SSCNET在半导体及光电产业设备的应用

前言

一般讨论运动控制的文章都比较偏重于工具机的范畴，它牵涉到比较多的运动轨迹规划及控制理论，但由于近年来半导体产业及光电产业的蓬勃发展，生产设备的需求也日趋增加。 传统的生产设备大多归类在工厂自动化(FA)的范围，大多使用PLC控制器来控制生产的流程，然而这些应用多半不符合现今要求高产能且高复杂度的半导体设备及光电产业设备，因为轴数的增加以及控制方式日益复杂化，设备所要求的动作不再是简单的开关控制或是过程控制，通常用到数据库、网络连结以及影像检测系统，而且每次的动作都是根据外在变量来规划，又必须做精确的定位及高速的动作，这些复杂的功能还必须架构在多执行绪的程序中执行，以往的PLC 的控制器不够使用。 因此机器自动化(MA)领域也就日渐抬头。设备业中的软件工程师工作量日趋繁重，不再只是偏重于机构或是电控，而这些原本的PLC系统也渐渐被软硬件越来越成熟的PC based 所取代。本文将通过SSCNET系统来讨论几个半导体设备及光电设备业常用的功能，期望通过本文能对正在为两兆双星产业设备而努力的工程师们有所帮助。

SSCNET的控制架构

SSCNET是一个专为运动控制所制定的网络通讯协议，它是由三菱电机名古屋制作所于90年代初期发展的新一代运动控制架构，最新的一代(SSCNET III)采用光纤系统，并配合更高性能的伺服驱动器(J3B)。光是一二代在市场上应用已超过两百万轴，所以是一个很成功的串行运动控制技术。它的原理并不复杂，要使用它必须分成四层来说明，如图1：以SSCNET的规格来说，每个T代表0.888ms，可以控制6轴。但市面上已有 ADLINK SSCNET motion card 可在0.888ms 控制 12 轴而且是在同一个时钟周期上，也就是说可以做12轴同动。

图1

1. 马达控制层

建构在三菱的B-type伺服驱动器中，保留原本三菱的伺服控制技术并外加了通讯接口，固定时钟接收伺服指令及传回伺服状态，并控制马达的位置、速度及扭力，可用Station ID switch 指定轴号，不受配线顺序影响。

2. 网络通讯层

主要的技术是在同一条网络上的所有轴都依循一个固定的控制周期来运作，也就是控制上具有多轴等时性的特性。因此能达到运动控制上的多轴绝对同步，通信上则是以Master/Slave的架构来进行。Master IC一般都是在主控计算机端，Slave IC 则是内嵌于伺服驱动器。Master IC 负责在控制周期内将指令传送至各轴，并接收从各轴Slave IC传来的信息，其同步时钟为0.888ms。

3. 运动控制层

必须有一个同步于SSCNET的运动控制系统，负责将这些指令放到SSCNET的Master IC 并且将各轴信息由Master IC 取回。这个控制系统在PC based上有两种作法：第一种是利用一颗微处理器接收Master IC 的控制周期中断，并于固定的时间内将该周期的运动命令计算出来并送给Master IC。当然同时间也必须读回Master IC上的信息，这颗微处理器是独立于PC之外，通常会设计在外围控制卡上，以凌华的 PCI-8372而言，是采用TI的浮点运算DSP。另外一种是利用PC上的CPU接收Master IC 的控制周期中断，同样的，必须于固定的时间内将该周期的运动命令计算出来并送给Master IC，以工研院机械所开发的SSCNET-N601而言，是采用VenturCom的RTX开发环境，前者的好处是稳定且方便机台设计者使用，后者的好处是机台设计者可以直接控制SSCNET，但必须考虑同步问题。

4. 使用者接口层

这一层是纯软件，通常会与运动控制层紧密配合，由于最终的使用者(设备制造商)还是必须通过运动控制卡所附的接口函式或是图控组件来设计机台的生产程序，所以这一层对于商品化的SSCNET控制卡格外重要。业界大部分的设备软件开发者都希望有个友善的使用者接口，少部分的使用者则喜欢由运动控制层做起。半导体设备及光电产业的设备特性是少量多样，所以适用于前者，工具机及产业机械的特性是多量少样，适用于后者。由运动控制层做起的使用者多半具有学术理论背景，或本来就具有这样的技术，所以会希望由控制层作起，如此一来运动控制卡就只是一张适配卡。由使用者接口层做起的使用者多半握有设备生产方式的核心技术，只要利用厂商开发出之泛用或专用函式，就可以轻易的将设备的功能设计出来，他们所需要的只是产品的可靠性，并不需要知道太多的运动控制理论。如图一的使用者接口层，使用者的命令是不需要跟SSCNET的通讯周期同步，因此可以降低设备开发者的困扰。本文接下来要通过凌华科技(ADLINK) 所开发的 PCI-8372 SSCNET 12轴运动控制卡(如图2) 来介绍现今半导体业以及光电产业常用的功能。

图2

半导体设备及光电产