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Immer einen Schritt voraus

Prozessnahe Bildverarbeitung für die Photovoltaik-Industrie

1. Juni 2010

Die Wiesbadener Automatisierungs-Experten der ECKELMANN AG setzen Bildverarbeitung von STEMMER IMAGING in verschiedenen Anwendungen der Photovoltaik-Produktion ein und erschließen damit technische und wirtschaftliche Vorteile für ihre Kunden.

Die Bildverarbeitung hat sich als Technologie in nahezu allen Produktionsschritten der Photovoltaik-Industrie etabliert. Dabei ist sie selbst noch eine recht junge Teildisziplin der Automatisierungstechnik. Allerdings wird noch viel zu selten von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, die Fertigungsprozesse tatsächlich in Echtzeit mit den per Bildverarbeitung akquirierten Daten gezielt zu steuern und zu regeln.

Es sollte nicht darum gehen, die Qualität erst am Ende einzelner Prozessschritte zu kontrollieren, um dann zu konstatieren, dass der Prozess nicht perfekt ist, wie es heutige Bildverarbeitungs-Systeme oft noch tun. Bildverarbeitung ist vielmehr ein wichtiges Werkzeug, um die Prozesse selbst besser verstehen zu lernen und sie auf dieser Grundlage zu steuern und zu perfektionieren.

"Unsere Beobachtung und Prognose ist, dass Bildverarbeitungs-Systeme immer mehr in die Maschinen selbst hinein wandern werden, ja Teil der Maschinen werden", ist Dr. Johannes Stelter, Leiter des Geschäftsbereichs Intralogistik & Bildverarbeitung der ECKELMANN AG, überzeugt. Maschinenhersteller werden nach seinen Worten viel früher als bisher die Möglichkeiten und Restriktionen der Bildverarbeitung betrachten müssen, um die Produktivität ihrer Maschinen und Anlagen weiter zu erhöhen.

Um ein wirklich prozessnahes Bildverarbeitungs-System zu entwickeln, müssen Faktoren wie Bauraumnutzung, Datenintegration und Bedienung sehr frühzeitig abgestimmt werden. Der Lohn dafür ist jedoch ein an die individuellen Bedürfnisse angepasstes System, das neben prozesstechnischen Vorteilen auch synergetische Effekte mit sich bringt, wie z.B. einen geringeren Platzbedarf.

Bildverarbeitung als Schlüsseltechnologie

ECKELMANN entwickelt seit jeher Steuerungen für die industrielle Automation. Schon früh identifizierte das Wiesbadener Unternehmen die industrielle Bildverarbeitung als eine neue Schlüsseltechnologie in der Automation und etablierte aus diesem Grunde im Jahr 2005 einen eigenen Geschäftsbereich für diese Thematik. Inzwischen hat sich ECKELMANN als Lieferant hochwertiger Bildverarbeitungs-Lösungen einen Namen gemacht.

In verschiedenen Anwendungen der Photovoltaik-Produktion setzt ECKELMANN heute bereits Bildverarbeitungs-Systeme ein. Als Beispiele nennt Dr. Stelter Anlagen zur Laserkantenisolation, zur Waferklassifikation oder die Inspektion von Solarmodulen. Die Gemeinsamkeit aller Anwendungen liegt dabei nach seiner Aussage in der Integrationstiefe und den daraus entstehenden technischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Zu den wiederkehrenden Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung in der Photovoltaik gehören nach Stelters Erfahrungen das Positionieren, die exakte Messung geometrischer Eigenschaften wie z.B. Kanten- und Fasenlängen von quadratischen und pseudoquadratischen Wafern sowie die Identifikation von Materialfehlern wie z.B. Microcracks oder Chips.

Schnell und hoch genau

Eine solche Anlage zur Laserkantenisolation hat ECKELMANN für die ASYS Unternehmensgruppe entwickelt. ASYS ist ein führender Hersteller von Handling-, Prozess- und Sondermaschinen für die Elektronik- und Solarindustrie. Am Beispiel der ASYS-Anlage erläutert Dr. Stelter die Vorzüge, die sich aus einer durchdachten und mit den jeweiligen Experten abgestimmten Konstruktion ergeben. Die Laserkantenisolation dient zur elektrischen Trennung der aktiven Frontseite einer Solarzelle von der Rückseite. Dazu wird mit einem Laser entlang der Zellenkanten ein feiner Graben gebrannt, dessen Tiefe von der Dotierung der Zelle abhängig ist. Anspruchsvoll ist dabei, den Graben möglichst weit an die Außenkontur der Zelle zu positionieren, um die aktive Fläche und damit den Wirkungsgrad zu maximieren.

ECKELMANN hat für diese Aufgabe ein Zeilenkamera-basiertes Bildverarbeitungs- System entwickelt, das in der Lage ist, die Außenkonturen einer Solarzelle hoch genau zu vermessen und die Konturdaten an die Steuereinheit eines angeschlossenen spiegelabgelenkten Lasers zu übergeben. Kantenbeschädigungen werden dabei erfasst und, sofern die Beschädigung tolerabel ist, vom Laser "umfahren".

"Die Bildaufnahme und- auswertung erledigt unser System in rekordverdächtigen 800 ms", erklärt Dr. Stelter: "Die Auflösung des Systems ermöglicht dabei, dass der Randabstand der Laserbearbeitung deutlich unter 100 µm liegt. Die Kalibrierung und Einmessung von Laser und Kamera wurde ebenfalls automatisiert. Dabei werden sowohl die individuelle Charakteristik der Laser- Ablenkeinheit als auch die inneren und äußeren Kamera-Parameter ermittelt. Das System errechnet aus diesen Daten ein Kompensationskennfeld, das zur Fehlerkorrektur in der Ansteuerung der Laser-Ablenkeinheit herangezogen wird. Eine aufwendiges Einmessen des Kamera- und Laserkoordinatensystems ist somit nicht erforderlich. Das System kann daher sehr einfach in Betrieb genommen oder nach Wartungsarbeiten rekalibriert werden", beschreibt Dr. Stelter einen weiteren Vorzug des Systems.

Auch Fehlerzustände im Transportsystem der Maschine können mit Hilfe des Bildverarbeitungs-Systems diagnostiziert werden. Entsprechende Gegenmaßnahmen lassen sich so im Fehlerfall schnell und zielgerichtet einleiten.

Entscheidende Komponenten-Auswahl

Um die für die jeweilige Aufgabe optimalen Bildverarbeitungs-Komponenten auszuwählen, arbeitet ECKELMANN in der Regel mit STEMMER IMAGING zusammen. "In der Vergangenheit haben wir mit diesem Partner schon mehrfach gute Erfahrungen gesammelt, da uns die dortigen Bildverarbeitungs-Spezialisten durch ihre große Auswahl an Komponenten sowie ihren Service überzeugt haben", beschreibt Dr. Stelter die Kooperation. "Auch im Falle des Systems zur Kantenisolation unterstützte uns STEMMER IMAGING durch intensive Machbarkeitsstudien und gab uns wertvolle Empfehlungen für die geeigneten Bildverarbeitungs-Komponenten für diese Anwendung."

So wurde eine Steuerung für die Laserkantenisolation mit einer DALSA- Zeilenkamera mit 4096 Pixeln und einer passenden Optik von Zeiss sowie einer individuellen LED-Beleuchtung realisiert. Die Bildauswertung erfolgt im Kontext der Maschinensteuerung und ist damit vollständig in die Infrastruktur der Maschine integriert. "Unser Schwerpunkt ist die prozessintegrierte Bildverarbeitung", erklärt Dr.Stelter: "Wir übernehmen als Systemintegrator nicht nur die Verantwortung für unsere Lieferumfänge, sondern tragen auch eine Mitverantwortung für den gesamten Bearbeitungs- oder Fertigungsprozess, der sich auf unser System stützt. Hierzu bringen wir die notwendigen Kompetenzen und Erfahrungen mit, denn wir entwickeln seit fast 40 Jahren Automatisierungslösungen und verfügen in vielen Bereichen über tiefgehendes Branchen-Know-how."

Das Know-how des Kunden, sein Wissen um den Herstellungsprozess und die Materialeigenschaften sowie ein grundlegendes Verständnis der zu klassifizierenden Eigenschaften und/oder der zu messenden Größen ist dabei nach Dr. Stelters Worten die Basis für die Auswahl der richtigen Bildverarbeitungs-Komponenten. Und die richtigen Komponenten vereinfachen die zur adäquaten Interpretation der Pixelinformationen notwendigen Software- Algorithmen.

ECKELMANN und ASYS

Die ECKELMANN AG (www.eckelmann.de) ist mittelständischer Automatisierungspartner und Zulieferer für den Maschinen- und Anlagenbau. Seit der Gründung im Jahre 1970 konzentriert sich das Unternehmen auf die Entwicklung und Ausführung von elektronischen Steuerungen für Maschinen auf Basis moderner Mikroprozessoren, die passgenau auf die individuellen Funktionsanforderungen und die maschinenbaulichen Umgebungsbedingungen zugeschnitten sind. Das Lösungsspektrum reicht von der kompakten Geräte- Steuerung bis zur Komplettautomatisierung großer, verteilter Industrieanlagen.

Die ASYS Unternehmensgruppe (www.asys.de) ist ein global agierendes Technologieunternehmen und führender Hersteller von Handling-, Prozess- und Sondermaschinen für die Elektronik- und Solarindustrie. Die ASYS Automatisierungssysteme GmbH ist die Führungsgesellschaft für die Aktivitäten der gesamten Unternehmensgruppe. Sie verfügt über eine leistungsstarke Infrastruktur: Alle Instanzen vom Metall- und Gehäusebau über die Oberflächenveredelung und den maschinellen Kapazitäten befinden sich am Standort Dornstadt. Dort werden Handlingsysteme, Prozessmaschinen im Bereich Markieren und Nutzentrennen sowie Metallisierungslinien für den Solarbereich entwickelt und produziert.

STEMMER IMAGING

Puchheim, Germany

STEMMER IMAGING ist seit 1987 in der industriellen Bildverarbeitung tätig und mittlerweile Europas größter Technologie-Anbieter in diesem Bereich. 1997 stellte STEMMER IMAGING mit Common Vision Blox (CVB) eine leistungsstarke Programmierbibliothek vor, die eine schnelle und zuverlässige Entwicklung und Implementierung von Bildverarbeitungslösungen ermöglicht und inzwischen weltweit über 40.000 mal in verschiedensten Branchen erfolgreich im Einsatz ist.