MES für die gesamte Wertschöpfungskette Stand heute und Vision für die Zukunft

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1 MES für die gesamte Wertschöpfungskette Stand heute und Vision für die Zukunft Dipl.-Ing. Thomas Dreyer, AIS Automation Dresden GmbH

2 Agenda Wer ist AIS? Motivation zur Nutzung von MES in der PV-Industrie Produktionsbereiche in der PV Anforderungen an MES Künftige Anforderungen an Produktions-Systeme Forschungsthemen im Rahmen von S-PAC Entwicklungsaufgaben für die nahe Zukunft MES Vision for the future 2

3 Wer ist AIS? AIS Automation Dresden GmbH System- und Softwarehaus 160 Mitarbeiter Gegründet 1990 Hauptsitz in Dresden Zweigstelle in Taiwan Mitglied der Roth&Rau AG (Meyer Burger Gruppe) Geschäftsfelder Maschinensteuerungen Equipment- und Systemintegration Fabrikautomation und Datenanalyse Industrielle Branchen Halbleiterindustrie Photovoltaikindustrie Pharmazie Bahntechnik MES Vision for the future 3

4 Erfahrungen der AIS AIS Automation Dresden GmbH Projekte in der Automatisierung seit über 20 Jahren Fabrikweite MES Lösungen in der PV-Industrie in mehr als 60 Fabriken Leitrechner in mehr als 50 Linien der Automotive- und Halbleiterindustrie Maschinenintegration von mehr als Maschinen (200 Typen) Maschinensteuerungen für mehr als Maschinen für mehr als 50 Kunden in 30 Ländern Fertigungsüberwachung in Singapore, Malaysia und Europa (mehr als Maschinen integriert) MES Vision for the future 4

5 Motivation zur Nutzung von MES in der PV Analyse und Verbesserung der Equipment Performance Uptime / downtime Analyse basierend auf SEMI E10 Uptime Optimierung Berechnung und Monitoring von Key Performance Indikatoren Maschinen Alarm Monitoring und Analyse Analyse und Verbesserung der Produktions-Performance Berechnung der Ausbeute und Analysen zur Verbesserung Durchsatzberechnung und Analyse Analyse und Verbesserung des Produktionsprozesses Aufzeichnung und Analyse von Prozessdaten Qualitätsdatensammlung und Analyse Semi- / Vollautomatisierte Produktionssteuerung SPC - Statistical Process Control MES Vision for the future 5

6 Allgemeine Anforderungen an MES Kurze Installationszeiten von MES Systemen Produktionssteuerung wird bereits für die erste verfügbare Maschine benötigt MES ist ein Schlüssel für den schnellen Ramp-up der Fertigung Entwicklungszeiten für MES-Projekte sind somit extrem kurz und erfordern Vortests Produktionsstätten vergrößern sich ständig Fabrikgrößen wachsen ständig (2005: 30MW, 2011: > 500MW) Steigendes Datenvolumen (500MW = Zellen/Tag in 25 Prozessschritten) Steigende Komplexität der Produktion erschwert Vorhersagen und Planung Kürzere Innovationszyklen Prozess- und Produktentwicklung innerhalb der Produktion Steuerung von Versuchen in der Fertigung notwendig Professionelle Wartung und Service Größere Anzahl an Maschinen erfordert Planung von Wartungen Einfluss von Wartungen auf die Fertigung ist komplex MES Vision for the future 6

7 Spezielle Anforderungen von Vereichen der PV Kristallisation Beobachten von lang laufenden Prozessen an zentralen Leitständen Materialverfolgung durch die Fertigung (Rohmaterial zu Kristall) Überwiegend manuelles Handling Anzahl an Kristallen < 100 pro Tag Wafering / Cropping Überwachung der Maschinen erforderlich (Uptime usw.) Materialverfolgung zur Korrelationsanalyse (Kristall-Abschnitte-Ingots-Wafer) Überwiegend manuelles Handling Ingots: 500 pro Tag, Wafers: pro Tag Zellfertigung Überwachung der Maschinen erforderlich (Uptime usw.) Material-Verfolgung zur Korrelationsanalyse (nur Zellen, aber hohe Anzahl) Überwiegend automatisches Handling Zellen: pro Tag in ca. 20 Prozessschritten Modulfertigung Überwachung der Maschinen erforderlich (Uptime usw.) Materialverfolgung für Qualitätsdatenaufzeichnung (Zellen, Strings, Module) Gemischtes, automatisches und manuelles Handling Zellen: > pro Tag, Module: pro Tag MES Vision for the future 7

8 Verfügbare Systeme am Markt Ein System mit verschiedene Konfigurationen für alle Bereiche der PV Verknüpfung mehrerer oder aller Bereiche möglich Integration von Maschinen Datensammlung und -speicherung Wafering Cell Module Crystal Wafer Cell Module MES Vision for the future 8

9 Verfügbare MES-Funktionen Fertigungsüberblick Grafische Sicht der Fabrik und Darstellung von Statusinformationen Überblicksanalyse für die tägliche Arbeit Maschinen-Daten-Analyse Analyse von SEMI-Zuständen und Alarmen Berechnung von KPIs MES Vision for the future 9

10 Verfügbare MES-Funktionen Materialverfolgung Verfolgen von Rohmaterial bis zum fertigen Produkt Abspeichern aller Serien/Batchnummern Rückwärtsverfolgung von Produkten aus Rohmaterial Vorwärtsverfolgung von Rohmaterial zu Produkten Stücklisten einzelner Produkte Auftragsmanagement Definition von Produktionsaufträgen Verfolgung von Rohmaterial und Produkten auf Aufträge Ermittlung von Fertigungskosten von Artikeln oder Aufträgen Verbindung zu ERP (Enterprise Ressource Planning) Import/Export von Produktionsaufträgen Ermittlung von Kostenprofilen für Produkte Detaillierte automatische Buchungen im ERP für Artikel und Rohmaterial MES Vision for the future 10

11 Verfügbare MES-Funktionen Prozessdatenauswertung Zeit- und materialbezogene Auswertungen Korrelationsanalysen Statistische Berechnungen Statistical Process Control (SPC) Untersuchung von statistischen Zusammenhängen Definition von Regelkarten Überwachung von Regelkarten und Verletzungen Reporting Managementreports Berichte für unterschiedliche Anwendergruppen und verschiedene Zwecke MES Vision for the future 11

12 Herausforderungen für MES heute Unterschiedliche Anforderungen der PV-Bereiche Produktion ist sehr unterschiedlich in Kristallisation, Wafering, Zelle und Modul Ein System nutzen, erfordert hohe Flexibilität bei der Anpassung Flexible Systeme notwendig Steigender Datenverkehr Durch größere Fabriken steigt die Anzahl an Daten zur Verarbeitung und Speicherung stetig Kosten für IT-Systeme werden stetig höher Vermeiden unnötiger Aufwände im Datenhandling (Transfer, Verarbeitung) Speichervolumen steigt stetig Größere Fabriken benötigen größere Datenbanken Heutige Datenbankgrößen im Bereich von 8TByte installiert Cluster-Datenbanken zur Bewältigung des Verkehrs und Abfragen notwendig Datenkomprimierung und -reduktion MES Vision for the future 12

13 Herausforderungen für MES heute Verlängerte Installationsphasen Hohe Anzahl an Maschinen erfordert mehr Aufwand zur Integration Höhere Komplexität der Produktion führt zu Änderungen Flexible Systeme, einfache Kopplung an andere IT-Systeme (Planung, Simulation, ) notwendig Hohe Innovation in der Fertigung Schnelle Entwicklungszyklen und Druck vom Markt bewirken Innovationsdruck Schnelle Entwicklung von Produktionsprozessen und Produkten während der Produktion Versuchssteuerung in der Fertigung notwendig Wartungen sind nicht Bestandteil der Planungssysteme Maschinenwartung wird oft außerhalb des MES organisiert Integrierte Wartungssysteme im MES und Planungssystem erforderlich MES Vision for the future 13

14 Ansatz 1: Standardschnittstellen Vertikale Kommunikation (Maschine MES) Konsequente Nutzung des SEMI PV02 basierend auf SECS/GEM als Standard Interface für alle Prozess- und Messtools Aktueller Status: Freigegeben als PV02 Horizontale Kommunikation (Maschine Maschine) SEMI draft document #4804: New Standard: Specification for Horizontal Communication between Equipment for Photovoltaic Fabrication System Aktueller Status: Im Freigabezyklus und Überarbeitung MES Vision for the future 14

15 Ansatz 2: Datenkomprimierung Daten-Reduktion durch Vermeiden unnötiger Daten Typische Anforderung: MES soll alle Daten sammeln, da wir nicht wissen, was wir brauchen Ansatz: Speicherung weniger Daten in Phasen normaler Produktion Steigende Datenvolumina in kritischen Phasen Herausforderung: Automatisches Erkennen kritischer Situationen MES Vision for the future 15

16 Ansatz 2: Datenkomprimierung Daten-Reduktion durch Komprimierung Ansatz: Berechnung verdichteter Daten für normale Produktionsabschnitte Erhalten detaillierter Daten in kritischen Situationen Reduktion von Daten normaler Produktion (wesentlich häufiger) Umsetzung: Komprimierungsroutinen (in der Datenbank oder Server) und Löschen der Detaildaten Herausforderung: Verdichtungsalgorithmen entwickeln, Erkennen kritischer Situationen MES Vision for the future 16

17 Ansatz 3: Integration aller IT-Systeme Zentrale Datenbasis für: Maschinenstammdaten Projektkonfigurationen Laufzeitdaten aus existierenden Fabriken Konfiguration von Systemen mit der Datenbasis Importieren von Daten aus dem Zentralspeicher Übertragen von Änderungen auf andere Systeme Lösungsbibliothek Nachnutzen existierender Maschinenkonfigurationen Nachnutzen von Projekten oder Teilprojekten Schnelle Konfiguration bekannter Maschinen Ständige Verbesserung Vergleich von Plandaten mit real gemessenen (z.b. Stromverbrauch) Messung von Verbesserungen der Uptime, MTBF usw. für Produktionsanlagen MES Vision for the future 17

18 Ansatz 3: Integration aller IT-Systeme Systemdesign zur Verkopplung von IT-Systemen MES Vision for the future 18

19 Ansatz 3: Integration aller IT-Systeme Interaktionen zwischen den Systemen MES Vision for the future 19

20 Ansatz 4: Integrierte Versuchssteuerung Entwicklung als Teil der Produktion Entwicklung neuer Prozesse oder Produkte in der Hochvolumenfertigung Unterstützung des kontinuierlichen Verbesserungsprozesses Vergleichsmöglichkeit von Versuchsdaten mit Produktionsdaten Schaffung neuer Steuerungen in der Fertigung Material gemeinsam Prozessieren (gleiche Maschinen) zur Vermeidung von Fehlinterpretationen Pufferlogik zum Zusammenhalten von Material Verwalten von Versuchen parallel zu Hochvolumenfertigung MES Vision for the future 20

21 Ansatz 5: Wartung als Teil des MES Architektur: Web basiertes Design Einsatz mit MES aber auch als Stand-Alone-System Verknüpfung mit zentralen Repository Erforderliche Wartungsregeln Einzelwartungen (bzw. Reparaturen) Zeit-gesteuerte Wartungen (z.b. monatlich) Wartung basierend auf Prozessdaten oder Maschinen-Verhalten Kombination verschiedener Regeln Wartungsplanung Rückkopplung an das MES zur Planung der Wartung Wartungsoptimierung (Zusammenlegen, Downtime erkennen) MES Vision for the future 21

22 Fälliger Wartungs auftrag Ansatz 5: Wartung als Teil des MES Geplante Architektur des Wartungsmoduls Datenquelle (z.b. ERP) optional Anlagenliste Materialliste AIS Wartungsmanager Anlage Checkliste 1 Wartungsberichte Kontinuierlicher Verbesserungsprozess Wartungsintervalle Checkliste n Wartungsplan Planer Wartungsauftrag Betriebsdaten Prozessanlage 1 n MES Vision for the future 22

23 Ansatz 5: Wartung als Teil des MES Grafische Benutzeroberfläche des Wartungsmoduls AIS Wartungsmanager Datei Bearbeiten Benutzerverwaltung Hilfe Info Übersicht Anlagenfilter Standort wählen... Anlagentyp wählen... Anlage wählen... Zeitfilter Startdatum wählen... Wartungsauftragsverwaltung Wartungsplanverwaltung Checklistenverwaltung Anlagen Materialliste Wartungsberichte Equipment Anlagentyp 1 Anlage 1 Wartungsauftrag 1 Wartungsauftrag 2 Wartungsauftrag 3 Anlage 2 Wartungsauftrag 1 Anlage 3 Anlagentyp 2 Anlagentyp 3 Status Mi W Do Anzeigen Bearbeiten Kopieren Löschen Deaktivieren Störung Fr Sa So Mo I Di Mi Do Fr Sa W So Mo Di W Mi Do AIS Wartungsmanager Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Wartungsmanager I W I I I Datei Bearbeiten Benutzerverwaltung Hilfe Info Übersicht Wartungsauftragsverwaltung Wartungsplanverwaltung Checklistenverwaltung Anlagen Materialliste Wartungsberichte Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo W Di Wartungsmanager Anzeigeperiode: Tag Woche Monat Legende Vorankündigung Durchführung Wartung Überfällig (Alarm) Neu Kopieren Löschen Bearbeiten Deaktivieren Wartungsaufträge Anlagentyp 1 Anlage 1 Wartungsauftrag 1 Wartungsauftrag 2 Wartungsauftrag 3 Anlage 2 Anlage 3 Anlagentyp 2 Anlagentyp 3 Wartungsauftragsdetails WA-Nr. Anlagentyp Anlagenname Zugewiesener Wartungsplan Gesamtdauer Benötigtes Material WA Anlagentyp 1 Anlage 1 Wartungsplan 1 125min Menge Einheit Materialbeschreibung 3 Stk. Schrauben 1 Liter Öl Anlagenbild Störung Aktionen: Aufgabe durchgeführt Aufgabe löschen Aufgabe verschieben 01. September :33 Suchen... Status-/Meldeleiste Regeln Regelname Regeltyp beginnend ab Nächste Ausführung Intervall Monatliche Wartung zeitbasiert Tage Stückzahl betriebsdatenbasiert (berechnet) 1000 Stk. bearbeiten 01. September :33 Suchen... Angemeldet: Hr. Richter, Dirk MES Vision for the future 23

24 Ansätze im Rahmen des S-PAC 1. Nutzung von Standard-Schnittstellen Konsequente Nutzung der PV-Standards zur Kopplung von Maschinen 2. Reduzierung gespeicherter Daten Intelligentes Datenhandling zur Reduktion der zu speichernden Daten Entwicklung von Komprimierungsalgorithmen 3. Interaktion von Planungs-, Simulations- und Produktionssteuerungssystem Verbindung von IT-Systemen über ein zentrales Repository Import/Export-Funktionen zur Synchronisierung der Systeme 4. Wartungsmanagement als Teil des MES Verfügbarmachen der Daten im Zentralen Repository Nutzung des MES zur Definition von Wartungsregeln basierend auf Prozessdaten Einbinden der Wartungen in den Planungsprozess 5. Versuchssteuerung integriert im MES Definition von Experimenten in der Fertigung Planung und Ausführung von Experimenten durch das MES Datenanalyse von Versuchsdaten mit Produktionsdaten MES Vision for the future 24

25 Viele Dank! Dipl.-Ing. Thomas Dreyer Direktor Produktentwicklung/IT AIS Automation Dresden GmbH Otto-Mohr-Strasse Dresden Germany Phone Fax support@ais-automation.com Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! MES Vision for the future 25