TWI813917B - 乾式真空幫浦之通訊轉換裝置 - Google Patents
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Abstract
一種乾式真空幫浦之通訊轉換裝置包含：第一通訊模組、記憶模組、第二通訊模組以及處理模組，第一通訊模組自乾式真空幫浦之通訊埠接收感測資料封包，記憶模組儲存有可解譯感測資料封包之程式、感測資料之存取位置及識別碼，處理模組擷取感測資料，依據Modbus協定轉換感測資料之編碼，且將轉換編碼之感測資料儲存於記憶模組。當監測主機將包含識別碼之查詢訊息傳輸至第二通訊模組時，處理模組自存取位址讀取轉換編碼之感測資料，編輯識別碼及轉換編碼之感測資料而產生SECS/GEM通訊協定的資料封包，第二通訊模組將SECS/GEM通訊協定的資料封包傳輸至監測主機。
Description
本發明係關於一種通訊轉換裝置，且特別關於乾式真空幫浦之通訊轉換裝置。
半導體製程須使用大量的乾式真空幫浦(Dry Pump)，若乾式真空幫浦的效能不足或故障，會導致加工中晶圓的品質異常，不僅增加製造成本，更可能發生工安事件及延誤交期。圖1為現有乾式真空幫浦監測系統之方塊圖，如圖1所示，乾式真空幫浦監測系統1包含：複數乾式真空幫浦10、複數輸入/輸出閘道器(IOG)11、環狀集線器(Ring Hub)12、資料收集與監視(supervisory control and data acquisition, SCADA)伺服器13、歷史資料庫14、轉碼電腦裝置15及失效偵測及分類(Fault detection and classification, FDC) 伺服器16。各輸入/輸出閘道器11串接多部乾式真空幫浦10，環形集線器12連接全部的輸入/輸出閘道器11與SCADA伺服器13，SCADA伺服器13連接歷史資料庫14，轉碼電腦裝置15經由網路分別連接歷史資料庫14與FDC伺服器16。
由於不同的乾式真空幫浦製造廠商各自訂定感測資料的編碼格式，未使用共同通訊協定來編碼感測資料，而半導體廠的網路通訊採用半導體設備通訊標準(SEMI Equipment Communication Standard/Generic Equipment Model, SECS/GEM)，SCADA伺服器13自環形集線器12接收複數乾式真空幫浦10的感測資料後，將不同格式的感測資料儲存於歷史資料庫14；半導體廠商須進一步設置轉碼電腦裝置15將歷史資料庫14中不同編碼格式的乾式真空幫浦10感測資料轉譯成SECS/GEM編碼格式的感測資料，再將SECS/GEM編碼格式的感測資料存放於轉碼電腦裝置15的資料庫，供FDC伺服器讀取及監測。
現有乾式真空幫浦監測系統屬一對多架構(1:N)，每部SCADA伺服器通常收集數百至數千台乾式真空幫浦的感測資料，各乾式真空幫浦的感測器產生感測資料的時間與SCADA伺服器自環形集線器接收感測資料的時間存在落差，且感測資料須經多次轉碼，FDC伺服器須校正時間差後才能篩選乾式真空幫浦運轉時的感測資料；因此，現有乾式真空幫浦的監測系統無法真正達到即時監測的功能。再者，若發生資料傳輸碰撞或SCADA伺服器異常，則可能導致部分或全部的感測資料流失，而形成監測空窗。如何解決現有技術的種種問題，建置可將不同廠牌乾式真空幫浦的感測資料即時且準確傳輸至監測或控制系統的通訊轉換裝置，即為發展本發明之目的。
為達成上述目的，本發明提供一種乾式真空幫浦之通訊轉換裝置包含：第一通訊模組、記憶模組、第二通訊模組以及處理模組。第一通訊模組一對一連接乾式真空幫浦之通訊埠，且自通訊埠接收感測資料封包。記憶模組儲存有可解譯感測資料封包之程式、感測資料之存取位址及識別碼。第二通訊模組經由第一網路連接至監測主機。處理模組分別連接第一通訊模組、記憶模組及第二通訊模組，解譯該感測資料擷取感測資料，依據Modbus協定轉換感測資料之編碼，且將經轉換編碼之感測資料儲存於記憶模組之存取位址。當監測主機將包含識別碼之查詢訊息傳輸至第二通訊模組時，處理模組自存取位址讀取經轉換編碼之感測資料，編輯識別碼及經轉換編碼之感測資料而產生SECS/GEM通訊協定的資料封包；第二通訊模組將SECS/GEM通訊協定的資料封包傳輸至監測主機。
於一實施例，上述處理模組產生查詢指令，上述第一通訊模組將詢問指令傳輸至上述乾式真空幫浦之通訊埠，上述乾式真空幫浦依據詢問指令產生上述感測資料封包。
於一實施例，上述記憶模組儲存有網路資源位址，上述監測主機之上述查詢訊息包含網路資源位址。
於一實施例，上述感測資料之編碼為二進制，上述處理模組轉換上述感測資料之編碼為十六進制。
於一實施例，上述SECS/GEM通訊協定之資料封包包含上述經轉換編碼之感測資料之正負值及小數點位數。
於一實施例，上述第二通訊模組經由第二網路連接至資料收集主機，當資料收集主機將資料收集訊息傳輸至上述第二通訊模組時，上述處理模組自上述存取位址讀取上述經轉換編碼之感測資料，編輯上述轉換編碼之感測資料而產生Modbus TCP通訊協定之資料封包，上述第二通訊模組將Modbus TCP通訊協定之資料封包傳輸至資料收集主機。
於一實施例，上述第二通訊模組經由第三網路連接至雲端伺服器，當雲端伺服器將資料訂閱訊息傳輸至上述第二通訊模組時，上述處理模組自存取位址讀取上述經轉換編碼之感測資料，編輯上述經轉換編碼之感測資料而產生MQTT通訊協定之資料封包，上述第二通訊模組將MQTT通訊協定之資料封包傳輸至雲端伺服器。
於一實施例，上述記憶模組進一步儲存有上述感測資料之異常範圍，當上述處理模組判斷上述經轉換編碼之感測資料落入異常範圍，上述處理模組產生MQTT通訊協定之通報訊息，上述第二通訊模組將MQTT通訊協定之通報訊息傳輸至上述雲端伺服器。
本發明之乾式真空幫浦之通訊轉換裝置包含第一通訊模組、記憶模組、第二通訊模組及處理模組，其中第一通訊模組一對一接收乾式真空幫浦的感測資料封包，記憶模組儲存多種可解譯乾式真空幫浦的感測資料封包的程式，處理模組可將不同編碼格式的感測資料編碼成Modbus通訊協定的感測資料，且對應監測、收集及其他需求將感測資料編輯成SECS/GEM、Modbus TCP、MQTT等不同通訊協定的感測資料封包，第二通訊模組可即時將感測資料封包傳輸至監測主機、資料收集主機及/或雲端伺服器，監測主機、資料收集主機及/或雲端伺服器不須再次轉碼，即可直接利用感測資料，達成即時且準確監測的目的。
以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習本發明所屬技術領域中之通常知識者在研讀本說明書後可據以實施本發明。
圖2為本發明之乾式真空幫浦之通訊轉換裝置之方塊圖。如圖2所示，乾式真空幫浦之通訊轉換裝置2包含：第一通訊模組21、記憶模組22、第二通訊模組23以及處理模組20，處理模組20分別連接第一通訊模組21、記憶模組22及第二通訊模組23。具體而言，處理模組20為包含中央處理器、動態隨機存取記憶體及周邊電路的晶片，第一通訊模組21為包含設備訊號連接埠(例如：RS-232/422/485)的通訊電路，記憶模組22為預儲存作業系統(Operation System, OS)、多種通訊協定編譯程式及本發明之通訊轉接應用程式的快閃記憶體及周邊電路，第二通訊模組23為包含區域網路連接埠(例如：RJ45)的通訊電路。
圖3為使用本發明之通訊轉換裝置之一乾式真空幫浦監測系統之方塊圖。如圖2及3所示，乾式真空幫浦監測系統3包含一對一配置的複數通訊轉換裝置2與複數乾式真空幫浦10、路由器31及FDC伺服器32，各通訊轉換裝置2的第一通訊模組21一對一連接至乾式真空幫浦10的通訊埠，路由器31分別連接各通訊轉換裝置2的第二通訊模組23與FDC伺服器32。全部的通訊轉換裝置2與路由器31及FDC伺服器32構成區域網路系統，通訊轉換裝置2提供IPv4及IPv6的網路資源位址，使用者可經由遠端連線各通訊轉換裝置2，在處理模組20的使用者介面(User Interface, UI)設定網路資源位址IP(例如：192.168.1.xx)，且將各通訊轉換裝置2的IP儲存於路由器31。
記憶模組22儲存有對應不同廠牌乾式真空幫浦的驅動程式(Driver)及解譯其感測資料封包的程式、及對應感測資料的Modbus協定的存取位址及SECS/GEM通訊標準的識別碼(包含狀態變量識別碼SVID、事件變量識別碼CEID等)，使用者可經由遠端連線通訊轉換裝置2來設定處理模組20詢問(Request)乾式真空幫浦10的感測資料的類型(例如：溫度、壓力、轉速等)和頻率(例如：1秒數次至數秒1次)，第一通訊模組21將詢問感測資料的指令傳輸至乾式真空幫浦10，第一通訊模組21自乾式真空幫浦10的通訊埠接收感測資料封包。以現有半導體廠使用的三種廠牌(Edwards、Ebara及Kashiyama)的乾式真空幫浦為實作範例，通訊轉換裝置2發送詢問指令及接收感測資料封包的編碼格式如下表1至3所示。
表1:Edwards乾式真空幫浦
處理模組20自感測資料封包擷取二進制的3 byte參數，轉換成2 byte十六進制的數據或文字(感測資料)，且依據Modbus協定所定義感測資料的類型及存取位址(記憶體區塊包含：Coil、離散輸入、保存暫存器及輸入暫存器)將轉換編碼的感測資料儲存於記憶模組22。
| (Send) 詢問指令編碼 | 1 byte | 1 byte | 1 byte | 1 byte |
| 查詢要求 | 數值類型 | 參數值 | 結束碼 | |
| (Receive) 第一資料封包編碼 | 3 byte | 2 byte | ||
| 參數數據(感測資料) | 結束碼 |
表2:Ebara乾式真空幫浦
處理模組20自感測資料封包擷取每個分包二進制的7 byte數據，依序轉換成2 byte十六進制的數據(感測資料)，且依據Modbus通訊協定所定義的感測資料類型及存取位址將轉換編碼的感測資料儲存於記憶模組22。
| (Send) 詢問指令編碼 | 1 byte | 3 byte | 8 byte | 1 byte | 2 byte | 1 byte |
| 起始碼 | 指令碼 | 數值要求 | 指令結束碼 | 檢查碼 | 封包結束碼 | |
| (Receive) 第一資料封包編碼 | 1 byte | 2 byte | 7 byte | 1 byte | 2 byte | 1 byte |
| 起始碼 | 數據碼 | 數據 | 數據結束碼 | 檢查碼 | 分包結束碼 | |
| 1 byte | 2 byte | 7 byte | 1 byte | 2 byte | 1 byte | |
| 起始碼 | 數據碼 | 數據 | 數據結束碼 | 檢查碼 | 分包結束碼 | |
| . . (依感測資料分包數量而定) | ||||||
| 1 byte | 3 byte | 1 byte | 2 byte | 1 byte | ||
| 起始碼 | 指令結束碼 | 數據結束碼 | 檢查碼 | 封包結束碼 |
表3: Kashiyama乾式真空幫浦
處理模組20自感測資料封包擷取二進制的100 bytes數據(每4 bytes表示1數據或文字)轉換成2 bytes十六進制的數據及文字(感測資料)，且依據Modbus通訊協定所定義的感測資料類型及存取位址將轉換編碼的感測資料儲存於記憶模組22。
| (Send) 詢問指令編碼 | 1 byte | 1 byte | 2 byte | 2 byte | ||||
| 起始碼 | 功能碼 | 檢查碼 | 結束碼 | |||||
| (Receive) 第一感測資料封包編碼 | 1 byte | 1 byte | 1 byte | 100 byte | 2 byte | 2 byte | ||
| 起始碼 | 回覆碼 | 功能碼 | 感測資料 | 檢查碼 | 封包結束碼 | |||
記憶模組22儲存可解譯感測資料封包的程式不以上述三種廠牌為限，如通訊轉換裝置2需使用於不同廠牌或不同驅動程式及資料編碼格式的乾式真空幫浦，使用者可經由使用者介面擴充乾式真空幫浦10的驅動程式及資料封包的編碼格式。
通訊轉換裝置2及FDC伺服器32之間採用SECS/GEM通訊，FDC伺服器32作為SECS/GEM通訊的監測主機(HOST)。當FDC伺服器32將包含通訊轉換裝置2的IP位址、感測資料的識別碼(例如：狀態變量識別碼SVID或事件變量識別碼CEID)的查詢訊息經由路由器31傳輸至該IP位置的通訊轉換裝置2的第二通訊模組23時，處理模組20自存取位址讀取轉換編碼的感測資料，依據SECS/GEM通訊協定編輯識別碼及轉換編碼的感測資料而產生SECS/GEM通訊協定的感測資料封包，第二通訊模組23將SECS/GEM通訊協定的感測資料封包傳輸至FDC伺服器32。因FDC伺服器32的查詢訊息包含通訊轉換裝置2的IP位址，可防止不同通訊轉換裝置2傳輸感測資料封包，從而避免發生傳輸碰撞或感測資料流失的問題。
值得說明的是，Modbus通訊協定未定義感測資料的正負值及小數點格式，使用者可經由處理模組20的使用者介面設定SECS/GEM通訊協定的感測資料封包的格式、感測資料的正負值及小數點。SEC/GEM通訊協定的狀態變量封包的設定介面如表4所示。
表4
表4中的「資料型別」欄位即可設定感測資料的正負值(位元數對分為半數的低位位元及半數的高位位元，低位位元表示正值，高位位元表示負值)，「尺度」欄位即可設定感測資料的小數點位數(以Modbus格式的數值/10的N次方)。藉此，FDC伺服器32的監測程式可不經轉碼，直接取用第二通訊模組23傳輸的的感測資料來分析乾式真空幫浦10的狀態，達到即時監測的目的。
| 狀態變量識別碼 (SVID) | 存取位址 | 資料型別 (Data Type) | 尺度 (Scale) | |
| 記憶體區塊 (Area) | 位址 (Adress) | |||
| 1200001011 | Holding Registers(4XXXXXX) | 0 | (02)_1_Short | (Edit) |
| 1200001001 | Holding Registers(4XXXXXX) | 5 | (02)_1_Short | (Edit) |
| 1200001010 | Holding Registers(4XXXXXX) | 10 | (02)_1_Short | (Edit) |
| 1200001004 | Holding Registers(4XXXXXX) | 15 | (02)_1_Short | (Edit) |
SECS/GEM通訊協定通常採行主從架構(Master-Slave)，設備接收主機的查詢訊息，再依查詢訊息回傳感測資料封包。於特定的設備異常情況，即使監測主機可即時發現異常，生產線上的原料及產品可能已損害，造成高額的損失。為了早期預警異常，使用者可經由處理模組20的使用者介面設定SECS/GEM通訊協定的預警條件(Pre ALARM)及通報訊息(ALID)，當處理模組20判斷乾式真空幫浦10的感測資料落入異常範圍(例如：壓力值超出真空範圍)，處理模組20產生通報訊息(例如：壓力異常)，第二通訊模組23主動將通報訊息傳輸至FDC伺服器32，以通知監測人員處理早期異常，避免原料及產品的損害。
圖4為使用本發明之通訊轉換裝置之另一乾式真空幫浦監測系統之方塊圖。如圖2及4所示，乾式真空幫浦監測系統4包含一對一配置的複數通訊轉換裝置2與複數乾式真空幫浦10、路由器41、FDC伺服器42及SCADA伺服器43，各通訊轉換裝置2的第一通訊模組21連接至乾式真空幫浦10的通訊埠，第二通訊模組23連接至路由器41，路由器41經由第一網路411及第二網路412分別連接至FDC伺服器42及SCADA伺服器43。
全部的通訊轉換裝置2、路由器41及SCADA伺服器43構成區域網路系統，通訊轉換裝置2及SCADA伺服器43之間採主從架構(Master-Slave) 的Modbus TCP通訊，SCADA伺服器作為Modbus TCP通訊的資料收集主機。當SCADA伺服器43將包含各通訊轉換裝置2的IP位址、感測資料的存取位址的收集訊息傳輸至第二通訊模組23時，處理模組20自記憶模組22的存取位址讀取轉換編碼的感測資料，依據Modbus TCP通訊協定編輯轉換編碼之感測資料而產生Modbus TCP通訊協定的感測資料封包，第二通訊模組23將Modbus TCP通訊協定的感測資料封包傳輸至SCADA伺服器43，SCADA伺服器43再將Modbus TCP通訊協定的感測資料封包儲存於歷史資料庫（未圖示）。不論FDC伺服器42有無傳輸查詢訊息至通訊轉換裝置2，SCADA伺服器43可即時收集且儲存全部乾式真空幫浦的感測資料，供FDC伺服器42或其他工作主機追蹤全部乾式真空幫浦的運作狀態，達成完整且準確監測的目的，且能有效避免發生傳輸碰撞或感測資料流失的問題。
圖5為使用本發明之通訊轉換裝置之另一乾式真空幫浦監測系統之方塊圖。如圖2及5所示，乾式真空幫浦監測系統5包含一對一配置的複數通訊轉換裝置2與複數乾式真空幫浦10、路由器51、FDC伺服器52、SCADA伺服器53及雲端伺服器54，各通訊轉換裝置2的第一通訊模組21連接至乾式真空幫浦10的通訊埠，第二通訊模組23連接至路由器51，路由器51經由第一網路511、第二網路512及第三網路513分別連接FDC伺服器52、SCADA伺服器53及雲端伺服器54。
全部的通訊轉換裝置2、路由器51及雲端伺服器54構成可連接網際網路的區域網路系統，通訊轉換裝置2及雲端伺服器54之間採用代理與客戶(Broker-Client)架構的MQTT通訊，雲端伺服器54可連接網際網路，以建構工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)。當雲端伺服器54將包含通訊轉換裝置2的IP位址、及資料主題的訂閱訊息傳輸至第二通訊模組23時，處理模組20自存取位址讀取轉換編碼的感測資料，依據MQTT通訊協定編輯轉換編碼的感測資料而產生MQTT通訊協定的資料封包，第二通訊模組23將MQTT通訊協定的資料封包傳輸至雲端伺服器54，進而建構製程設備WEB化監控平台。
Modbus TCP通訊協定採主-從式通訊，通訊轉換裝置2屬被動回覆SCADA伺服器53的收集訊息。於本實施例，通訊轉換裝置2的記憶模組22可進一步儲存有感測資料的異常範圍(例如：壓力過高、電流值過高、幫浦轉速過高或過低等)，當處理模組20判斷感測資料落入異常範圍(例如：壓力值超出真空範圍)，處理模組20產生MQTT通訊協定的通報訊息(壓力異常)，第二通訊模組23將MQTT通訊協定的通報訊息傳輸至雲端伺服器54，從而構成主動通報的乾式真空幫浦監測系統。
綜上所述，本發明之乾式真空幫浦之通訊轉換裝置屬一對一監測架構，其中第一通訊模組接收乾式真空幫浦的感測資料封包，記憶模組儲存多種可解譯乾式真空幫浦的感測資料封包的程式，處理模組可將不同編碼格式的感測資料編碼成統一編碼成Modbus通訊協定的感測資料，且對應監測、收集及其他需求將Modbus通訊協定的感測資料編輯成SECS/GEM、Modbus TCP、MQTT等不同通訊協定的感測資料封包，第二通訊模組可即時將感測資料封包傳輸至監測主機、資料收集主機及/或雲端伺服器，監測主機、資料收集主機及/或雲端伺服器不須再次轉碼，即可直接利用感測資料，達成即時且準確監測的目的。
上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項專業之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有此項專業知識者，在未脫離本發明所揭示之精神與技術原理下所完成之一切等效修飾或改變，仍應由本發明之申請專利範圍所涵蓋。
1, 3, 4, 5:乾式真空幫浦監測系統
2:乾式真空幫浦之通訊轉換裝置
10:乾式真空幫浦
11:輸入/輸出閘道器
12:環狀集線器
13, 43, 53:資料收集與監視(SCADA)伺服器
14:歷史資料庫
15:轉碼電腦裝置
16, 32, 42, 52:失效偵測及分類(FDC) 伺服器
20:處理模組
21:第一通訊模組
22:記憶模組
23:第二通訊模組
31, 41, 51:路由器
54:雲端伺服器
411, 511:第一網路
412, 512:第二網路
513:第三網路
圖1為現有乾式真空幫浦監測系統之方塊圖；
圖2為本發明之乾式真空幫浦之通訊轉換裝置之方塊圖；
圖3為使用本發明之通訊轉換裝置之一乾式真空幫浦監測系統之方塊圖；
圖4為使用本發明之通訊轉換裝置之另一乾式真空幫浦監測系統之方塊圖；以及
圖5為使用本發明之通訊轉換裝置之另一乾式真空幫浦監測系統之方塊圖。
2:通訊轉換裝置
20:處理模組
21:第一通訊模組
22:記憶模組
23:第二通訊模組
Claims (7)
- 一種乾式真空幫浦之通訊轉換裝置，包含：第一通訊模組，一對一連接乾式真空幫浦之通訊埠，且自該通訊埠接收感測資料封包；記憶模組，儲存有可解譯該感測資料封包之程式、對應感測資料之存取位址及識別碼、及網路資源位址；第二通訊模組，經由第一網路連接至監測主機；以及處理模組，分別連接該第一通訊模組、該記憶模組及該第二通訊模組，解譯該感測資料封包擷取感測資料，依據Modbus協定轉換該感測資料之編碼，且將該經轉換編碼之感測資料儲存於該記憶模組之該存取位址；當該監測主機將包含識別碼及該網路資源位址之查詢訊息傳輸至該第二通訊模組時，該處理模組自該存取位址讀取該經轉換編碼之感測資料，編輯該識別碼及該經轉換編碼之感測資料而產生SECS/GEM通訊協定之資料封包；該第二通訊模組將該SECS/GEM通訊協定之資料封包傳輸至該監測主機。
- 如請求項1所述乾式真空幫浦之通訊轉換裝置，其中該處理模組產生詢問指令，該第一通訊模組將該詢問指令傳輸至該乾式真空幫浦之通訊埠，該乾式真空幫浦依據該詢問指令產生該感測資料封包。
- 如請求項1所述乾式真空幫浦之通訊轉換裝置，其中該感測資料之編碼為二進制，該處理模組轉換該感測資料之編碼為十六進制。
- 如請求項1所述乾式真空幫浦之通訊轉換裝置，其中該SECS/GEM通訊協定之資料封包包含該經轉換編碼之感測資料之正負值及小數點位數。
- 如請求項1所述乾式真空幫浦之通訊轉換裝置，其中該第二通訊模組經由第二網路連接至資料收集主機，當該資料收集主機將收集訊息傳輸至該第二通訊模組時，該處理模組自該存取位址讀取該經轉換編碼之感測資料，且編輯該經轉換編碼之感測資料而產生Modbus TCP通訊協定之資料封包；該第二通訊模組將該Modbus TCP通訊協定之資料封包傳輸至該資料收集主機。
- 如請求項1所述乾式真空幫浦之通訊轉換裝置，其中該第二通訊模組經由第三網路連接至雲端伺服器，當該雲端伺服器將訂閱訊息傳輸至該第二通訊模組時，該處理模組自該存取位址讀取該經轉換編碼之感測資料，編輯該經轉換編碼之感測資料而產生MQTT通訊協定之資料封包，該第二通訊模組將該MQTT通訊協定之資料封包傳輸至該雲端伺服器。
- 如請求項6所述乾式真空幫浦之通訊轉換裝置，其中該記憶模組復儲存有該感測資料之異常範圍，當該處理模組判斷該經轉換編碼之感測資料落入該異常範圍，該處理模組產生MQTT通訊協定之通報訊息，該第二通訊模組將該MQTT通訊協定之通報訊息傳輸至該雲端伺服器。
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