虛擬量測由于成本低、部署快、收效明顯，已經(jīng)在半導(dǎo)體、光電、能源、化工行業(yè)得到了大量的應(yīng)用。

01

背景

手機(jī)、平板等電子產(chǎn)品的普及，造成關(guān)鍵的原材料之一，即電子玻璃的需求激增。電子玻璃不僅包括手機(jī)蓋板玻璃，還廣泛應(yīng)用在液晶基板、OLED基板等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

電子玻璃的制造分為兩種，即浮法和溢流法。溢流法相對于浮法，有著如有較高的玻璃應(yīng)變點；有較低的密度；更佳的耐化學(xué)性；更高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點，因此得到了美國康寧、日本旭硝子和電氣硝子等三家主流玻璃廠家的采用，其電子玻璃已廣泛應(yīng)用在包括蘋果、華為、三星、魅族等的高端手機(jī)上。但是由于其生產(chǎn)過程對工藝和質(zhì)量的要求非常高，因此國內(nèi)很多廠家，如彩虹、東旭和華映，雖然也采用了溢流法的工藝，但是在質(zhì)量和產(chǎn)能上一直沒有辦法保持高品質(zhì)穩(wěn)定生產(chǎn)，因此全球市場份額90%以上主要被美國康寧、日本旭硝子和電氣硝子所占據(jù)。

基于溢流法的電子玻璃的生產(chǎn)過程大致如下圖所示：

電子玻璃前面部分是流程性生產(chǎn)，將原材料放置于池爐中，通過高溫熔化，形成半液態(tài)膠狀體，再通過馬弗爐的溢流磚，在受重力影響、膠體下溢的過程中，通過兩邊裝有熱電偶的冷凝管進(jìn)行淬火成片，到了馬弗爐低端再使用機(jī)械臂進(jìn)行切片。后半部分是離散制造，即對成片后的玻璃進(jìn)行傳輸、磨邊和在線的檢驗（檢驗結(jié)石、氣泡等缺陷），最后進(jìn)入按小時抽樣的離線檢測環(huán)節(jié)。

在玻璃的離線檢驗環(huán)節(jié)，質(zhì)檢工程師會使用專業(yè)的光學(xué)儀器測量玻璃片在不同位置的厚度，對厚度進(jìn)行對比。如果不同區(qū)域的厚度差值超過一定范圍，就會影響電子玻璃的成色，導(dǎo)致色差，這類質(zhì)量缺陷叫做翹曲。

翹曲產(chǎn)生的原因一般都是因為馬弗爐里的熱電偶控制出現(xiàn)了偏離。在馬弗爐溢流的過程中，馬弗爐里面有數(shù)百個呈柵格狀分布的熱電偶，在重力下溢的過程中，對膠狀體進(jìn)行淬火，雖然不同的熱電偶控制參數(shù)都會設(shè)置容忍的工作范圍，超出門限會告警。但是為了保證在不同環(huán)境和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的魯棒性，這些控制門限往往都是靜態(tài)門限，不會自動調(diào)整，而且通常會設(shè)置得較為寬泛，因此會導(dǎo)致在不同產(chǎn)品的工藝要求下，即使工作在容忍限以內(nèi)，仍然會出現(xiàn)翹曲的缺陷問題。

翹曲一旦出現(xiàn)，傳統(tǒng)的解決方案是基于翹曲產(chǎn)生位置的離線報告，由技術(shù)人員手動挑選出來厚度數(shù)據(jù)，再根據(jù)專家的經(jīng)驗去調(diào)整馬弗爐特定位置的熱電偶控制參數(shù)。同時，熱電偶控制參數(shù)的調(diào)整范圍也是根據(jù)專家的經(jīng)驗，并沒有明確的量化值，只能不斷去嘗試增大或者減少熱電偶的功率反復(fù)嘗試。

同時，因為溫度調(diào)整和最終的質(zhì)檢質(zhì)檢，相隔了幾個小時，因此即使溫度出現(xiàn)了偏差，也只能在后期幾個小時的光學(xué)檢驗中才能知道，因此調(diào)整工藝參數(shù)到發(fā)現(xiàn)問題改進(jìn)之間隔了幾個小時的時間，因此每次嘗試都會花很長時間。

正是因為這些問題的存在，導(dǎo)致一旦出現(xiàn)翹曲，產(chǎn)線就有可能幾個星期都無法正常生產(chǎn)，非常影響綜合的良率和產(chǎn)量。

02

方案

寄云科技與中國電子彩虹集團(tuán)特種玻璃的技術(shù)人員，聯(lián)合開發(fā)了針對翹曲的虛擬量測系統(tǒng)，并且取得了不錯的效果。

系統(tǒng)主要工作內(nèi)容如下：

① 自動采集質(zhì)檢數(shù)據(jù)，并且將其和熱電偶控制參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析

翹曲的質(zhì)檢數(shù)據(jù)是以csv格式的文件，保存在檢驗儀器內(nèi)置的ftp服務(wù)器上；而實時的熱電偶控制參數(shù)數(shù)據(jù)，則是保存在馬弗爐的DCS系統(tǒng)中。

通過自動的文件提取和格式解析，寄云提取了玻璃片不同區(qū)域的厚度數(shù)據(jù)，并為其打上時間標(biāo)簽；同時，通過OPC接口，讀取馬弗爐DCS的實時數(shù)據(jù)。將厚度數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)都保存在寄云時序數(shù)據(jù)庫中。

② 根據(jù)翹曲厚度數(shù)據(jù)，自動定位發(fā)生異常的熱電偶

將不同時間段（正常和出現(xiàn)翹曲）的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定正常和異常時間段哪些熱電偶的控制參數(shù)發(fā)生了變化。

針對玻璃片并沒有批次號碼，因而無法按照批次進(jìn)行質(zhì)量追蹤的問題，寄云開發(fā)了基于相關(guān)性搜索的算法，通過分析確定了跟翹曲變化規(guī)律相似度最高的若干個控制變量，并確定了工藝參數(shù)變化到翹曲檢測之間的時間差。

基于以上的分析，自動的定位了導(dǎo)致翹曲的特定的、有最大嫌疑的熱電偶控制參數(shù)，并得到了工藝工程師的確定。

通過以上的分析，幫助工藝工程師實現(xiàn)了問題原因的快速定位。

③ 根據(jù)歷史的熱電偶數(shù)據(jù)和質(zhì)檢數(shù)據(jù)，建立起翹曲值和熱電偶控制之間的模型

在大量正常工藝數(shù)據(jù)和質(zhì)檢數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了熱電偶的歷史數(shù)據(jù)（因）和質(zhì)檢數(shù)據(jù)（果）之間的回歸方程，得到一個表征了因果關(guān)系的映射函數(shù)。

在映射函數(shù)上可以做兩件事情：

1)量化調(diào)參：在翹曲發(fā)生的時候，根據(jù)特定翹曲的目標(biāo)值，反推出對應(yīng)的熱電偶控制參數(shù)對應(yīng)的調(diào)整范圍，進(jìn)行精確調(diào)參；

2)虛擬量測：根據(jù)熱電偶控制參數(shù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)，基于映射函數(shù)，實時預(yù)測未來數(shù)小時之后的翹曲值，一旦當(dāng)翹曲超過預(yù)設(shè)的門限，立即告警，甚至需要停產(chǎn)。

03

應(yīng)用效果

通過與彩虹特種玻璃工藝工程師的聯(lián)合開發(fā)，實現(xiàn)了自動化的工藝數(shù)據(jù)和質(zhì)檢數(shù)據(jù)的集成，提高了問題分析和問題產(chǎn)生原因的定位效率，并首次實現(xiàn)了基于實時工藝數(shù)據(jù)對未來數(shù)小時之后的翹曲缺陷的精準(zhǔn)預(yù)測。

04

應(yīng)用場景推廣

“只要能測量，就一定能改進(jìn)”。這句話雖然不假，但是在很多生產(chǎn)過程中，確實存在著無法測量的現(xiàn)象。

首先，在自動化連續(xù)生產(chǎn)過程中，由于控制參數(shù)和環(huán)境變量太多，導(dǎo)致中間環(huán)節(jié)半成品的產(chǎn)出會有很大的不確定性。而大量中間環(huán)節(jié)的半成品是沒有辦法在當(dāng)前階段直接測量的，只有到了階段性的檢驗或者最終檢驗環(huán)節(jié)，通過特定的質(zhì)量檢測儀器，才能確定是否出現(xiàn)了問題。這種滯后的檢測會產(chǎn)生缺陷的時間窗口現(xiàn)象，即從產(chǎn)生問題的點到檢驗環(huán)節(jié)之間的延遲會引起大量缺陷產(chǎn)品。

其次，在一些生產(chǎn)過程中，由于測試成本、安裝部署物理條件的限制，有大量關(guān)鍵的生產(chǎn)參數(shù)，如高溫爐中心溫度、材料的化學(xué)成分、液面高度等，都無法直接測量。而為了取得這些參數(shù)，往往采用人工監(jiān)視、經(jīng)驗判斷，或者采集樣本、離線檢驗的方式，或者采用抽檢而不是全檢的方式，都會極大的影響產(chǎn)能和質(zhì)量。

虛擬量測(也有人稱軟測量)是最近幾年廣泛應(yīng)用在連續(xù)生產(chǎn)（半導(dǎo)體、光電、能源、化工等流程行業(yè)）的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，它的原始是通過大量的設(shè)備實時數(shù)據(jù)和質(zhì)檢數(shù)據(jù)的采集，通過數(shù)據(jù)分析建模構(gòu)建因果關(guān)系之間的映射關(guān)系，通過當(dāng)前的可以直接測量的參數(shù)，在當(dāng)前計算出來未來在檢驗環(huán)節(jié)才能發(fā)現(xiàn)的異常和缺陷；通過當(dāng)前的測量值，間接推測出無法直接測量的指標(biāo)，如前述的高爐中心溫度、材料成分等。由于成本低、部署快、收效明顯，已經(jīng)在半導(dǎo)體、光電、能源、化工行業(yè)得到了大量的應(yīng)用。