PC-basierte Steuerungstechnik bei der Halbleiterherstellung für Photovoltaikanlagen

Für die Züchtung monokristalliner Halbleiter nutzte das chinesische Unternehmen Jingsheng Mechanical & Electrical ursprünglich eine separate Ablauf- und Temperatursteuerung. Nach der Umstellung auf die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff hilft diese nicht nur Kosten zu sparen, sondern sie erleichtert auch durch ihre Skalierbarkeit die Implementierung. Als Mehrwert für den Kunden ermöglicht die Software TwinCAT zudem den Schutz geistigen Eigentums.

Jingsheng Mechanical & Electrical Co., Ltd. (JSG) ist ein weltweit tätiger, führender Anbieter von Highend-Anlagen für die Halbleiter- und Photovoltaikindustrie mit Hauptsitz in der Provinz Zhejiang. Mit langjähriger Entwicklungserfahrung ist JSG ein etablierter Anbieter von Kristallzüchtungstechnologien für Photovoltaikanlagen. Für die Automatisierung seiner Einkristallöfen nutzte das Unternehmen früher eine konventionelle SPS und eine Temperatursteuerung. Diese bot jedoch nur einen begrenzten Funktionsumfang und war in Kombination mit der SPS zu unflexibel geworden. Heute setzt JSG daher auf eine Beckhoff Steuerungsplattform bestehend aus einem Embedded-PC, der Automatisierungssoftware TwinCAT sowie verschiedenen EtherCAT-Klemmen zur einfachen und flexiblen Anbindung der Feldgeräte über das Industrial-Ethernet-System EtherCAT. Die integrierte Steuerungsplattform ersetzt zwei separate Geräte und bietet laut JSG bei Weitem mehr Flexibilität für die Anpassung an individuelle Anforderungen.

Gleichmäßige Prozessführung als Kernanforderung

Die Züchtung von Einkristallen gelingt nur unter besonderen Bedingungen. Silizium wird im Ofen geschmolzen und ein monokristalliner Impfkristall an einem Metallstab in die Schmelze getaucht, was den Kristallisationsprozess startet. Während die Schmelze auf einer bestimmten Temperatur zu halten ist, wird der Stab langsam gedreht und nach oben gezogen, sodass sich Material ablagert, bis die „Ingot“ genannte Kristallsäule ihren Enddurchmesser erreicht. Vorteil des monokristallinen Halbleiters, der in Wafer zerteilt und in Solaranlagen eingesetzt wird, ist ein hoher Wirkungsgrad aufgrund der gleichmäßigen Kristallorientierung.

Voraussetzung ist eine präzise Ablaufsteuerung und gleichmäßige Prozessführung über einen längeren Zeitraum – mehrere Tage bis zwei Wochen. Die Temperatursteuerung ist dabei entscheidend, denn durch ungleichmäßige Temperaturen können polykristallines Material und Strukturfehler im Kristallgitter entstehen. Für den störungsfreien Dauerbetrieb des Ofens muss die Steuerung in der Lage sein, kontinuierlich große Datenmengen zu verarbeiten. Das stellt für die Embedded-PCs von Beckhoff jedoch kein Problem dar. Auch mit rauen Umgebungsbedingungen kommen die industrietauglichen Hutschienen-Controller gut zurecht. Während JSG mit einem Embedded-PC CX1030 begann, dient inzwischen – je nach Projektanforderung – ein CX9020 oder CX8080 als zentrale Maschinensteuerung. Von der bedarfsgerecht skalierbaren Leistung der Controller mit immer neuen verfügbaren CPU-Generationen profitiert das Unternehmen durch eine kontinuierliche Optimierung seiner Produktion bei gesenkten Kosten, was die Wettbewerbsfähigkeit erhöht.

Auf dem Embedded-PC läuft die Steuerungssoftware TwinCAT. JSG setzt bisher hauptsächlich TwinCAT 2 ein, aber falls eine erweiterte Funktionalität benötigt wird, ist der Umstieg auf TwinCAT 3 unkompliziert. Bei der Migration eines Steuerungsprojekts wird dieses einfach erweitert und mit geringen Änderungen am Code selbst aktualisiert. Darüber hinaus unterstützt TwinCAT eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen und ermöglicht so die Kommunikation zwischen der Hauptsteuerung und den Subsystemen, z. B. für die Heizung und die Erzeugung von Magnetfeldern. Nahtlose Datenübertragung und -austausch schaffen Synergieeffekte und verbessern die Gesamteffizienz des Systems. Herr Wang, Senior Specialist bei JSG, sagt zur Softwareplattform von Beckhoff: „Die Software TwinCAT ist ausgereift und praxisbewährt, und die flexible Programmierung erleichtert die Verarbeitung aller Arten von Daten. Darüber hinaus vereinfacht die PC-basierte Steuerungsarchitektur die Anbindung der Steuerung an ein MES-System und damit den Datenaustausch zwischen Produktions- und Unternehmenssystemen.“

Flexible Konfiguration mit EtherCAT

Für die Echtzeitkommunikation über EtherCAT kann JSG aus der großen Bandbreite verfügbarer EtherCAT-Klemmen auswählen. Herr Wang erklärt: „EtherCAT-Distributed-I/O-Module erleichtern die Projektimplementierung durch uneingeschränkte Topologieflexibilität und eine riesige Auswahl an Konfigurationsoptionen. So können wir sie je nach Bedarf und Kostenanforderung der Projekte auswählen. Die EtherCAT-Produkte von Beckhoff sind anwenderfreundlich, kompatibel und können die Slave-Produkte verschiedener Hersteller ersetzen, ohne die Gesamtperformance und -stabilität zu beeinträchtigen. Da EtherCAT den Einsatz von Switches und anderen aktiven Komponenten überflüssig macht, werden die Kosten für den Kauf und die Wartung der Hardware gesenkt sowie die Verdrahtung und Inbetriebnahme des Systems vereinfacht.“

Codeschutz durch Unterteilung in Tasks

Eine der Kernkomponenten bei der Steuerung von Einkristallöfen ist die Temperaturregelung, und die Kunden müssen diesen Teil ihres geistigen Eigentums streng vertraulich behandeln. Vorteil der modularen Steuerungssoftware TwinCAT ist, dass Anwender das Steuerungsprogramm in Tasks mit unterschiedlicher Priorität unterteilen können, die jeweils nur von bestimmten Benutzern bearbeitet werden können. Der Datenaustausch zwischen den Tasks wird durch eine variable Zuordnung ermöglicht. Die einzelnen Tasks werden in der Laufzeit von TwinCAT aufgerufen. Die Modularität gestaltet die Softwareentwicklung und -pflege flexibler und effizienter. Und die Multi-Task-Verarbeitung ermöglicht die Verkapselung der Kernprozessalgorithmen in einem SPS-Programm. Um die Sicherheit des Kernprozesses zu schützen, speichert JSG das Programm als Binärcode, der nicht dekompiliert werden kann. Das fertige Programm kann einfach durch Kopieren der Binärcodedateien auf die Zielsteuerung heruntergeladen werden.

Zu den neuesten Innovationen des Unternehmens sagt Herr Wang: „JSG hat inzwischen Einkristallöfen der fünften Generation auf den Markt gebracht, die auf einer offenen Steuerungsplattform basieren. Ihr größter Vorteil liegt in der Abkehr von dem traditionellen geschlossenen Steuerungsmodell hin zu einer Konfiguration mit einer softwarebasierten Steuerung mit einer offenen Architektur. Diese Plattform ermöglicht die automatische Erstellung von TwinCAT-XAE-Konfigurationen über die Hochsprachenprogrammierung, basierend auf dem TwinCAT Automation Interface. Über diese Schnittstelle können Endkunden das Know-how zu ihrem Fertigungsprozess in Softwaremodule verwandeln. Dies hilft den Endkunden, ihre eigenen Prozesse zu entwickeln und Innovationen zu schützen, um so ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern.“