第四章 基于工業(yè)以太網的MES的實施及效果分析
工業(yè)以太網在MES 中的應用，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，在生產線信息系統(tǒng)的數據傳輸中也具有了強大的二次開發(fā)的基礎。根據生產線各個車間的特點，可以對信息系統(tǒng)結構進行合理的二次開發(fā)，從而滿足各個車間數據傳輸的需求。本文所討論的生產線在底層設備和設備群之間進行了二次開發(fā)，增加基于以太網傳輸的設備集成層，設備集成層位于底層設備和MES 之間，將底層設備的信號經過“翻譯”送到MES 系統(tǒng)中，并且對MES 系統(tǒng)向底層設備方發(fā)出的指令進行執(zhí)行和翻譯，在信息傳輸到MES 的過程中起到了橋梁作用，這樣的結構大大提高了底層設備識別和系統(tǒng)數據傳輸的能力。同時設備集成層也承擔了生產工藝流程動作邏輯實現的功能，因此在設備集成的開發(fā)過程中，將工藝流程中的每一道工序的動作邏輯通過設備集成層分解成具體的設備動作并傳達給底層設備進行執(zhí)行。
4.1 工業(yè)以太網結構在MES 中的應用
由于液晶生產線某些工藝的相關性比較強，設備之間的協(xié)同能力就顯得非常重要，為了保證工序的連貫性，設計方案中把幾臺類似或相關工序的設備采用設備間通信的方式連接起來，構成一個設備群，這些設備群仍然會將數據發(fā)送到VFCT 服務器，接受MES 的系統(tǒng)指令。在MES 高層應用功能日益復雜化的同時，由于數據格式和數據分類的問題，很難直接將MES 的一些指令傳送到每一臺設備。為了解決上述問題，同時考慮到工業(yè)以太網結構的兼容性，在MES 和底層設備之間，加入一層，稱之為設備集成層（Equipment Integrated Layer，簡稱EI 層），該層對以太網在MES 中的應用起了重要的橋梁作用。
4.1.1 設備集成層解決方案
設備集成層（EI 層）定義于MES 和設備之間，它是基于工業(yè)以太網傳輸的，其目的之一是將底層設備傳送上來的數據進行匯總，根據MES 的需要將設備數據傳輸到MES 的各種應用服務器中去。同時，EI 需要根據生產進度和MES 的任務調度，對各種生產設備和設備群進行動作指令的下達，它與設備之間的通信通過改進后的工業(yè)以太網（ACE-MD）進行，EI 在整個生產線中的地位和液晶生產系統(tǒng)中各個信息化系統(tǒng)之間的數據傳輸方式如圖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 層將設備與MES 系統(tǒng)連接起來，成為MES 向設備下達指令的執(zhí)行層。接下來將以陣列車間的EI 為例，闡述EI 開發(fā)的主要功能和實現方式。開發(fā)調試成功后的EI 應用于生產線，主要從生產設備、測定設備、搬運設備和港灣式設備群（BayStocker）采集數據。其中生產設備和測定設備的數據主要用于執(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，將測定設備的數據反饋到檢查服務器以供MES 應用模塊分析，設備狀態(tài)的顯示、搬送狀態(tài)的顯現、報警和重新再加工工序信息的顯示等；搬運設備傳入EI 層的數據主要用于生成搬運報告，其中包括目的地地址變更，搬運設備報警，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 中采集的數據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，每個設備群內設備的操作位狀態(tài)等。EI 對所有連入MES 的設備進行的功能匯總如圖4-2 所示。
這種EI 層與設備層之間的通信，都是以基于經過本文設計改進后的工業(yè)以太網（ACE-MD）的通信；除此之外，EI 層還擔負著向MES 的應用模塊提供數據，隨時將MES 下達的控制指令傳送到Online 的設備上的任務，不過EI 與MES 之間的通信已經不是基于ACD-MD 通信了，由于涉及到服務器之間的數據交換和同步，EI 與MES 之間的通信采用帶有發(fā)送/接收代理的工業(yè)以太網通信，這里就不在進行進一步論述。
圖4-2 EI 在陣列車間內的功能說明
4.2 EI 層的開發(fā)思路和效果界面分析
陣列車間設備的EI 開發(fā)更加能說明本次設計的開發(fā)思路。對底層設備來說，EI 主要起著采集數據狀態(tài)，并將設備的運行情況送到MES 的生產線監(jiān)控系統(tǒng)中進行顯示的作用，陣列車間中主要安放的設備呈U 字形港灣式排列，每個設備或設備群之間采用架空的自動搬運設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），經過成膜和PR（輻射曝光）等化學反應，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據為輸入，把陣列車間的檢查工序采集到的數據作為信息的一個處理環(huán)節(jié)。根據檢查工序的結果，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置成一個條件循環(huán)，檢查合格后的產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
根據工藝流程，EI 首先將設備分為三類設備群：清洗/檢查設備，成膜設備，PR設備，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，設備輸入輸出狀態(tài)鎖定，控制設備群將面板按不同的品質分割，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，需要有工序的跳轉功能、再加工的設定/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。為了實現上述的開發(fā)邏輯和開發(fā)思路，需要定義設備并具備可視化操作界面，同時兼顧陣列車間的生產流程，設計采取了圖形化操作，每個設備的詳細情況可在設備位置示意圖上進行查詢，同時通過設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，港灣式的結構將設備分為不同的設備群，每個設備群之間通過港灣上方的OHS 自動搬運裝置連接，以保證自動生產情況下工藝的連續(xù)性，可以通過生產線顯示界面上方的設備編號來選擇對那個設備/設備群進行操作，右方操作界面是針對各種設備和用戶權限可以進行操作的。系統(tǒng)會固定時間刷新所有設備的狀態(tài)，也可以通過上方的更新按鈕來手動刷新設備狀態(tài)。
考慮到實際車間生產中，可能需要選擇來對固定車間的不同設備進行操作，而對設備的操作指令分為兩類，一類是終端指令，包括查詢（數據采集）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 服務器的數據傳輸方式。這時候就需要開發(fā)出可以直接定位到車間，通過界面選擇設備的人機交互界面，如圖4-5 中，設計出的界面可以通過右側的車間選擇，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才可以進行操作的。
如果需要以一般用戶身份查看生產投入情況，需要點擊各個車間的投入計劃表，例如如果假設需要查看陣列車間的投入計劃和生產情況，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，需要顯示預計生產時間（指定日期），實際生產時間（納入日期），操作對象的名稱（制造品名），操作等級，操作結果，操作者等信息，另外，設計了一個通用的鏈接方便用戶同時查找該設備計劃外的生產信息。
4.3 數據讀寫緩存區(qū)管理
由于數據傳輸中考慮到傳輸的實時性，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備數據采集的實時性和準確性。但是，當服務器和現場的任務分配服務器進行數據傳輸的時候，這種傳輸方式會出現一些問題，例如VFCT 服務器在向ACE-MD 服務器下達設備群計劃更改指令的時候，會有大量的數據從VFCT 服務器傳送到現場的ACE-MD 服務器，由于ACE-MD 服務在現場通常安裝在用于數據采集的EI 終端，如果遇到EI 也在有數據傳送的時候，ACE-MD 服務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據區(qū)域內，這個時候EI 向VFCT 傳送的數據會受到影響，而同時如果接收方要求數據馬上被讀取，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，設計充分吸收了堆棧方式的優(yōu)點，對現場數據的傳輸進行了進一步改進，在ACE 服務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據傳輸時的延時問題，配合簡單的校驗，丟包問題得到解決，在數據服務器之間進行數據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
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，將數據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)送數據的緩沖。在ACE.INI 中會定義這種緩存區(qū)。Node終端之間進行數據交換時，ACE 會將被傳輸的數據先傳送到TA，TA 確認收到數據后會給發(fā)送端（Node 終端，也就是應用端）返回確認信息以確認信息送達，然后數據發(fā)送給接收端，如果接收端無響應時，TA 會對數據緩存中的數據進行保留，并在設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，同時考慮到服務器之間數據傳輸的時間點可以選擇，并且次數有限，這種顧慮可以完全排除。
圖4-7 發(fā)送代理發(fā)送數據傳送原理
在圖4-7 中的描述的示例中，AP1 的服務和AP2 的服務需要分別向AP3 的服務和AP4 的服務傳送數據，AP1 的服務器、AP2 的服務器和AP3 的服務器在同一個網段，AP4 的服務器在外部網段，在這種情況下，ACE 會先將AP1 和AP2 中需要送出的數據送到對應的TA 中，TA 會根據目標地址和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 服務的負載，保證了傳輸數據的完整性，又降低了通信的延遲。同時， TA 也可用作向多個數據庫拷貝數據時候的數據源區(qū)域，這種情況多用于在某些應用需要向多個數據庫拷貝數據時，或者數據庫之間進行數據備份的時候。比如在圖4-8 中，Node 終端AP1 分別要向Node AP3 和Node AP4 發(fā)送同樣的數據，AP1在發(fā)送AP3 到ACE 服務器的時候，ACE 服務器會將發(fā)送的數據拷貝一份給到對應于另一個Node AP4 的TA，發(fā)送代理一旦受到數據就按照固定的格式進行數據傳送，這樣可以一次完成兩次數據傳輸，在大大節(jié)省網絡帶寬的同時還減少了備份的應用服務器的負載。
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，但是在服務器同步的時候，對數據完整性能有著較高的要求，權衡下來，如果犧牲一些帶寬帶來保證實時性，對數據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 服務的負載，能夠保證現場數據采集數據優(yōu)先的原則，同時保證了在有沖突的情況下數據傳輸的完整性。
圖4-8 接收代理傳送數據原理
需要注意的是， TA/RA 的設計初衷只有在需要大量數據傳輸并要求傳輸的數據完整性比較高的情況下使用，現場實時的數據采集使用發(fā)送/接收緩沖并不能很好的提高數據傳輸的性能，而在服務器之間進行數據傳輸或同步（例如MES 服務器向VFCT服務器進行控制命令更改，或者SPC 服務器向MES 數據庫服務器要求大量數據采集）的時候，使用TA/RA 則能夠達到節(jié)省帶寬、減少ACE 服務負載的效果。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據不會被重復傳輸。
4.5 本章小結
本章對基于工業(yè)以太網的ACE-MD 通訊的應用效果進行了分析，以陣列車間為例，闡述了根據車間的工藝流程進行MES 系統(tǒng)設計的思路和邏輯分析，著重指出工業(yè)以太網在MES 中的基礎地位，分析了工業(yè)以太網通信在MES 生產控制中的優(yōu)點，展示于基于工業(yè)以太網的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據傳輸問題，提出了RA/TA 的概念，極大的提高了服務器之間數據通信的時效性。最后，就生產后工業(yè)以太網通信可能存在的一些問題做了初步探討。
相關連載：
工業(yè)以太網在MES系統(tǒng)中的應用（一）上
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工業(yè)以太網在MES系統(tǒng)中的應用（一）下
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工業(yè)以太網在MES系統(tǒng)中的應用（四）
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