Die Photovoltaik-Industrie hat sich in den letzten Jahren zu einer Branche entwickelt, deren Produktionskapazität dem Charakter und Volumen einer Massenproduktion entspricht. Kostenreduzierungen rücken in den Fokus. An diesen neuen Anforderungen muss auch die eingesetzte Automatisierungstechnologie ausgerichtet werden. Hierbei kommen APC-Technologien immer größere Bedeutungen zu. Sie erlauben es, die Qualität der Prozesse zu optimieren und die Ressourcen effektiver zu nutzen. Die APC-Technologie befindet sich in der Photovoltaik noch in ihren Anfängen. Deshalb ist es durchaus sinnvoll, einen Blick auf Branchen zu werfen, in denen sich diese Technologien schon erfolgreich etabliert haben, insbesondere bietet sich dafür die Halbleiterindustrie an. Hier finden wir teilweise identische Materialien und ähnliche Produktionsprozesse. Oft treffen wir sogar auf dieselben Maschinenhersteller. Bei der Einführung und Anwendung von APC geht es vor allem auch darum, sich kritisch mit dem Thema noch fehlender standardisierter Lösungen auseinander zu setzen. Einer verbesserten, systematischen und automatisierten Auswertbarkeit von sehr großen Datenmengen zur Prozesskontrolle, wie sie in der Gigawatt-Fertigung der PV-Industrie tagtäglich anfallen, stellt hierbei eine wesentliche Herausforderung dar.
* AIS Automation Dresden
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EES-Architekturen als Grundlage für APC
Prozessingenieure stehen vor der Aufgabe, akute Probleme an Maschinen und Anlagen zu untersuchen bzw. die Produktion zu optimieren. Dazu benötigen sie Informationen über Anlagen- und Prozessparameter. Umfangreiche Datenanalysen und Konfigurationen sind hierfür notwendig. Bei starren FAB-weiten Framework-Architekturen sind IT-Experten nun intensiv und häufig in sehr langwierigen Prozessen beschäftigt, um dem Prozessingenieur die notwendigen Analyseergebnisse bereitstellen zu können. Daraus leiteten sich der Anspruch und die Notwendigkeit ab, ein Framework zu entwickeln, welches dem Prozessingenieur ermöglicht, selbständig, flexibel und schnell agieren zu können.
Anforderungen an Datenmanagement-Konzepte
Um die Einsatzmöglichkeit von APC-Technologien in der Photovoltaik bewerten zu können, ist eine umfangreiche und intensive Analyse der vorhandenen Produktionsprozesse notwendig. Ziel soll es sein, die für einzelne Prozesse analysierten und entwickelten APC-Algorithmen in einer Bibliothek zu integrieren und ein Framework zu entwickeln, mit dessen Hilfe man diese Algorithmen mit geringem Anpassungsaufwand produktiv einsetzen kann. Bisher ist das Level der Automatisierung in der Photovoltaik eher als moderat zu betrachten. Es ist z. B. noch recht unüblich, über FAB-weite MES-Systeme die Produktion durchgängig zu steuern. Oft beschränkt sich die Integration der Anlagen darauf, Prozesswerte für spätere Analysen zu sammeln. Auch Industriestandards zur Equipment-Integration, wie man sie beispielsweise aus der Halbleiterindustrie kennt, haben sich noch nicht in voller Breite ausgebildet. Gerade der Einsatz leistungsfähiger Interface- und Framework-Konzepte bildet aber eine wichtige Grundlage zur Prozessoptimierung. Solche Konzepte müssen durch eine hohe Flexibilität und Skalierbarkeit des Prozessdatenhandlings charakterisiert sein.AIS Automation Dresden hat ein Framework entwickelt, welches die vorgenannten Konzepte beachtet und somit zur Lösung der identifizierten Anforderungen eingesetzt werden kann.
Architektur des Frameworks
Für eine effiziente datentechnische Maschinenintegration kommen erprobte und international standardisierte, hochleistungsfähige Schnittstellen wie InterfaceA/SECS/GEM zur Anwendung. Zur Verarbeitung dieser Daten werden verschiedene Module zu Verfügung gestellt, die es ermöglichen Daten zu archivieren, einen APC-Reglungskreis zu implementieren oder Software von Drittherstellern zu koppeln. Das Framework stellt Schnittstellen zur Anbindung wichtiger Equipment Engineering Systeme (EES) wie ERP, SPC oder Date Mining sowie eine APC-Library zur Verfügung und ermöglicht eine nahtlose Integration in die Produktions-IT des jeweiligen Kunden. Es wird somit zum integralen Bestandteil eines modernen EES-Systems
XML für variable Gestaltung interner Nachrichten
Im industriellen Alltag wechseln die Systemumgebungen sehr häufig. Somit ergeben sich ständig ändernde Anforderungen an ein Datenframework. Daher die Notwendigkeit, die statische Ablauflogik und Kommunikationsarchitektur basierend auf einer variablen Konfiguration zu gestalten. Dabei sind die Möglichkeiten zur Zusammenführung in sich geschachtelt und sollten relativ gelöst werden. Als besonders geeignet zur Abbildung solcher beliebigen semantischer Darstellungen von Kommunikationsprozessen haben sich XML-Technologien herauskristallisiert. Die Einheitlichkeit und die stets gleiche Darstellung der Informationen in XML machen eine Weiterverarbeitung in anderen Modulen trivial. Der aufwändigere Teil bei der Entwicklung eines Datenframeworks entfällt auf die Methodik der Datensammlung und -verarbeitung. Nach außen sehen Daten durch die XML-Darstellung stets gleich aus. Somit können funktional ähnliche Module des Frameworks beliebig und ohne große Aufwendungen ausgetauscht werden.
Die Module
Die Kernmodule des Frameworks sind VDFServer, VDFClient, der EDAClient, der CellController und das Archivist-Modul. Diese realisieren verschiedene Funktionalitäten und dienen u. a. zur Konfiguration des Datenroutings, zur Datenarchivierung (SQL- und Oracle-DB), Equipmentintegration (EDA, SECS/GEM) sowie zur Datenverarbeitung (On-Board-Module). Die Hauptkommunikation im Framework erfolgt über Nachrichtenübermittlung mit Hilfe der robusten, asynchronen Microsoft Message Queue Technologie (MSMQ). Dabei werden verschiedene Kommunikationskanäle genutzt. Das Framework wurde als verteilte Anwendung realisiert, d. h., der Anwender kann die Module innerhalb des Netzwerkes beliebig verteilen und die Struktur optimal an den Anwendungsfall anpassen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einzelne Komponenten auf mehrere Instanzen zu verteilen und somit eine optimale Auslastung der Ressourcen und gute Skalierbarkeit bei wachsenden Datenmengen herzustellen. Der Einsatz des Frameworks ist sehr vielseitig und kann je nach Anwendungsbedarf genau zugeschnitten werden. Bedeutende Anwendungsfälle stellen APC-Regelungen dar. Durch Integration von Data-Mining-Systemen werden mittels statistischer Analysen Korrelationen und Laufzeitabhängigkeiten zwischen Prozesswerten und Parametern ermittelt, deren gewonnene Erkenntnisse erlauben einen qualifizierten Reglerentwurf. Ein geschlossener Reglungskreis kann somit mit dem Framework implementiert werden. Die Adaption erfolgt dabei für den nächsten Prozessschritt (Feed Forward Loop) bzw. direkt während des Prozessierens (In-Situ Control).
Fazit
Das Framework bietet sowohl die Möglichkeit, auf schnelle und einfache Weise Daten zu erfassen als auch Daten für einen gewünschten Anwendungsfall weiter zu verarbeiten. Für den Anwender ergeben sich dadurch folgende Vorteile:
- Schnelle Analyse und Kontrolle der Maschinenparameter,
- hohe Maschinenleistung,
- optimale Unterstützung der Prozessingenieure,
- flexible und skalierbare Architektur,
- offen für Erweiterung durch Dritthersteller.
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