Entwicklung einer komponentenbasierten, konfigurierbaren Software zur flexiblen Optimierung von Logistikabläufen in Hightech Branchen

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1 Entwicklung einer komponentenbasierten, konfigurierbaren Software zur flexiblen Optimierung von Logistikabläufen in Hightech Branchen komponentenbasierter, konfigurierbarer, flexibler Scheduler (k²fs) Ein Projekt im Rahmen des Förderprogramms Innovative Netzwerke des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit 1 Das Projekt Die Prozesse in Hightech Branchen zeichnen sich heute durch hohe Flexibilität und kurze Lebenszyklen aus. Die Optimierung von hochflexiblen Logistikprozessen in Hightech Branchen soll verbessert werden. Dies wird am Beispiel von analytischen Laborgeräten und der Halbleiterfertigung mit Hilfe eines komponentenbasierten, konfigurierbaren, dynamischen und vorausschauend korrigierenden Schedulers realisiert. Die Logistikprozesse kennzeichnen sich durch hohe Prozessvielfalt der Fertigungs-/Laboranlagen in Kombination mit flexiblen, komplexen Materialflüssen, einer hohen Variabilität zeitlicher Abhängigkeiten zwischen Workflowelementen und der Notwendigkeit flexibler Beeinflussung des Prozesses durch Prozesszustände. Gleichzeitig müssen die beteiligten Systeme in der Lage sein, Losgröße 1 zu unterstützen. Für die Laborautomation bedeutet dies die Einplanung von beliebigen Einzelproben an halb- oder vollautomatischen Labortischen. In der Halbleiterfertigung handelt es sich um sogenannte Single-Wafer -Prozesse im Frontend. Für das Backend und für die Mikrosystemtechnik ist von Single-Die -Tracking inklusive Kommissionierung samt Handhabung, Zuführung und Montage von Mikrosystembauteilen die Rede. Zum wirtschaftlichen Betrieb analytischer Labore sowie der Halbleiterfertigung ist eine optimale Ressourcenauslastung unerlässlich. Aktuelle Daten im Bereich Anlagendurchsatz, Arbeitsvorrat und Personaleinsatz zeigen die Notwendigkeit der Nutzung einer logistischen Optimierungsmethode. Mit dem Einsatz eines die Aufträge im Voraus einplanenden Softwarewerkzeugs eines Schedulers sind folgende Vorteile realisierbar: Verbesserung der Ressourcennutzung, Erhöhung des Durchsatzes, Reduzierung von fixen Kosten durch eine Optimierung des WIP, gezielter Einsatz von Bedienpersonal. Entsprechend dem Einsatz von berechneten Materialflüssen in der Halbleiterfertigung soll der Einsatz des Schedulers im analytischen Labor eine Verbesserung des Durchsatzes und der Reaktionsmöglichkeiten des Bedienpersonals möglichst in Echtzeit erreichen. Basierend auf den Erfahrungen der Forschungseinrichtungen soll der Scheduler für solche Logistikprozesse mit folgenden Eigenschaften realisiert werden: dynamisch: I der Scheduler soll hinsichtlich der Performanz den verschiedenen Einsatzgebieten Rechnung tragen und Echtzeitanforderungen genügen. konfigurierbar für verschiedene Einsatzbereiche: I sowohl für einzelne Analyseanlagen

2 I als auch für einen größeren Bereich verketteter Analysegeräte eines Labors (siehe Firma accelab) und I allgemeine Clusteranlagen in der Halbleitertechnik und Mikrosystemtechnik. flexibel: I einsatzfähig für komplexe Logistikprozesse, I die Software-Architektur muss (trotz Performanz) modernen Architekturen, insbesondere hinsichtlich Wiederverwertbarkeit entsprechen (Stichwort komponentenbasiert ). Die Grundlage dieser Entwicklungen bilden bereits durchgeführte Untersuchungen und Realisierungen von Schedulingkomponenten und Standardisierungsüberlegungen über Geräte- Plug-and-Play im 24/7-Betrieb an der Fachhochschule Wiesbaden und dem Fraunhofer IPA, die weiterentwickelt werden sollen. Dabei entsteht ein komponentenbasierter Scheduler, der über eine einheitliche Schnittstelle mit entsprechender Konfiguration Anlagen aus den genannten Bereichen optimieren kann. 2 Die Kooperation Durch vom Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) durchgeführte Projekte, Fachtagungen, Workshops und Aktivitäten im Bereich der Auftragsplanung und Anlagenoptimierung wurde festgestellt, dass unterschiedliche Branchen gleichartige Aufgaben im Bereich der Auftragsplanung aufgrund von verschiedenartigem Vokabular wiederholt zu lösen versuchen. Dieser Problematik soll entgegengewirkt werden (Abbildung 1). Der Schwerpunkt der durchzuführenden Forschungsarbeiten liegt im Bereich der systemübergreifenden Schnittstellengestaltung und Materialflusslogistik. Hierfür müssen vorhandene und neuartige automatisierte Anlagen-, Steuerungs- und Logistikkonzepte angepasst und entwickelt werden, um eine spezifische Verkettung für die einzelnen Systemkomponenten und Gerätemodule zu ermöglichen sowie eine durchgängige Logistikkette zu schaffen. Dazu werden Interfaces zwischen der Software und den zu steuernden Anlagen entwickelt, so dass vorhandene, unterschiedliche Systeme zu einem durchgängigen Logistiksystem vernetzt werden. Innerhalb des Verbundes wird das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) und der Fachbereich 06 Informatik der Fachhochschule Wiesbaden die Grundlagen und Konzepte zur optimierten Auftragsplanung bereitstellen und weiter vertiefen. Mit den Firmen accelab und Evotec sind zwei Systemhersteller aus dem Bereich Bio- Pharma im Projekt eingebunden. Diese bringen ihre Kompetenzen aus den Bereichen Laborautomatisierung und High-Throughput-Screening in das Projekt mit ein. Die spätere Verbreitung in diesen Bereichen kann durch diese Firmen sichergestellt werden. Die Firma acp- IT stellt als Anbieter von Systemlösungen (Abbildung 2) für Reinst- und Mikroproduktionen ihre Kompetenz in dieser Branche bereit. Sie stellt auch die Basis für die spätere Verbreitung des Softwarekonzeptes in dieser Branche sicher. Durch die Einbindung des Nassprozessanlagenherstellers arias wird die direkte Integration in reale Halbleiteranlagen vorangetrieben. Das geplante Anwendungsspektrum des Scheduling-Softwarekonzeptes erstreckt sich hierbei von der Einplanung einzelner Proben mit automatischem Transport in individuellen Laboranlagen (Firma accelab, Abbildung 3) über batchverarbeitende Nassprozessanlagen aus der Halbleitertechnik (Firma arias, Abbildung 4) bis hin zu Anlagen aus dem Bereich High-Troughput-Screening (Firma Evotec, Abbildung 5). Die Kommissionierung samt Handhabung, Zuführung und Montage von Mikrosystembauteilen für die Mikrosystemtechnik (repräsentiert durch die Erfahrungen des IPA) stellt eine weitere Herausforderung dar. 3 Die Perspektiven Da in dem Projekt kleine und mittelständische Hersteller eingebunden sind, leistet dieses einen wichtigen Beitrag zur nationalen Standortsicherung und zur Verbesserung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit auf dem Gebiet der analytischen Labore

3 Allen Verbundpartnern soll in Zukunft zur Planung und Realisierung ihrer Fertigungssysteme ein Simulationsbaukasten mit einer angepassten Anzahl an Geräten zur Verfügung stehen, der auch eine Vielzahl für analytische Labore relevante Verfahren und Funktionen abdeckt. Die Verwertung der erzielten Forschungsergebnisse erfolgt parallel zu den Entwicklungsarbeiten. Kernpunkt der Ergebnisverwertung ist die direkte Verwendung und Verbesserung des Softwarekonzeptes anhand der Anwendungsfälle der beteiligten Partnerfirmen. Zusätzlich werden vom Gesamtkonsortium und von den einzelnen Projektpartnern im Rahmen von Firmenbesuchen, Messeteilnahmen (z. B. Miptech in Basel, Achema in Frankfurt/Main, Analytica in München, LifeCom/InCom in Düsseldorf, Semicon in München), Technologietransferprojekten, Konferenzbeiträgen, Veröffentlichungen, Teilnahme an Fachgremien etc. zusätzliche Aktivitäten zur Verbreitung der erzielten Forschungsergebnisse durchgeführt. Während dieser Aktivitäten können auch zusätzliche Anforderungen an das Softwarekonzept in Diskussionen mit interessierten, nicht direkt am Projekt beteiligten Firmen entstehen. 4 Zusammenfassung 4.1 Name des Projektes Entwicklung einer komponentenbasierten, konfigurierbaren Software zur flexiblen Optimierung von Logistikabläufen in Hightech Branchen 4.2 Technologiefeld / Branche des Projektes: 4.3 Laufzeit Scheduling (Ablaufplanung), Hightech Branchen 24 Monate von 1. Okt bis 30. Sept Projektkosten TEuro 4.5 Fördersumme 765 TEuro (BMWA-Anteil) 292 TEuro (Industrieanteile) TEuro (Forschungsanteil) - 3 -

4 5 Die Projektpartner 5.1 Forschung Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung Ortrun Wiechers Nobelstraße 12 D Stuttgart Tel.: 0711 / Fax: 0711 / wiechers@ipa.fhg.de Internet: Schwerpunkte im Projekt: Koordination Arbeiten für die Halbleiterindustrie und die Mikrosystemtechnik Fachhochschule Wiesbaden Prof. Dr. Reinhold Schäfer Kurt-Schumacher-Ring 18 D Wiesbaden Tel.: 0611 / Fax: 0611 / schaefer@informatik.fh-wiesbaden.de Internet: Schwerpunkte im Projekt: Laborautomation Arbeiten für die Bio-Pharma-Branche 5.2 Industrie accelab Laborautomatisierungs-GmbH Dr. Martin Winter accelab Science Lustnauer Str. 78 D Kusterdingen Tel.: / Robotics Information Technology - 4 -

5 Fax: / winter@accelab.de Internet: Branche: Laborautomatisierung Schwerpunkt im Projekt: Anforderungen aus der Branche und Integration in einem Anwendungsfall 5.3 acp - advanced clean production Information Technology AG Mark Suntrup Ruppmannstr. 1 D Stuttgart Tel.: 0711 / Fax: 0711 / mark.suntrup@acp-it.com Internet: Branche: Reinst- und Mikroproduktion Schwerpunkt im Projekt: Systemwissen und Anforderungen aus der Branche 5.4 arias GmbH Rudi Wiechers Am Winkelstück 12 D Schwerte Tel.: / Fax: / wiechers@arias.de Internet: Branche: Halbleiterfertigung Schwerpunkt im Projekt: Anforderungen aus der Branche und Integration in einen Anwendungsfall - 5 -

6 5.5 Evotec OAI AG Dr. Martin Daffertshofer Schnackenburgallee 114 D Hamburg Tel.: 040 / Fax: 040 / martin.daffertshofer@evotecoai.com Internet: Branche: High-Throughput-Screening Schwerpunkt im Projekt: Anforderungen aus der Branche und Integration in einen Anwendungsfall - 6 -

7 6 Bildmaterial Prozessauftragskomponente Scheduling Komponente Taktbare Ablaufplanung Agentensystem zur Kombinierung Lineare Optimierung Optimierung mit GA Dynamische ReSchedule Komponente Dispatch Komponente Abbildung 1: Potentieller Grobaufbau des Systems Abbildung 2: Beispiel für ein Anwendungsfeld Scheduling von ausserhalb des Reinraumes durch die Firma acp-it - 7 -

8 Abbildung 3: Beispiel für eine Anlage aus dem Bereich Laborautomatisierung der Firma accelab Abbildung 4: Beispiel für eine Nassprozessanlage der Firma arias - 8 -

9 Abbildung 5: Beispiel für eine High-Throughput-Screening- Anlage der Firma Evotec - 9 -