Befüllen der Kokillen: Das hochreine Silizium wird in eine beschichtete Kokille aus hochreinem Quarzgut gegeben.

© SolarWorld

In der 300 Meter langen Werkshalle entstehen über vier Produktionsschritte aus dem Rohstoff Solarsilizium die 0,2 mm dünnen Wafer – die Rohlinge der späteren Solarzellen. Dafür wird das hochreine Silizium zunächst in einen beschichteten Behälter aus hochreinem Quarzgut (Kokille) gefüllt und bei Temperaturen von über 1400 °C rund 20 Stunden lang geschmolzen. Im Anschluss daran folgt die Kristallisation, das heißt, die Silizium-Schmelze erstarrt in einem definierten Abkühlungsprozess zu einem polykristallinen Block. Dieser Prozess erstreckt sich über etwa drei Tage. Danach wird der ausgekühlte Siliziumblock in einem über einige Stunden währenden Sägeverfahren mit Hilfe eines Drahtnetzes in gleichgroße quadratische Säulen zerteilt. Nach gründlicher Reinigung und Trocknung zerschneidet eine Drahtsäge die Siliziumsäulen schließlich in die 156 mm × 156 mm großen Wafer-Scheiben, welche so dünn sind wie zwei menschliche Haare.

Die Kristallisation im Fokus

Blick in den Ofen: Die Aufschmelzung des Siliziums geschieht bei über 1400 °C. Danach erfolgt die ...

© SolarWorld

Letztendlich bestimmt das schwächste Glied der Kette – sprich die schwächste Solarzelle in einem Photovoltaik-Modul – die Leistung des Gesamtmoduls. Maßgebend für die spätere Effizienz der Solarzelle ist in erster Linie die angesprochene Kristallisation – sie ist quasi die „Geburtsstunde“ der Zelle. Mit anderen Worten: Die Eigenschaften der Wafer stehen und fallen mit der Rezeptur und der präzisen Steuerung der Kristallisationsöfen. Zudem ist es notwendig, dass dieser über mehrere Tage währende Prozess reibungslos abläuft. Fällt eine Komponente im System in dieser Zeit aus, so kommt es im schlimmsten Fall zum Verlust des gesamten Siliziumblockes.

In dem neuen Werk betreibt die Deutsche Solar über 70 Induktionsöfen, die im Mehrschichtbetrieb rund um die Uhr an sieben Tagen die Woche während des gesamten Jahres parallel laufen. Je Ofen übernimmt eine Siemens-Steuerung vom Typ S7-300 die individuelle Überwachung und Steuerung von Temperatur, Leistung, Druck und Kühlwasser. Zu wissen, welches Material und wie viel davon an welchem Ofen, mit welcher Rezeptur und durch welche weiteren Maschinen den Fertigungsprozess durchläuft, sind ausschlaggebende Informationen.

... Kristallisation, die vertikal gerichtete Erstarrung der Silizium-Schmelze zu einem polykristallinen Block – beginnend am Boden der Kokille.

© SolarWorld

Daher entschied sich die Deutsche Solar, ein Manufacturing Execution System – kurz MES – einzuführen, das als prozessnah operierendes Fertigungsmanagementsystem direkt an die Automatisierung angebunden ist, die Fertigung in Echtzeit überwacht und gleichzeitig eine Verbindung zur kommerziellen Auftragsbearbeitung im ERP-System – in diesem Fall Microsoft Dynamics NAV – herstellt. Marko Hajdu hierzu: „Wir möchten exakte Rückschlüsse ziehen können, aus welcher Charge über welche Maschinen ein Wafer entstanden ist.“ Dabei sind die Informationen aus dem MES nicht nur für die Ursachenforschung und die Justierung bezüglich der Qualität der Wafer wichtig, sondern spielen auch für die Auslastung und Instandhaltung der verschiedenen Maschinen und Anlagen sowie für das Management der Warenbestände eine große Rolle. So werden zum Beispiel Warenbestände automatisch im ERP-System je nach Rückmeldung aus der Fertigung gebucht.

Schnelle Reaktion ist entscheidend

Eine durchgängige Kommunikation über all die unterschiedlichen Schnittstellen der Anlagenkomponenten herzustellen, bringt jedoch einige Hürden mit sich. Um diese zu nehmen, arbeitet die Deutsche Solar mit Automatisierungsexperten wie AIS Automation Dresden und Deltalogic Automatisierungstechnik aus Schwäbisch Gmünd zusammen. Die eingesetzte MES-Lösung „FabEagle“ von AIS Automation ist als Client-Server-Architektur ausgelegt und basiert auf der objektorientierten Automatisierungsplattform „VAC Suite“ von AIS.

VAC bietet die Möglichkeit, Komponenten und Maschinen über viele standardisierte Prozessschnittstellen wie CAN-Bus, Industrial Ethernet und SEMI PV02 zu verknüpfen, jedoch gibt es immer noch zahlreiche Bereiche, die sich nicht so einfach einbinden lassen. So sind beispielsweise die Kristallisationsöfen nicht mit dem von SEMI Europe im Jahr 2009 definierten Standard-Interface zur Integration von Maschinen in der Photovoltaik-Industrie ausgestattet. Ein Nachrüsten ist aufwendig und in der Regel mit hohen Kosten verbunden. Zudem sind viele Lieferanten nicht in der Lage, bestimmte Standard-Interfaces zur Verfügung zu stellen.

Dabei stellt gerade der Kristallisationsprozess besondere Anforderungen. Denn tritt ein Fehler während der Kristallisation auf, hat der zuständige Ingenieur etwa 15 Minuten Zeit, um einzugreifen und den Siliziumblock zu retten. Um hier zeitnah verlässliche Informationen über die Prozesse in den vielen Kristallisationsöfen zu erhalten, werden alle wichtigen Prozessdaten wie Soll- und Istwerte der Öfen in der Leitwarte in Echtzeit visualisiert und für die spätere Auswertung protokolliert. Trends lassen sich somit frühzeitig erkennen und entsprechende Maßnahmen ergreifen. Dabei suchte die Deutsche Solar eine Lösung, die es erlaubt, für alle Öfen identische und vorkonfigurierte Komponenten bereit zu halten, die sich im Fehlerfall schnell austauschen lassen und keine aufwendige Programmierung oder Konfiguration erfordern, gleichzeitig aber eine individuelle Ansteuerung ermöglichen.

Je Ofen-Einheit gibt es einen Schaltschrank mit ...

© Deltalogic

Hier kommt die Firma Deltalogic ins Spiel, die sich auf die Kommunikation im Steuerungsbereich spezialisiert hat und sich dabei auf Hardware- und Softwareprodukte konzentriert, die das Siemens-Portfolio an Simatic S7- und S5-Steuerungen ergänzen. So ermöglicht es der Programmier- und Kommunikationsadapter „Accon-Netlink-Pro compact“ der Deutschen Solar, die Prozessdaten einfach und schnell aus den zahlreichen Siemens-Steuerungen in den Kristallisationsanlagen auszulesen und über die Ethernet-Schnittstelle dem MES-System zur Verfügung zu stellen. Viele Steuerungen sind heute immer noch nicht standardmäßig mit einer Ethernet-Schnittstelle ausgestattet. Wenn diese nachgerüstet werden soll oder – wie im Fall der Deutschen Solar – diese bereits anderweitig belegt ist und eine zusätzliche Schnittstelle benötigt wird, so fällt ein beträchtlicher Aufwand für die entsprechende Anpassung sowohl der Hardware- als auch der Software-Konfiguration an. Dies geht in der Regel auch mit einer Beeinträchtigung der Gewährleistung von Seiten des Steuerungsherstellers einher.

... dem Kommunikationsadapter Accon-NetLink-Pro compact, der die Ofensteuerung an das MES anbindet.

© Deltalogic

Mit Hilfe des Kommunikationsadapters Accon-NetLink-Pro compact hingegen entfallen alle Aufwände für einen Umbau. Bei der Deutschen Solar wird der Adapter direkt an die SPS über Profibus angebunden (möglich sind auch MPI und PPI) und das MES-System über Ethernet angeschlossen. Damit bietet der Adapter nicht nur einen technischen Vorteil, sondern er ist auch die weit kostengünstigere Variante.

„Ein wichtiger Vorteil dieser Lösung liegt für uns darin, dass wir jedem Adapter eine eigene IP-Adresse geben konnten und somit die Steuerungen für unsere Öfen individuell ansprechen können, während alle Anlagen an sich eine identische IP-Adresse haben“, erläutert Marko Hajdu. „Nicht nur im Fehlerfall, sondern auch für die Projektierung und Instandhaltung bringt dies eine enorme Erleichterung. Wir können alle Komponenten einfach vorkonfigurieren und haben im Reparaturfall die Möglichkeit, überall identische Systeme auszutauschen.“

Generell stellt der Accon-NetLink-Pro compact eine Schnittstelle zwischen dem Industrie-PC und der Welt der Siemens-S7-Steuerungen dar. So kann der Anwender über den Adapter zum Beispiel SPS-Programme ändern beziehungsweise schreiben oder Prozessdaten mit HMI-Geräten und „WinCC flexible“ visualisieren. Die Adapter unterstützen dabei alle gängigen Simatic Engineering Tools und auch das neue Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) von Siemens. Die Kommunikation mit der SPS ist über MPI, Profibus und PPI möglich, wobei die Geräte selbstständig die aktuellen Buseinstellungen erkennen. Da der Adapter über TCP/IP mit dem PC – oder hier dem MES – kommuniziert, eignet er sich außerdem zur Fernwartung der Steuerung über Einwahl-Router, Intranet und Internet (VPN). Bei der Deutschen Solar spielt das Thema Fernwartung jedoch keine Rolle. Für die Anwendung war hier vielmehr die TCP/IP-Kommunikation ausschlaggebend, so dass jede IP-Adress-Änderung ausschließlich im Accon-Netlink-Pro compact vorgenommen werden kann.

Die Geschäftsbeziehung zwischen Deltalogic und der Deutschen Solar besteht schon seit einigen Jahren. So kommt neben den rund 100 Kommunikationsadaptern auch Deltalogics Kommunikationsbibliothek Accon-AGLink zum Einsatz. Sie ermöglicht dem Anwender vom Industrie-PC aus den direkten Zugriff auf Steuerungen wie die alte S5 aber auch die neue S7-1200. Unabhängig von der Programmiersprache (MS-basiert, Java, Labview, Gcc/Linux und viele mehr) und dem Kommunikationsweg (S7-TCP/IP, Profibus, PPI, serielle Schnittstellen) können Anwender die Prozessdaten auf ihrem PC bequem auslesen und verarbeiten, um Aufgaben wie Steuern, Überwachen, Visualisieren und Archivieren zu erledigen. Auf diese Weise gewährleistet Accon-AGLink bei der Deutschen Solar im Bereich der Medienversorgung für den gesamten Fertigungsstandort einen reibungslosen Datenaustausch bei der Steuerung von allen wichtigen Medien wie Wasser, Strom, Druckluft und Argon im Werk.

Die Zusammenarbeit mit Deltalogic und AIS Automation hat die Deutsche Solar letztlich in der Lage versetzt, ihre Prozesse hinsichtlich Transparenz und Automation in der Waferfertigung weiter zu optimieren und somit die Qualität am Standort Freiberg zu maximieren.