Modulares Sicherheitskonzept bei der Waferproduktion

Die Bedeutung von erneuerbaren Energien hat sich in den letzten ­Monaten deutlich verstärkt. Der Gewinnung von elektrischer Energie aus Solarzellen wird dabei ein großes Potential zugeschrieben. Für die Herstellung von Photovoltaikmodulen müssen mehrere Produktionsprozesse durchlaufen werden. Ausgangsmaterial ist das Element Silizium. Aus diesem werden so genannte Wafer (einzelne Siliziumscheiben) hergestellt, die anschließend über eine Vielzahl von Prozessschritten zu kompletten Solarpanels weiterverarbeitet werden. Durch Kapselung und Verdrahtung mehrerer Zellen entstehen fertige Photovoltaikmodule. Das Know-how für die Herstellung der entsprechenden Maschinen liegt hauptsächlich in Europa, auch wenn der Großteil der Anlagen in asiatische Länder exportiert wird.

Einer der führenden Zulieferer auf dem Gebiet von innovativen Produktionsanlagen und Systemen für die Herstellung von PV-Wafern, -Zellen und -Modulen ist die Technologiegruppe Meyer Burger. Diese besteht aus mehreren Unternehmen und bietet ihren Kunden umfassende Lösungen und komplementäre Technologien entlang der gesamten PV-Wertschöpfungskette sowie gebäudeintegrierte Solarsysteme als Endprodukt für die Schweiz an. Als Spezialist für die Verarbeitung von Silizium zu dünnsten Wafern, bietet die ­Meyer Burger AG u. a. Drahtsägemaschinen ausgerüstet mit Euchner Sicherheitstechnik an.

Die Herstellung von Wafern mittels Drahtsägemaschine
Bei der Herstellung von Wafern werden Siliziumblöcke (so genannte Bricks) mittels einer Drahtsägemaschine in dünnste Scheiben (140-180 µm) geschnitten. In dieser wird ein Draht von einer Spule abgewickelt und auf zwei berillten Drahtführungsrollen (DFR) aufgezogen. Die DFR sind in einem klar vordefinierten Abstand eingekerbt. Der Draht durchläuft jede einzelne der bis zu 3‘000 Rillen der DFR, um schließlich ein komplettes Drahtfeld zu bilden. Die in Rotation versetzten Drahtführungsrollen bewegen das Drahtfeld in nur eine, oder, je nach Anwendungsgebiet, alternierende Richtung. Der Draht wird am Ende wieder auf eine Spule gewickelt. Eine Suspension, gewöhnlich eine Mischung aus Siliziumkarbid und Polyethylenglykol (Slurry), wird durch Düsen auf das sich bewegende Drahtfeld aufgegeben und verursacht einen mechanischen Abrieb. Während das zu trennende Werkstück in das Drahtfeld abgesenkt wird, schneiden die mit Suspension behafteten Drähte das Material in Scheiben (Wafer), deren Dicke durch den Abstand der Berillung der DFR vorgegeben ist.

Hohe Anforderung an die Sicherheitstechnik
Bei der Auswahl der zu verwendenden Sicherheitstechnik wurde vonseiten der Firma Meyer Burger AG höchste Ansprüche gestellt, um einerseits die Fertigung von hohen Stückzahlen an Drahtsägemaschinen so effizient und fehlerfrei wie möglich zu gestalten und andererseits alle sicherheitstechnischen Anforderungen abzudecken. Zudem ist das Schneidemittel wegen des Glykols aggressiv und flüchtig. Um eine effiziente Herstellung zu ermöglichen, ist es äußerst wichtig, den Montage- und Verdrahtungsaufwand auf ein Minimum zu reduzieren und kalkulierbar zu halten. Auch für die Funktionsprüfung sollte ein System gefunden werden, mit welchem alle Bauteile der Sicherheitstechnik einfach getestet werden können.

Speziell an den Schutztüren der Drahtsägemaschinen musste darauf geachtet werden, dass Schalter mit Zuhaltung zum Einsatz kommen, die flexibel in der Anbringung sowie problemlos den rauen Umgebungsbedingungen durch den Einsatz des Schneidemittels standhalten. Weiterhin muss gewährleistet sein, dass die Schutzeinrichtungen während des Prozesses nicht unkontrolliert geöffnet werden können. Dies hätte Drahtrisse und eine irreversible Zerstörung des ganzen Bricks zur Folge. D.h. neben dem Personen- ist auch der Prozessschutz von hoher Wichtigkeit.

Auswahl der geeigneten Sicherheitstechnik
Aufgrund dieser speziellen Rahmenbedingungen entschied sich die Meyer Burger AG für den Einsatz von AS-Interface Safety at Work, das einfache und offene System, welches seit Jahren über ein sicheres Protokoll verfügt und durch das herstellerunabhängige ASi-Konsortium entwickelt wurde. Durch die Übergabe der Signale über einen ASi-DP-Link direkt via Profisafe an die sichere SPS und damit an die sicheren Antriebssysteme hat sich jegliche konventionelle Verdrahtung erübrigt. Nicht nur das Verdrahten der einzelnen Komponenten ist somit entfallen, auch die Diagnose des gesamten Systems ist über die beiden Busse, ASi und Profibus, und die Applikationssoftware sehr anwenderfreundlich ausgefallen. Als willkommener Nebeneffekt stehen alle Daten auch der Prozesssteuerung direkt zur Verfügung. Eine äußerst schlanke und moderne Lösung, welche die Umsetzung der EN ISO13849 voll unterstützt, erreicht doch das ASi-Safety-System Kat.4 und erfüllt die Forderungen für PLe.

ASi benötigt eine Zykluszeit von max. 5ms und ermöglicht in einem Strang eine Länge bis zu 100 m, die sehr einfach auf bis zu 300 m erweitert werden kann. Maximal sind bis zu 31 Teilnehmer (Slaves) wie Sicherheitsschalter, Not-Aus, usw. an einem ASi-Strang möglich.

Nachdem Meyer Burger ein System gefunden hatte, welches die Anforderungen für die Fertigung in idealer Weise erfüllte, musste ein passender Sicherheitsschalter evaluiert werden, der problemlos in den ASi-Bus integriert werden kann. Bei der Auswahl fiel die Entscheidung schnell auf die Firma Euchner und ihre elektromechanischen Sicherheitsschalter TP und STP mit integrierter ASi-Schnittstelle. Diese Ausführung zeichnen sich durch ihre robuste aber schlanke und Platz sparende Bauweise aus. Das glasfaserverstärkte Kunststoffgehäuse mit Schutzart IP67 erlaubt den Einsatz in rauer Umgebung. Die schmale Bauform und einstellbare Anfahrrichtungen ermöglichen, dass die ASi-Schalter flexibel an den verschiedenen Schutztüren der Drahtsägemaschine gleichermaßen eingesetzt werden können. Die Anbindung der TP und STP Schalter an den ASi-Bus erfolgt über die üblichen 4-poligen M12-Leitung.

Diese werden einfach mittels Steckverbinder an den Sicherheitsschalter sowie über einen passiven Adapter an die ASi-Flachkabel angeschlossen. Dies ermöglicht die gewünschte rationelle und fehlerfreie Installation. Alle sicherheitsrelevanten Signale und natürlich auch die Meldesignale wie beispielsweise die Stellung der Schutztür oder auch Fehlermeldungen stehen dem ASi-Master und in diesem Fall auch der SPS zur Verfügung. Die integrierte Zuhaltung der STP und TP ASi-Schalter mit Zuhaltungsüberwachung und Zuhaltekräften von bis zu 2.500 N verhindert, dass während der Waferherstellung unkontrolliert eine der Schutzeinrichtungen geöffnet werden kann und garantiert dadurch einen kontinuierlichen und wirtschaftlichen Prozessablauf.
Durch die Kombination aus dem AS Interface Safety at Work und den Sicherheitsschalter TP und STP ASi von Euchner können die Anforderungen der Meyer Burger AG in idealer Weise erfüllt werden. Besonders der ASi-Bus spielt seine Vorteile der einfachen Parametrierung und Installation bei hohen Fertigungsstückzahlen voll aus.