第四章 基于工业以太网的MES的实施及效果分析
工业以太网在MES 中的应用，使MES 系统的兼容性和异常情况下的生存能力得到了极大的提高，在生产线信息系统的数据传输中也具有了强大的二次开发的基础。根据生产线各个车间的特点，可以对信息系统结构进行合理的二次开发，从而满足各个车间数据传输的需求。本文所讨论的生产线在底层设备和设备群之间进行了二次开发，增加基于以太网传输的设备集成层，设备集成层位于底层设备和MES 之间，将底层设备的信号经过“翻译”送到MES 系统中，并且对MES 系统向底层设备方发出的指令进行执行和翻译，在信息传输到MES 的过程中起到了桥梁作用，这样的结构大大提高了底层设备识别和系统数据传输的能力。同时设备集成层也承担了生产工艺流程动作逻辑实现的功能，因此在设备集成的开发过程中，将工艺流程中的每一道工序的动作逻辑通过设备集成层分解成具体的设备动作并传达给底层设备进行执行。
4.1 工业以太网结构在MES 中的应用
由于液晶生产线某些工艺的相关性比较强，设备之间的协同能力就显得非常重要，为了保证工序的连贯性，设计方案中把几台类似或相关工序的设备采用设备间通信的方式连接起来，构成一个设备群，这些设备群仍然会将数据发送到VFCT 服务器，接受MES 的系统指令。在MES 高层应用功能日益复杂化的同时，由于数据格式和数据分类的问题，很难直接将MES 的一些指令传送到每一台设备。为了解决上述问题，同时考虑到工业以太网结构的兼容性，在MES 和底层设备之间，加入一层，称之为设备集成层（Equipment Integrated Layer，简称EI 层），该层对以太网在MES 中的应用起了重要的桥梁作用。
4.1.1 设备集成层解决方案
设备集成层（EI 层）定义于MES 和设备之间，它是基于工业以太网传输的，其目的之一是将底层设备传送上来的数据进行汇总，根据MES 的需要将设备数据传输到MES 的各种应用服务器中去。同时，EI 需要根据生产进度和MES 的任务调度，对各种生产设备和设备群进行动作指令的下达，它与设备之间的通信通过改进后的工业以太网（ACE-MD）进行，EI 在整个生产线中的地位和液晶生产系统中各个信息化系统之间的数据传输方式如图4-1 所示。
图4-1 EI 在MES 中所处位置
4.1.2 EI 层功能分析
EI 层将设备与MES 系统连接起来，成为MES 向设备下达指令的执行层。接下来将以阵列车间的EI 为例，阐述EI 开发的主要功能和实现方式。开发调试成功后的EI 应用于生产线，主要从生产设备、测定设备、搬运设备和港湾式设备群（BayStocker）采集数据。其中生产设备和测定设备的数据主要用于执行各种操作，按照各种工序要求将半成品进行装箱以便于搬运，将测定设备的数据反馈到检查服务器以供MES 应用模块分析，设备状态的显示、搬送状态的显现、报警和重新再加工工序信息的显示等；搬运设备传入EI 层的数据主要用于生成搬运报告，其中包括目的地地址变更，搬运设备报警，搬运指示，取消搬运，人工搬运（Manual Guided Vehicle，简称MGV）、自动搬运（Automatic Guided Vehicle，简称AGV）和架空式搬运（OverHead Shuttle，简称OHS）状态之间的切换等；从Stocker 中采集的数据主要用于显示传送到的在制品入库、出库报告，报警信息，报警后强制性出库制式，每个设备群内设备的操作位状态等。EI 对所有连入MES 的设备进行的功能汇总如图4-2 所示。
这种EI 层与设备层之间的通信，都是以基于经过本文设计改进后的工业以太网（ACE-MD）的通信；除此之外，EI 层还担负着向MES 的应用模块提供数据，随时将MES 下达的控制指令传送到Online 的设备上的任务，不过EI 与MES 之间的通信已经不是基于ACD-MD 通信了，由于涉及到服务器之间的数据交换和同步，EI 与MES 之间的通信采用带有发送/接收代理的工业以太网通信，这里就不在进行进一步论述。
图4-2 EI 在阵列车间内的功能说明
4.2 EI 层的开发思路和效果界面分析
阵列车间设备的EI 开发更加能说明本次设计的开发思路。对底层设备来说，EI 主要起着采集数据状态，并将设备的运行情况送到MES 的生产线监控系统中进行显示的作用，阵列车间中主要安放的设备呈U 字形港湾式排列，每个设备或设备群之间采用架空的自动搬运设备进行玻璃基板和液晶半成品的传输。阵列厂房中所存在的工艺流程主要有：从玻璃基板的投入开始（阵列投入），经过成膜和PR（辐射曝光）等化学反应，使得玻璃基板成为对液晶敏感的LCD 半成品基板，对半成品基板进行检验，合格的进行阵列的入库操作，否则继续进行成膜和PR 工序，工艺流程图如图4-3 所示，在EI 的设计中，首先需要对整个阵列车间的工艺流程进行抽象分析，将其中可以模式化的东西抽象出来，进行可程序化，例如在阵列厂房的工艺流程中，就以玻璃基板投入点的信息采集到的数据为输入，把阵列车间的检查工序采集到的数据作为信息的一个处理环节。根据检查工序的结果，如果部分没有达到成膜要求的液晶面板半成品需要重新再次进行成膜和曝光，因此成膜工序和曝光工序可以设置成一个条件循环，检查合格后的产品入库时候采集的信息，可以作为整个逻辑模块的输出。
图4-3 阵列车间工艺流程
根据工艺流程，EI 首先将设备分为三类设备群：清洗/检查设备，成膜设备，PR设备，从玻璃基板的Array 投入开始，这三个工艺流程循环进行，直到检查合格出库为止，开发逻辑模型如图4-4 所示，
图4-4 阵列车间EI 运行逻辑模型
在EI 的系统开发中，主要需要实现的功能为：Lot（盛放液晶面板的单位，一箱一共约有30 大片）查询，设备输入输出状态锁定，控制设备群将面板按不同的品质分割，紧急情况下手动进行操作，追溯查询功能等。开发过程中要求从阵列厂房（Array）投入开始，进行循环操作，操作结束后进行检查，如果没有达到一定要求，需要再次进行某些特定工序的加工，在加工操作过程中，需要有工序的跳转功能、再加工的设定/取消功能、即时的停止工序并解除自动操作切换到手工操作的功能。为了实现上述的开发逻辑和开发思路，需要定义设备并具备可视化操作界面，同时兼顾阵列车间的生产流程，设计采取了图形化操作，每个设备的详细情况可在设备位置示意图上进行查询，同时通过设备的颜色来显示工艺流程的进行状况。
图4-5 阵列车间的EI 界面
开发界面中显示的阵列厂房的平面图如图4-5 所示，港湾式的结构将设备分为不同的设备群，每个设备群之间通过港湾上方的OHS 自动搬运装置连接，以保证自动生产情况下工艺的连续性，可以通过生产线显示界面上方的设备编号来选择对那个设备/设备群进行操作，右方操作界面是针对各种设备和用户权限可以进行操作的。系统会固定时间刷新所有设备的状态，也可以通过上方的更新按钮来手动刷新设备状态。
考虑到实际车间生产中，可能需要选择来对固定车间的不同设备进行操作，而对设备的操作指令分为两类，一类是终端指令，包括查询（数据采集）报告和投入（动作指令）报告，另一类为系统指令，可以定义反馈到EI 服务器的数据传输方式。这时候就需要开发出可以直接定位到车间，通过界面选择设备的人机交互界面，如图4-5 中，设计出的界面可以通过右侧的车间选择，进入不同的车间，当发生异常情况时，采用终端指令查询报告来观察设备状态的变化，以决定下一步的动作，通常为重新进行再次加工或者搬运到下一道工序进行加工。而系统指令可以减少传输所耗费带宽，提高效能，系统指令是需要特殊的授权才可以进行操作的。
如果需要以一般用户身份查看生产投入情况，需要点击各个车间的投入计划表，例如如果假设需要查看阵列车间的投入计划和生产情况，点击“Array shop 投入计划表示”就会进入如图4-6 界面：
图4-6 EI 操作
在EI 操作界面上，需要显示预计生产时间（指定日期），实际生产时间（纳入日期），操作对象的名称（制造品名），操作等级，操作结果，操作者等信息，另外，设计了一个通用的链接方便用户同时查找该设备计划外的生产信息。
4.3 数据读写缓存区管理
由于数据传输中考虑到传输的实时性，因此在整个MES 系统中采用没有回传确认的UDP 协议方式进行，在没有反馈的信息传输中（既没有错误发生的信息传递中），这种传输机制保证了设备数据采集的实时性和准确性。但是，当服务器和现场的任务分配服务器进行数据传输的时候，这种传输方式会出现一些问题，例如VFCT 服务器在向ACE-MD 服务器下达设备群计划更改指令的时候，会有大量的数据从VFCT 服务器传送到现场的ACE-MD 服务器，由于ACE-MD 服务在现场通常安装在用于数据采集的EI 终端，如果遇到EI 也在有数据传送的时候，ACE-MD 服务器可能由于某种原因没有来得及将收到的信息写入自己的数据区域内，这个时候EI 向VFCT 传送的数据会受到影响，而同时如果接收方要求数据马上被读取，也会有很大的延时，甚至发生丢包错误（因为有冲突，没有确认机制）。
为了解决这个问题，设计充分吸收了堆栈方式的优点，对现场数据的传输进行了进一步改进，在ACE 服务器端划出一个缓冲区域来存放这些收到的信息，输出的时候以此输出，这种方式可以大大减少大量数据传输时的延时问题，配合简单的校验，丢包问题得到解决，在数据服务器之间进行数据交换的时候非常有效。
4.3.1 发送端采用发送代理缓冲技术
在发送端，采用发送代理（Transmission Agent）来进行缓存，这种解决方案定义一个缓存区域，将数据先送到缓存然后再传输。
系统将发送代理（Transmission Agent，简称TA）定义为在发送方开辟出来的一个缓存区，可以用来作为待发送数据的缓冲。在ACE.INI 中会定义这种缓存区。Node终端之间进行数据交换时，ACE 会将被传输的数据先传送到TA，TA 确认收到数据后会给发送端（Node 终端，也就是应用端）返回确认信息以确认信息送达，然后数据发送给接收端，如果接收端无响应时，TA 会对数据缓存中的数据进行保留，并在设定的时间段之后进行再次尝试传输。TA 的传输是需要简单校验并返回确认的，因此会牺牲部分实时性，但是相对于服务器之间传输速度的提高，这种实时性的损失可以忽略，同时考虑到服务器之间数据传输的时间点可以选择，并且次数有限，这种顾虑可以完全排除。
图4-7 发送代理发送数据传送原理
在图4-7 中的描述的示例中，AP1 的服务和AP2 的服务需要分别向AP3 的服务和AP4 的服务传送数据，AP1 的服务器、AP2 的服务器和AP3 的服务器在同一个网段，AP4 的服务器在外部网段，在这种情况下，ACE 会先将AP1 和AP2 中需要送出的数据送到对应的TA 中，TA 会根据目标地址和Node 名称判断传输路径，然后由TA 送出，如果在一定时间内没有收到返回确认，则在TA 中进行重传，这样既减少了ACE 服务的负载，保证了传输数据的完整性，又降低了通信的延迟。同时， TA 也可用作向多个数据库拷贝数据时候的数据源区域，这种情况多用于在某些应用需要向多个数据库拷贝数据时，或者数据库之间进行数据备份的时候。比如在图4-8 中，Node 终端AP1 分别要向Node AP3 和Node AP4 发送同样的数据，AP1在发送AP3 到ACE 服务器的时候，ACE 服务器会将发送的数据拷贝一份给到对应于另一个Node AP4 的TA，发送代理一旦受到数据就按照固定的格式进行数据传送，这样可以一次完成两次数据传输，在大大节省网络带宽的同时还减少了备份的应用服务器的负载。
RA 需要向发送方的Node 传送一个确认，这样对实时性有一些影响，但是在服务器同步的时候，对数据完整性能有着较高的要求，权衡下来，如果牺牲一些带宽带来保证实时性，对数据的传输速度提高还是很有利的，采用RA 的接收缓存，最大的优点在于降低了接收Node 上ACE 服务的负载，能够保证现场数据采集数据优先的原则，同时保证了在有冲突的情况下数据传输的完整性。
图4-8 接收代理传送数据原理
需要注意的是， TA/RA 的设计初衷只有在需要大量数据传输并要求传输的数据完整性比较高的情况下使用，现场实时的数据采集使用发送/接收缓冲并不能很好的提高数据传输的性能，而在服务器之间进行数据传输或同步（例如MES 服务器向VFCT服务器进行控制命令更改，或者SPC 服务器向MES 数据库服务器要求大量数据采集）的时候，使用TA/RA 则能够达到节省带宽、减少ACE 服务负载的效果。并且TA/RA只有在没有错误反馈的情况下才会有效传输，这样保证了错误的数据不会被重复传输。
4.5 本章小结
本章对基于工业以太网的ACE-MD 通讯的应用效果进行了分析，以阵列车间为例，阐述了根据车间的工艺流程进行MES 系统设计的思路和逻辑分析，着重指出工业以太网在MES 中的基础地位，分析了工业以太网通信在MES 生产控制中的优点，展示于基于工业以太网的MES 系统开发出的功能界面，并且为了解决在实施过程中碰到的大批量数据传输问题，提出了RA/TA 的概念，极大的提高了服务器之间数据通信的时效性。最后，就生产后工业以太网通信可能存在的一些问题做了初步探讨。
相关连载：
工业以太网在MES系统中的应用（一）上
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96196.htm
工业以太网在MES系统中的应用（一）下
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96197.htm
工业以太网在MES系统中的应用（二）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96220.htm
工业以太网在MES系统中的应用（三）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96236.htm
工业以太网在MES系统中的应用（四）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96262.htm
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本文标题：工业以太网在MES系统中的应用（三）
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