Laserabtragsmaschine für die Solarzellenproduktion Bild © DR Laser

Laserabtragsmaschine für die Solarzellenproduktion (Bild: DR Laser)

Auf die Schnelle

Das Wesentliche in 20 Sek.

● Um den Produktionsdurchsatz der Laserabtragsmaschinen zu verdoppeln, muss die Steuerungsstruktur modernisiert und vereinfacht werden.

● Lösung: Einsatz von PC-based Control und EtherCAT-Karten anstelle spezieller Motion-Control-Karten.

● Mit dem EtherCAT-I/O-System können unterschiedlichste Peripheriegeräte und Subsysteme integriert werden.

● EtherCAT-Diagnosefunktionen reduzieren die Kosten für Anlagenaufbau und -wartung.

Die Wuhan DR Laser Technology Co., Ltd (DR Laser), in der Wuhan East Lake High-Tech Development Zone, konzentriert sich auf die Anwendung von Laseranlagen und -technologien für die Solarzellenproduktion. Um den Produktionsdurchsatz der Laserabtragsmaschinen zu verdoppeln, wurde die Steuerungsstruktur modernisiert und vereinfacht. Erreicht wurde dies durch den Einsatz von PC-based Control und EtherCAT-Karten anstelle spezieller Motion-Control-Karten.

Die Laserabtragsmaschinen dienen der Ablation (Abtrag) der kristallinen dielektrischen Passivierungsschicht auf der Rückseite von PERC-Solarzellen (Passivated Emitter Rear Contact). Bei diesen Zellen wird im Vergleich zum konventionellen Prozess das Aluminium nicht direkt auf der Rückseite des Siliziumwafers abgeschieden, sondern die dielektrische AL2O3/SiN-Schicht selektiv per Laser geöffnet. Dadurch können die Metallkontaktfläche auf der Rückseite und der Querwiderstand minimiert sowie der Bereich zwischen Metall und Halbleitergrenzfläche verringert werden. Auf diese Weise lassen sich der Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung erhöhen.

Produktion steigern, Kosten senken

Bereits 2018 hat das chinesische Unternehmen eine Zusammenarbeit mit Beckhoff China begonnen, um PC-based Control und die EtherCAT-Kommunikation als Standard-Steuerungstechnik in seinen Hauptanlagen für die Photovoltaikproduktion zu standardisieren. Im Fall der Laserabtragsmaschine dient ein Embedded-PC CX5120 als Hauptsteuerung. Daran angebunden sind digitale HD-EtherCAT-Ein- und Ausgangsklemmen sowie EtherCAT-Servoverstärker, was eine typische Steuerungsstruktur von automatisierten Anlagen mit kompakter und vereinfachter Verdrahtung ergibt. Dr. Ai Hui, technischer Leiter bei DR Laser erläutert die Vorgehensweise: „Konventionelle Motion-Control-Karten verwenden Hochleistungs-Mikroprozessoren und große programmierbare Geräte, um eine koordinierte Mehrachsensteuerung zu realisieren. Sie integrieren die zugrundeliegende Soft- und Hardware, um alle erforderlichen Funktionen zur Geschwindigkeits- und Positionssteuerung bereitzustellen. Allerdings ist dabei die Achsskalierbarkeit bis zu einem gewissen Grad begrenzt. Zudem können das Layout innerhalb des Schaltschranks und die Wartung durchaus kompliziert werden.“

Aus diesen Gründen entschied man sich für die PC- und EtherCAT-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Dr. Ai Hui: „Mit dem EtherCAT-I/O-System können schnell unterschiedlichste Peripheriegeräte und Subsysteme integriert werden. Durch die Offenheit der PC-basierten Steuerungstechnik und die Geschwindigkeit von EtherCAT konnten wir die Produktion deutlich steigern. Darüber hinaus vereinfachen sich Anlagenaufbau und Verdrahtung. Zudem reduzieren die umfangreichen EtherCAT-Diagnosefunktionen die Kosten für Anlagenaufbau und -wartung.“

Der hutschienenmontierbare, lüfterlose Embedded-PC CX5120 steuert die PTP-Bewegung von 20 bis 30 Servoachsen und übernimmt zusätzlich das Verarbeiten der nachgeschalteten I/Os. Zusammen mit diesen digitalen High-Density(HD)-EtherCAT-Ein- und Ausgangsklemmen ergibt sich ein äußerst kompaktes Schaltschranklayout. Laut DR Laser erfüllt der eingesetzte Singlecore-Prozessor alle Anforderungen der komplexen Mehrachs-Bewegungssteuerung und der konventionellen I/O-Logikverarbeitung. Darüber hinaus bietet der Embedded-PC eine 1-Sekunden-USV, die bei einem Ausfall der Stromversorgung die persistenten Daten sichert.

Die Maschinenprogrammierung erfolgt über die Softwareplattform TwinCAT, wobei die integrierten PLCopen-Motion-Control-Bausteine umfangreiche funktionale Schnittstellen für die Logikprogrammierung der mehrachsigen Bewegungssteuerung bieten.

Der Embedded-PC (unten rechts) bildet den Kern der Steuerungslösung für die modernisierten Laserabtragsmaschinen. Bild © Beckhoff Automation
Der Embedded-PC (unten rechts) bildet den Kern der Steuerungslösung für die modernisierten Laserabtragsmaschinen. (Bild: Beckhoff Automation)

Effiziente und offene Lösungen

DR Laser bietet eine Reihe kompletter Prozesslösungen von Maschinen für den Laserabtrag bis hin zu vollautomatischem Laser-Scriber, Laserbohrmaschinen und Sinteranlagen für Solarzellen. In vielen dieser Bereiche hat das Unternehmen bereits mit Beckhoff zusammengearbeitet, wie Zhang Hao, Technical Manager des Electrical Department von DR Laser erklärt: „Die Kompatibilität der Softwareprogramme und die verschiedenen Funktionsschnittstellen der Steuerungstechnik bieten uns eine Standardplattform sowohl für die nachträgliche Maschinenaufrüstung als auch bei der Entwicklung neuer Prozessanlagen. Zusätzlich zu den SPS- und PTP-Motion-Control-Funktionen verfügen die Steuerungen über Mehrachs-Kopplungsfunktionen sowie leistungsfähige Nocken- und NC-I-Interpolationsfunktionen, was eine weitergehende Zusammenarbeit bei der Entwicklung neuer Maschinen wie Laserscanner unterstützt. Eine einheitliche Softwareplattform spielt bei der Neukonstruktion eine entscheidende Rolle. Darüber hinaus ermöglicht die offene EtherCAT-Feldbusarchitektur eine weitestgehende Optimierung der Gerätelösungen. Dies ergibt ein hohes Maß an Flexibilität und Nachhaltigkeit und stellt einen Mehrwert für die Entwicklung des Unternehmens dar."

NACHGEFRAGT

Frage: Warum setzt man auf eine modularisierte Steuerungssoftware?

Antwort: Um der Komplexität moderner Maschinen gerecht zu werden und gleichzeitig den notwendigen Engineering Aufwand zu reduzieren, geht der Trend immer mehr zu modularisierter Steuerungssoftware. Individuelle Funktionen, Baugruppen oder Maschinenteile werden hierbei als Module angesehen, welche unabhängig und hierarchisch strukturiert sein sollten. Dabei sollte der strukturelle Aufbau so sein, dass die untersten Module einfachste, immer wiederverwendbare Basiselemente darstellen. Über einheitliche Schnittstellen können die Software Module von übergeordneten Modulen zu immer komplexeren Maschinenteilen, bis hin zur kompletten Maschine zusammengeführt werden. Idealerweise können die einzelnen Module unabhängig in Betrieb genommen, erweitert, skaliert und wiederverwendet werden. Die Softwarearchitektur von TwinCAT 3 ermöglicht diese Art der Programmierung. TwinCAT 3 wird auch als eXtended Automation (XA) bezeichnet, also die Vereinigung von neusten IT-Technologien und wissenschaftlichen Software-Tools mit der Automatisierungstechnik.

Autor

Jiuzhou Zhao,

Sales Account Manager (Wuhan), Beckhoff China

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