Verfahren zum emulationsgestützten MES-Engineering für die Photovoltaikindustrie

Abstract

Die Umwandlung von nahezu unbegrenzt verfügbarer Sonnenenergie in elektrische Energie gilt als ein vielversprechender Ansatz, um den wachsenden Energiebedarf weltweit, unabhängig von konventionellen Energieträgern, auch in Zukunft zu sichern. Zwischenzeitlich sieht sich die Photovoltaikindustrie (PV-Industrie) allerdings größeren wirtschaftlichen und technischen Herausforderungen gegenübergestellt. Dazu gehören ein wachsender Kostendruck und die Notwendigkeit zur Verbesserung der Produkte bzw. der Produktqualität. Den Herausforderungen sucht die PV-Industrie auf mehreren Ebenen zu begegnen. Eine dieser Ebenen ist die der Produktionssysteme, die entlang der Lieferkette der Branche zum Einsatz kommen. Bereits ab einer frühen Phase des Anlaufs bietet der zielgerichtete Einsatz produktionsnaher IT-Lösungen Ansatzpunkte zur Unterstützung dieser Optimierungsbemühungen. Manufacturing Execution Systems (MESs) stellen eine wichtige Klasse produktionsnaher IT-Systeme dar, die vorhandenes Optimierungspotential nutzbar machen. Dabei müssen die Risiken, die mit der Einführung und dem Einsatz solcher IT-Lösungen einhergehen, beherrscht werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens, das im Kontext der PV-Industrie einen Beitrag dazu leistet, angemessene MES-Lösungen frühzeitiger im Fabriklebenszyklus verfügbar und die mit dem MES-Engineering verbundenen Risiken besser beherrschbar zu machen. Es soll damit der PV-Industrie den Zugang zu und die Akzeptanz von MES-Lösungen erleichtern, die die Verfolgung der Optimierungsziele der Branche unterstützen. Im Anschluss an die Definition zentraler Begrifflichkeiten und die Betrachtung des Produktionsumfelds bzw. der Produktions-IT-Landschaft der PV-Industrie werden die Aufgabenstellungen des MES-Engineering-Prozesses im Kontext des Fabriklebenszyklus der PV-Industrie analysiert. Aus der Analyse wird das Konzept des emulationsgestützten MES-Engineering entwickelt, das sich mehrfach die virtuelle Inbetriebnahme der MES-Lösung zunutze macht und den Prozess der Modellierung der virtuellen Produktionsumgebung konsequent in den MES-Engineering-Prozess integriert. Dazu wird einerseits eine hoch skalierbare Emulationsplattform entwickelt und prototypisch implementiert, in der virtuelle Fabriken modelliert und ausgeführt werden können, die Produktionsanlagen aus Sicht des MES mit ihrer realen IT-Schnittstelle abbilden. Andererseits werden Mechanismen zur nahtlosen Integration des Werkzeugs der Emulationsplattform in die Prozesse des MES-Engineering geliefert und exemplarisch für ein iteratives, inkrementelles Vorgehen beschrieben. Der Einsatz des Verfahrens und der Werkzeuge wird im Kontext zweier realer MES-Engineering Projekte evaluiert. In beiden Fällen wurden die mit dem Einsatz des emulationsgestützten MES-Engineering verfolgen Optimierungsziele erreicht.

Converting solar energy into electrical energy is considered to be a promising approach to satisfy the growing need for energy in future and to gain independence of the limited reserves of conventional sources of energy. However, to raise real commercial interest independent of government subsidies and to secure long-term commercial success, the photovoltaics industry (PV-industry) has to overcome several economic and technical challenges. Examples for these challenges are the rising cost pressure and the necessity to improve products and product quality. The PV-industry follows different approaches to face these challenges. One approach concerns the optimization of production systems used along the industry's supply chain. Production-IT systems, especially the class of Manufacturing Execution Systems (MESs), are considered to have the potential to significantly contribute to the optimization of these production systems. To exploit the potential of MES solutions and to gain added value in real production environments, appropriate MES solutions need to be available earlier in the factory life cycle and the risks mentioned before need to be controlled more tightly. The emulation supported MES-engineering approach for the PV-industry developed in this thesis targets these goals. Thereby, it should simplify the access to and the acceptance of MES solutions for the PV-industry and thereby support the optimization goals of this industry. After the definition of core terms and the discussion of the PV-industry’s production environment and production-IT landscape, the tasks of the MES-engineering process are analyzed in detail in the context of the factory life cycle. From the analysis results, the concept of the emulation-supported MES-engineering approach is derived. The concept makes use of a virtual factory that reproduces the real factory from the MES-layer's point of view and considers the process of modeling the virtual production environment to be an integral part of the MES-engineering process. Accordingly, the solution proposed comprises two main components: On the one hand the emulation platform that provides the technical environment to model and to execute virtual factories, mapping real production equipment to emulators at their real-world factory-IT interfaces. On the other hand, mechanisms are delivered for the seamless integration of the emulation platform with the MES-engineering process. They are described for the example of an iterative, incremental approach. The emulation-supported MES-engineering approach is implemented and appraised in two real-life MES-engineering projects in cooperation with an MES-supplier. In both cases, the optimization goals expected from the emulation-supported MES-engineering approach were reached.