一种非侵入式的设备控制与数据采集方法及工控装置

技术领域

本发明涉及一种设备的智能制造控制方法，尤其涉及一种非侵入式的设备控制与数据采集方法及工控装置。

背景技术

在半导体制造行业，随着晶圆单片价值越来越大，品质追溯要求趋于严格，而人工操作的不确定性导致产品良率波动较大，因此对于工厂自动化水平的要求是越来越高；并且随着人工成本的不断增加，通过人工完成制造设备的相关操作，逐渐不能满足生产与经营的双重要求。在提升工厂自动化水平的过程中，对于价格昂贵但又无法对外通信的封闭设备，由于经营压力不可直接将其淘汰，那么如何实现这种设备的自动化控制，是一个无法忽视的问题。

例如某半导体制造企业，在生产过程中，有若干通过操作触控屏控制机台的设备，需要此类设备必须满足一定的自动化水平，即可以远程控制和采集数据。此类设备的技术特点是触控屏使用RS232串口将用户操作的信号发送到设备主机，主机根据信号值进行对应的加工操作，同时将作业过程中的生产参数、机台状态等数据以VGA视频信号展示在显示器上。

采用常规的自动控制改造方法将这类设备改造为自动化设备，存在以下问题：常规方案中将主机的输入输出接入外部工控机，会直接导致原触控操作无法施行，设备原显示和触控屏均失效，影响设备原有的操作和显示功能。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种非侵入式的设备控制与数据采集方法及工控装置，通过一种非侵入式的方式完成封闭半导体生产设备的自动化改造，使其在原功能不受影响的基础上，具有对外通信能力，并能够在原控制流程正常流畅运行的情况下实现远程控制与数据采集。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种非侵入式的设备控制与数据采集方法，用于触控控制设备的自动化改造，所述触控控制设备包括主机、显示器和触控屏，触控屏与主机间的一对一串口通讯通过串口转发装置改造为外接工控机与主机、触控屏与主机的“Y”型结构的串口通讯；所述串口转发装置包括微控制单元；主机向显示器提供的视频信号通过分屏器同时显示在显示器以及外接工控机的显示屏上；外接工控机通过实时抓取采集到的视频信号获取所述触控控制设备的实时数据，在外接工控机上部署通讯模块，通过其与上位系统间的通信，实现上位系统对设备的远程控制与数据采集；所述微控制单元转发触控屏与设备主机之间的信号实现原有控制流程，所述微控制单元将外接工控机的串口指令发送至设备主机执行，实现外部指令控制封闭设备。

其中，所述微控制单元发送外接工控机的串口指令至设备主机执行，包括以下步骤：

(11)所述触摸屏产生的控制命令发送到串口转发装置，所述串口转发装置将控制命令转发到设备主机和外接工控机；设备主机接收到控制命令之后将回复消息发送到所述串口转发装置，所述串口转发装置将串口命令发送到触摸屏和外接工控机；

(12)外接工控机上获取触摸屏的控制命令和对应的设备主机的回复消息，将该控制命令保存为配置文件，同时分析信号值特征，获得每种操作指令的帧头、帧尾，以及数据长度校验规则；

(13)当需要执行外部指令时，外接工控机将外部指令所配置的控制命令发送到串口转发装置，串口转发装置根据信号值特征，在触控屏与设备主机间的串口信号流中插入控制命令，将控制命令发送到设备主机执行。

所述的外接工控机获取所述触控控制设备的实时数据，包括以下步骤：

(21)通过视频信号采集器将分屏器的一路视频信号转换为电信号发送至外接工控机；

(22)外接工控机通过视频信号采集软件将视频信号实时显示在工控机界面；

(23)通过外接工控机上部署的OCR软件，实时抓取采集到的视频信号，获取设备的启动、停止、加工进程的实时数据。

所述的在外接工控机上部署通讯模块，通过其与上位系统间的通信，实现上位系统对设备的远程控制与数据采集，包括以下过程：所述通讯模块将所获取的设备实时数据转换成标准的Secs/GEM协议格式，通过网口将其上传至上位系统；所述通讯模块与上位系统实时通信，根据上位系统的不同指令，调用串口模块，发送对应的串口消息模拟触屏点击，从而实现设备的远程控制。

对应的，本发明提出一种工控装置，用于触控控制设备的自动化改造，所述触控控制设备包括主机、显示器和触控屏，该工控装置包括分屏器、视频信号采集器、串口转发装置和外接工控机；外接工控机的串口模块、触控屏的串口模块以及主机的串口模块通过所述串口转发装置电连接；所述串口转发装置包括微控制单元；主机向显示器提供的视频信号通过分屏器同时显示在显示器以及外接工控机的显示屏上；外接工控机通过视频信号采集器实时抓取采集到的视频信号获取所述触控控制设备的实时数据，外接工控机上部署有通讯模块，通过其与上位系统间的通信，实现上位系统对设备的远程控制与数据采集；所述微控制单元转发触控屏与设备主机之间的信号实现原有控制流程，所述微控制单元将外接工控机的串口指令发送至设备主机执行，实现外部指令控制封闭设备。

进一步的，所述串口转发装置还包括为所述微控制单元供电的电源以及计时晶振。所述视频信号采集器通过USB接口接入到外接工控机。所述通讯模块采用Secs/GEM通信协议。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明能够在不影响原操作和显示的基础上，完成对无网络连接不可远程控制的封闭设备的远程控制与数据采集，实现此类设备的外部自动化控制。本发明解决了在封闭设备的原功能不受影响的前提下如何与外部通信，以及如何在原控制流程正常流畅运行的情况下实现远程控制与数据采集。本发明的应用能够使诸多封闭式设备在较小的代价下实现自动化升级改造，减少工人的工作强度，降低操作出错的概率，达到防呆效果，同时节约人工成本，提高工厂的自动化水平。

附图说明

图1是本发明所述工控装置的模块图；

图2是串口转发装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种非侵入式的设备控制与数据采集方法，首先，通过针对设备主机的输出视频通讯与输入串口通讯的硬件改造，在不影响其原操作功能的基础上，将以上两路输出输入信号转接至外接的工控机，形成两个“Y”型通讯结构，作为软件工作的基础；然后，对于串口信号部分，使用iSecs软件发送串口命令，通过串口转发装置，将其无间隙地插入到原信号流中，模拟触控屏的触摸信号完成对设备的远程控制；对于视频信号部分，利用视频信号采集器，将其视频实时展示在工控机桌面，使用iSecs软件进行界面变化的监控与相关显示数据的采集，完成对设备的数据采集。改造过程包括如下步骤：

(1)将触控屏与主机间的一对一串口通讯，通过串口转发装置，改造为外接工控机与主机、触控屏与主机，“Y”型结构的串口通讯。具体包括：

(11)外接工控机的串口模块、触控屏的串口模块以及主机的串口模块分别接入所述串口转发装置上的三个串口；

(12)保证设备正常工作：在触摸屏上进行点击操作将控制命令通过串口发送到串口转发装置，串口转发装置将控制命令转发到设备主机和外接工控机。设备主机接收到控制命令之后将回复消息发送到串口转发装置，串口转发装置将串口命令发送到触摸屏和外接工控机；

(13)外接工控机上获取触摸屏的控制命令和设备主机的回复消息，将该控制命令保存为配置文件，同时分析信号值特征，获得每种操作指令的帧头、帧尾，以及数据长度校验规则；

(14)外接控制命令转发：需要外部信号发送到设备主机，外接控制主机将配置的控制命令发送到串口转发装置，串口转发装置根据信号值特征，在触控屏与设备主机间的串口信号流中插入控制命令，将控制命令发送到设备主机；

(2)将主机向显示器提供的VGA视频信号，通过分屏器转换为两路，一路仍接入显示器，另一路通过视频信号采集器接入外接工控机。

(21)设备主机视频信号线接入分屏器，将VGA信号从分屏器分别接出到设备显示器和视频信号采集器；

(22)视频信号采集器将VGA信号转换为电信号，以USB形式接入到外接工控机；

(23)在外接工控机上安装视频信息采集软件，将VGA信号实时显示在工控机界面；

(3)在外接工控机上部署iSecs软件，通过其与上位的SDR系统间的TCP通信，实现上位系统对设备的远程控制与数据采集。上位系统通过tcp通讯控制iSecs软件；上位系统对外暴露SECS通讯接口供EAP连接。

外接工控机的通讯模块与OCR软件通信获取设备的实时数据，并转换成标准的Secs/GEM协议格式，通过网口将其上传至上位系统。

SECS/GEM(Semiconductor Equipment Communication Standard/GenericEquipment Model)协议是半导体设备和主机进行通信的协议。更确切地说，SECS/GEM是一组协议的统称。HSMS(High-Speed SECS Message Services)采用TCP/IP协议传输信息，规定了设备和主机传输时的传输格式、消息头等信息。SECS-II规定了传输数据的标准结构。GEM(Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment)可以理解成是SECS-II协议的一个子集。只需要实现SECS-II里面最常用的功能。

外接工控机的通讯模块与上位系统实时通信，根据上位系统的不同指令，调用串口模块，发送对应的串口消息模拟触屏点击，从而实现设备的远程控制。

本发明所述的一种工控装置，用于触控控制设备的自动化改造，如图1所示，待改造的触控控制设备属于无网络连接不可远程控制的封闭设备，包括主机、显示器和触控屏。该工控装置包括分屏器、视频信号采集器、串口转发装置和外接工控机；触控控制设备主机的视频信号通过所述分屏器分为两路，分别发送至触控控制设备的显示器和所述视频信号采集器，所述视频信号采集器将视频信号转化为数字信号发送至所述外接工控机，外接工控机通过视频信号采集软件将视频信号实时显示在工控机的显示界面。外接工控机的串口模块、触控屏的串口模块以及主机的串口模块通过所述串口转发装置电连接；所述串口转发装置包括微控制单元，所述微控制单元用于转发触控屏与设备主机之间的信号实现原有控制系统不变，同时在触控屏与设备主机间的串口信号流中插入外接工控机发出的串口指令，发送至设备主机执行，实现外部指令控制封闭设备。其中，所述串口转发装置还包括为所述微控制单元供电的电源、晶振以及三个串口模块。所述视频信号采集器通过USB接口接入到外接工控机。所述外接工控机上部署有iSecs软件，该软件采用Secs/GEM通信协议，将数据转换成标准的Secs/GEM协议格式。视频采集装置型号为VGA2USB，微控制单元为stm32f767igt6。