第四章 基于工業(yè)以太網(wǎng)的MES的實施及效果分析
工業(yè)以太網(wǎng)在MES 中的應(yīng)用，使MES 系統(tǒng)的兼容性和異常情況下的生存能力得到了極大的提高，在生產(chǎn)線信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中也具有了強大的二次開發(fā)的基礎(chǔ)。根據(jù)生產(chǎn)線各個車間的特點，可以對信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行合理的二次開發(fā)，從而滿足各個車間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆１疚乃懻摰纳a(chǎn)線在底層設(shè)備和設(shè)備群之間進行了二次開發(fā)，增加基于以太網(wǎng)傳輸?shù)脑O(shè)備集成層，設(shè)備集成層位于底層設(shè)備和MES 之間，將底層設(shè)備的信號經(jīng)過“翻譯”送到MES 系統(tǒng)中，并且對MES 系統(tǒng)向底層設(shè)備方發(fā)出的指令進行執(zhí)行和翻譯，在信息傳輸?shù)組ES 的過程中起到了橋梁作用，這樣的結(jié)構(gòu)大大提高了底層設(shè)備識別和系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ΑＭ瑫r設(shè)備集成層也承擔了生產(chǎn)工藝流程動作邏輯實現(xiàn)的功能，因此在設(shè)備集成的開發(fā)過程中，將工藝流程中的每一道工序的動作邏輯通過設(shè)備集成層分解成具體的設(shè)備動作并傳達給底層設(shè)備進行執(zhí)行。
4.1 工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)在MES 中的應(yīng)用
由于液晶生產(chǎn)線某些工藝的相關(guān)性比較強，設(shè)備之間的協(xié)同能力就顯得非常重要，為了保證工序的連貫性，設(shè)計方案中把幾臺類似或相關(guān)工序的設(shè)備采用設(shè)備間通信的方式連接起來，構(gòu)成一個設(shè)備群，這些設(shè)備群仍然會將數(shù)據(jù)發(fā)送到VFCT 服務(wù)器，接受MES 的系統(tǒng)指令。在MES 高層應(yīng)用功能日益復(fù)雜化的同時，由于數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)分類的問題，很難直接將MES 的一些指令傳送到每一臺設(shè)備。為了解決上述問題，同時考慮到工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的兼容性，在MES 和底層設(shè)備之間，加入一層，稱之為設(shè)備集成層（Equipment Integrated Layer，簡稱EI 層），該層對以太網(wǎng)在MES 中的應(yīng)用起了重要的橋梁作用。
4.1.1 設(shè)備集成層解決方案
設(shè)備集成層（EI 層）定義于MES 和設(shè)備之間，它是基于工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)模淠康闹皇菍⒌讓釉O(shè)備傳送上來的數(shù)據(jù)進行匯總，根據(jù)MES 的需要將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES 的各種應(yīng)用服務(wù)器中去。同時，EI 需要根據(jù)生產(chǎn)進度和MES 的任務(wù)調(diào)度，對各種生產(chǎn)設(shè)備和設(shè)備群進行動作指令的下達，它與設(shè)備之間的通信通過改進后的工業(yè)以太網(wǎng)（ACE-MD）進行，EI 在整個生產(chǎn)線中的地位和液晶生產(chǎn)系統(tǒng)中各個信息化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖4-1 所示。
圖4-1 EI 在MES 中所處位置
4.1.2 EI 層功能分析
EI 層將設(shè)備與MES 系統(tǒng)連接起來，成為MES 向設(shè)備下達指令的執(zhí)行層。接下來將以陣列車間的EI 為例，闡述EI 開發(fā)的主要功能和實現(xiàn)方式。開發(fā)調(diào)試成功后的EI 應(yīng)用于生產(chǎn)線，主要從生產(chǎn)設(shè)備、測定設(shè)備、搬運設(shè)備和港灣式設(shè)備群（BayStocker）采集數(shù)據(jù)。其中生產(chǎn)設(shè)備和測定設(shè)備的數(shù)據(jù)主要用于執(zhí)行各種操作，按照各種工序要求將半成品進行裝箱以便于搬運，將測定設(shè)備的數(shù)據(jù)反饋到檢查服務(wù)器以供MES 應(yīng)用模塊分析，設(shè)備狀態(tài)的顯示、搬送狀態(tài)的顯現(xiàn)、報警和重新再加工工序信息的顯示等；搬運設(shè)備傳入EI 層的數(shù)據(jù)主要用于生成搬運報告，其中包括目的地地址變更，搬運設(shè)備報警，搬運指示，取消搬運，人工搬運（Manual Guided Vehicle，簡稱MGV）、自動搬運（Automatic Guided Vehicle，簡稱AGV）和架空式搬運（OverHead Shuttle，簡稱OHS）狀態(tài)之間的切換等；從Stocker 中采集的數(shù)據(jù)主要用于顯示傳送到的在制品入庫、出庫報告，報警信息，報警后強制性出庫制式，每個設(shè)備群內(nèi)設(shè)備的操作位狀態(tài)等。EI 對所有連入MES 的設(shè)備進行的功能匯總?cè)鐖D4-2 所示。
這種EI 層與設(shè)備層之間的通信，都是以基于經(jīng)過本文設(shè)計改進后的工業(yè)以太網(wǎng)（ACE-MD）的通信；除此之外，EI 層還擔負著向MES 的應(yīng)用模塊提供數(shù)據(jù)，隨時將MES 下達的控制指令傳送到Online 的設(shè)備上的任務(wù)，不過EI 與MES 之間的通信已經(jīng)不是基于ACD-MD 通信了，由于涉及到服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換和同步，EI 與MES 之間的通信采用帶有發(fā)送/接收代理的工業(yè)以太網(wǎng)通信，這里就不在進行進一步論述。
圖4-2 EI 在陣列車間內(nèi)的功能說明
4.2 EI 層的開發(fā)思路和效果界面分析
陣列車間設(shè)備的EI 開發(fā)更加能說明本次設(shè)計的開發(fā)思路。對底層設(shè)備來說，EI 主要起著采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，并將設(shè)備的運行情況送到MES 的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)中進行顯示的作用，陣列車間中主要安放的設(shè)備呈U 字形港灣式排列，每個設(shè)備或設(shè)備群之間采用架空的自動搬運設(shè)備進行玻璃基板和液晶半成品的傳輸。陣列廠房中所存在的工藝流程主要有：從玻璃基板的投入開始（陣列投入），經(jīng)過成膜和PR（輻射曝光）等化學(xué)反應(yīng)，使得玻璃基板成為對液晶敏感的LCD 半成品基板，對半成品基板進行檢驗，合格的進行陣列的入庫操作，否則繼續(xù)進行成膜和PR 工序，工藝流程圖如圖4-3 所示，在EI 的設(shè)計中，首先需要對整個陣列車間的工藝流程進行抽象分析，將其中可以模式化的東西抽象出來，進行可程序化，例如在陣列廠房的工藝流程中，就以玻璃基板投入點的信息采集到的數(shù)據(jù)為輸入，把陣列車間的檢查工序采集到的數(shù)據(jù)作為信息的一個處理環(huán)節(jié)。根據(jù)檢查工序的結(jié)果，如果部分沒有達到成膜要求的液晶面板半成品需要重新再次進行成膜和曝光，因此成膜工序和曝光工序可以設(shè)置成一個條件循環(huán)，檢查合格后的產(chǎn)品入庫時候采集的信息，可以作為整個邏輯模塊的輸出。
圖4-3 陣列車間工藝流程
根據(jù)工藝流程，EI 首先將設(shè)備分為三類設(shè)備群：清洗/檢查設(shè)備，成膜設(shè)備，PR設(shè)備，從玻璃基板的Array 投入開始，這三個工藝流程循環(huán)進行，直到檢查合格出庫為止，開發(fā)邏輯模型如圖4-4 所示，
圖4-4 陣列車間EI 運行邏輯模型
在EI 的系統(tǒng)開發(fā)中，主要需要實現(xiàn)的功能為：Lot（盛放液晶面板的單位，一箱一共約有30 大片）查詢，設(shè)備輸入輸出狀態(tài)鎖定，控制設(shè)備群將面板按不同的品質(zhì)分割，緊急情況下手動進行操作，追溯查詢功能等。開發(fā)過程中要求從陣列廠房（Array）投入開始，進行循環(huán)操作，操作結(jié)束后進行檢查，如果沒有達到一定要求，需要再次進行某些特定工序的加工，在加工操作過程中，需要有工序的跳轉(zhuǎn)功能、再加工的設(shè)定/取消功能、即時的停止工序并解除自動操作切換到手工操作的功能。為了實現(xiàn)上述的開發(fā)邏輯和開發(fā)思路，需要定義設(shè)備并具備可視化操作界面，同時兼顧陣列車間的生產(chǎn)流程，設(shè)計采取了圖形化操作，每個設(shè)備的詳細情況可在設(shè)備位置示意圖上進行查詢，同時通過設(shè)備的顏色來顯示工藝流程的進行狀況。
圖4-5 陣列車間的EI 界面
開發(fā)界面中顯示的陣列廠房的平面圖如圖4-5 所示，港灣式的結(jié)構(gòu)將設(shè)備分為不同的設(shè)備群，每個設(shè)備群之間通過港灣上方的OHS 自動搬運裝置連接，以保證自動生產(chǎn)情況下工藝的連續(xù)性，可以通過生產(chǎn)線顯示界面上方的設(shè)備編號來選擇對那個設(shè)備/設(shè)備群進行操作，右方操作界面是針對各種設(shè)備和用戶權(quán)限可以進行操作的。系統(tǒng)會固定時間刷新所有設(shè)備的狀態(tài)，也可以通過上方的更新按鈕來手動刷新設(shè)備狀態(tài)。
考慮到實際車間生產(chǎn)中，可能需要選擇來對固定車間的不同設(shè)備進行操作，而對設(shè)備的操作指令分為兩類，一類是終端指令，包括查詢（數(shù)據(jù)采集）報告和投入（動作指令）報告，另一類為系統(tǒng)指令，可以定義反饋到EI 服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸方式。這時候就需要開發(fā)出可以直接定位到車間，通過界面選擇設(shè)備的人機交互界面，如圖4-5 中，設(shè)計出的界面可以通過右側(cè)的車間選擇，進入不同的車間，當發(fā)生異常情況時，采用終端指令查詢報告來觀察設(shè)備狀態(tài)的變化，以決定下一步的動作，通常為重新進行再次加工或者搬運到下一道工序進行加工。而系統(tǒng)指令可以減少傳輸所耗費帶寬，提高效能，系統(tǒng)指令是需要特殊的授權(quán)才可以進行操作的。
如果需要以一般用戶身份查看生產(chǎn)投入情況，需要點擊各個車間的投入計劃表，例如如果假設(shè)需要查看陣列車間的投入計劃和生產(chǎn)情況，點擊“Array shop 投入計劃表示”就會進入如圖4-6 界面：
圖4-6 EI 操作
在EI 操作界面上，需要顯示預(yù)計生產(chǎn)時間（指定日期），實際生產(chǎn)時間（納入日期），操作對象的名稱（制造品名），操作等級，操作結(jié)果，操作者等信息，另外，設(shè)計了一個通用的鏈接方便用戶同時查找該設(shè)備計劃外的生產(chǎn)信息。
4.3 數(shù)據(jù)讀寫緩存區(qū)管理
由于數(shù)據(jù)傳輸中考慮到傳輸?shù)膶崟r性，因此在整個MES 系統(tǒng)中采用沒有回傳確認的UDP 協(xié)議方式進行，在沒有反饋的信息傳輸中（既沒有錯誤發(fā)生的信息傳遞中），這種傳輸機制保證了設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實時性和準確性。但是，當服務(wù)器和現(xiàn)場的任務(wù)分配服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，這種傳輸方式會出現(xiàn)一些問題，例如VFCT 服務(wù)器在向ACE-MD 服務(wù)器下達設(shè)備群計劃更改指令的時候，會有大量的數(shù)據(jù)從VFCT 服務(wù)器傳送到現(xiàn)場的ACE-MD 服務(wù)器，由于ACE-MD 服務(wù)在現(xiàn)場通常安裝在用于數(shù)據(jù)采集的EI 終端，如果遇到EI 也在有數(shù)據(jù)傳送的時候，ACE-MD 服務(wù)器可能由于某種原因沒有來得及將收到的信息寫入自己的數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)，這個時候EI 向VFCT 傳送的數(shù)據(jù)會受到影響，而同時如果接收方要求數(shù)據(jù)馬上被讀取，也會有很大的延時，甚至發(fā)生丟包錯誤（因為有沖突，沒有確認機制）。
為了解決這個問題，設(shè)計充分吸收了堆棧方式的優(yōu)點，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸進行了進一步改進，在ACE 服務(wù)器端劃出一個緩沖區(qū)域來存放這些收到的信息，輸出的時候以此輸出，這種方式可以大大減少大量數(shù)據(jù)傳輸時的延時問題，配合簡單的校驗，丟包問題得到解決，在數(shù)據(jù)服務(wù)器之間進行數(shù)據(jù)交換的時候非常有效。
4.3.1 發(fā)送端采用發(fā)送代理緩沖技術(shù)
在發(fā)送端，采用發(fā)送代理（Transmission Agent）來進行緩存，這種解決方案定義一個緩存區(qū)域，將數(shù)據(jù)先送到緩存然后再傳輸。
系統(tǒng)將發(fā)送代理（Transmission Agent，簡稱TA）定義為在發(fā)送方開辟出來的一個緩存區(qū)，可以用來作為待發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖。在ACE.INI 中會定義這種緩存區(qū)。Node終端之間進行數(shù)據(jù)交換時，ACE 會將被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先傳送到TA，TA 確認收到數(shù)據(jù)后會給發(fā)送端（Node 終端，也就是應(yīng)用端）返回確認信息以確認信息送達，然后數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，如果接收端無響應(yīng)時，TA 會對數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)進行保留，并在設(shè)定的時間段之后進行再次嘗試傳輸。TA 的傳輸是需要簡單校驗并返回確認的，因此會犧牲部分實時性，但是相對于服務(wù)器之間傳輸速度的提高，這種實時性的損失可以忽略，同時考慮到服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間點可以選擇，并且次數(shù)有限，這種顧慮可以完全排除。
圖4-7 發(fā)送代理發(fā)送數(shù)據(jù)傳送原理
在圖4-7 中的描述的示例中，AP1 的服務(wù)和AP2 的服務(wù)需要分別向AP3 的服務(wù)和AP4 的服務(wù)傳送數(shù)據(jù)，AP1 的服務(wù)器、AP2 的服務(wù)器和AP3 的服務(wù)器在同一個網(wǎng)段，AP4 的服務(wù)器在外部網(wǎng)段，在這種情況下，ACE 會先將AP1 和AP2 中需要送出的數(shù)據(jù)送到對應(yīng)的TA 中，TA 會根據(jù)目標地址和Node 名稱判斷傳輸路徑，然后由TA 送出，如果在一定時間內(nèi)沒有收到返回確認，則在TA 中進行重傳，這樣既減少了ACE 服務(wù)的負載，保證了傳輸數(shù)據(jù)的完整性，又降低了通信的延遲。同時， TA 也可用作向多個數(shù)據(jù)庫拷貝數(shù)據(jù)時候的數(shù)據(jù)源區(qū)域，這種情況多用于在某些應(yīng)用需要向多個數(shù)據(jù)庫拷貝數(shù)據(jù)時，或者數(shù)據(jù)庫之間進行數(shù)據(jù)備份的時候。比如在圖4-8 中，Node 終端AP1 分別要向Node AP3 和Node AP4 發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)，AP1在發(fā)送AP3 到ACE 服務(wù)器的時候，ACE 服務(wù)器會將發(fā)送的數(shù)據(jù)拷貝一份給到對應(yīng)于另一個Node AP4 的TA，發(fā)送代理一旦受到數(shù)據(jù)就按照固定的格式進行數(shù)據(jù)傳送，這樣可以一次完成兩次數(shù)據(jù)傳輸，在大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時還減少了備份的應(yīng)用服務(wù)器的負載。
RA 需要向發(fā)送方的Node 傳送一個確認，這樣對實時性有一些影響，但是在服務(wù)器同步的時候，對數(shù)據(jù)完整性能有著較高的要求，權(quán)衡下來，如果犧牲一些帶寬帶來保證實時性，對數(shù)據(jù)的傳輸速度提高還是很有利的，采用RA 的接收緩存，最大的優(yōu)點在于降低了接收Node 上ACE 服務(wù)的負載，能夠保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)優(yōu)先的原則，同時保證了在有沖突的情況下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/P>
圖4-8 接收代理傳送數(shù)據(jù)原理
需要注意的是， TA/RA 的設(shè)計初衷只有在需要大量數(shù)據(jù)傳輸并要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整性比較高的情況下使用，現(xiàn)場實時的數(shù)據(jù)采集使用發(fā)送/接收緩沖并不能很好的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽诜⻊?wù)器之間進行數(shù)據(jù)傳輸或同步（例如MES 服務(wù)器向VFCT服務(wù)器進行控制命令更改，或者SPC 服務(wù)器向MES 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器要求大量數(shù)據(jù)采集）的時候，使用TA/RA 則能夠達到節(jié)省帶寬、減少ACE 服務(wù)負載的效果。并且TA/RA只有在沒有錯誤反饋的情況下才會有效傳輸，這樣保證了錯誤的數(shù)據(jù)不會被重復(fù)傳輸。
4.5 本章小結(jié)
本章對基于工業(yè)以太網(wǎng)的ACE-MD 通訊的應(yīng)用效果進行了分析，以陣列車間為例，闡述了根據(jù)車間的工藝流程進行MES 系統(tǒng)設(shè)計的思路和邏輯分析，著重指出工業(yè)以太網(wǎng)在MES 中的基礎(chǔ)地位，分析了工業(yè)以太網(wǎng)通信在MES 生產(chǎn)控制中的優(yōu)點，展示于基于工業(yè)以太網(wǎng)的MES 系統(tǒng)開發(fā)出的功能界面，并且為了解決在實施過程中碰到的大批量數(shù)據(jù)傳輸問題，提出了RA/TA 的概念，極大的提高了服務(wù)器之間數(shù)據(jù)通信的時效性。最后，就生產(chǎn)后工業(yè)以太網(wǎng)通信可能存在的一些問題做了初步探討。
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本文標題：工業(yè)以太網(wǎng)在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用（三）
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