verriegelt\‘ sein, zum anderen die Leitungen vom Plasma frei gespült. Während bei Not-Halt über Taster, Lichtschranken etc. üblicherweise Schaltzeiten von etwa 50ms ausreichen, sind hier nur erheblich kürzere Reaktionszeiten tolerierbar. Der Hersteller setzte in den Solarzellen-Beschichtungsmaschinen erster Generation neben einer Standard-SPS Simatic eine eigene Hardware-Steuerung für die Sicherheitstechnik ein. Diese zusätzliche Hardware konnte nun bei den jüngeren Maschinen eingespart werden. Je nach Größe des Standardprogramms, welches auf dem Industrie-PC läuft, lassen sich Safety-Ausschaltzeiten von etwa 20ms realisieren. \“Das Handling und die Programmierung bleibt indes auf der gleichen Plattform, nämlich Step7 und Safety Integrated\“, freut sich Edgar Rüth. Der Umstieg gestaltete sich sehr einfach: Lediglich zwei Stunden waren erforderlich, um die Hardwarekonfiguration von der früheren Simatic-Lösung auf die nun verwendete Gesamtlösung \’IPC847C mit fehlersicherer WinAC RTX F\‘ umzustellen und um die entsprechenden Anpassungen an die Sicherheitstechnik vorzunehmen. Die komplette Umstellung – inklusive Verdrahtung und Anpassung der Standardautomatisierung – dauerte knapp zwei Arbeitstage. \“Die Vorteile hinsichtlich Platzbedarf, Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit sind indes bedeutend\“, versichert Dr. Björn Roos. Aufgrund der Durchgängigkeit des Systems sind die einzelnen Komponenten stets aufeinander abgestimmt. Der Kunde profitiert weiterhin von der Flexibilität, verschiedene Controller-Plattformen bis hin zur PC-basierten Steuerung mit nur einem Engineering-System zu programmieren. So entschieden sich die Verantwortlichen bei der Signalerfassung z.B. für die dezentrale Peripherie Simatic ET200S. Diese modular aufgebauten Stationen werden über Profibus an den Industrie-PC angeschlossen. Der große Vorteil dabei ist, dass die E/A-Karten für Standardsignale und für sicherheitsrelevante Signale frei kombiniert werden können. \“Das gibt uns viel Gestaltungsfreiheit, ohne dass der Engineering-Aufwand steigt\“, weiß Edgar Rüth. Offene Schnittstellen für einfache Systemintegration Auch das Einbinden unterschiedlicher Systeme wie Bildverarbeitung, Messwerterfassung o.ä. ist über die Software-Schnittstelle WinAC Open Development Kit (ODK) entsprechend einfach. ODK erlaubt die flexible Nutzung aller Ressourcen des PCs aus dem Steuerungsprogramm heraus, um so die SPS-Funktionalität hochperformant zu erweitern. Besonders interessant ist dieses Software-Werkzeug für die Singulus-Experten auch deshalb, weil es einen wirksamen Kopierschutz gewährleistet. Edgar Rüth erklärt: \“Sonst bestünde die Gefahr, dass unser Serviceprogramm, das alle Funktionen – auch älterer Maschinen – komplett abdeckt, unkontrolliert verwendet werden könnte.\“ Nachhaltigkeit und eine hohe Betriebssicherheit dieser integrierten, PC-basierten Steuerungslösung waren ebenfalls wichtige Eckpunkte. Für die Programm- und Prozessdatensicherung gibt es z.B. RAID-Controller. Datenverlust wird mithilfe redundant ausgelegter Netzteile verhindert, die sogar im laufenden Betrieb gewechselt werden können. Die Simatic-PC-basierte Automatisierung bietet weiterhin eine komfortable Einbindung der Schnittstelle SEMI PV22, über die kontinuierlich Prozessdaten mit einem übergeordneten Maschinendaten-Erfassungssystem (MES) beim Solarzellenproduzenten ausgetauscht werden. \“Die störungsfreie Produktion und eine dokumentierbare Qualitätskontrolle sind in dieser Branche viel diskutierte Themen, für die wir gerne entsprechende Antworten liefern\“, begründet Dr. Björn Roos. Das Gesamtkonzept unterstreicht die Nachhaltigkeit