建立自動化製造系統的開放資料伺服器連接架構

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國立交通大學

工業工程與管理學系

碩士論文

建立自動化製造系統的開放資料伺服器連接架構

Building the Open Data Server Connectivity

Architecture for Automated Manufacturing Systems

研究生：黃柏勳

指導教授：梁高榮博士

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建立自動化製造系統的開放資料伺服器連接架構研究生：黃柏勳指導教授：梁高榮博士國立交通大學工業工程與管理學系

摘要

本論文提出一個介於裴氏圖導向控制器及製造系統之間的「開放資料伺服器連接」的標準介面。在現今的產業裡，自動化製造系統通常是透過可程式控制器來控制的。又可程式控制器的品牌選項非常多，而設計控制器的裴氏圖軟體模組選項也不少。每一項兩者的組合都需要一個特別設計的連接介面。在產業界裡，這項令人怯步的工程事實已成為推動裴氏圖控制器普及化的最主要阻礙。在本論文所提出的「開放資料伺服器連接」標準中，其裴氏圖介面是依據裴氏圖軟體模組的產業標準，即裴氏圖加註語言來設計的；其可程式控制器介面則是設計成一個容易安裝各種可程式控制器專屬驅動程式的平臺。這種新的解決之道使得任意裴氏圖軟體模組及可程式控制器的組合部署變得非常容易。為了展示此新想法的可行性，本論文已藉由 Java 程式語言完成此「開放資料伺服器連接」架構的實作。此外一個小型自動化製造系統已完全地透過此實作出來的「開放資料伺服器連接」架構來進行其控制。關鍵字：

開放資料伺服器連結(Open Data Server Connectivity) 裴氏圖(Petri Net)

裴氏圖加註語言(Petri Net Markup Language) 可程式控制器(Programmable Logic Controller) 自動化製造系統(Automated Manufacturing System)

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Building the Open Data Server Connectivity Architecture of Automated Manufacturing Systems

Student: Po-Hsun, Huang Advisor: Dr. Gau-Rong, Liang

Department of Institute of Industrial Engineering & Management National Chiao Tung University

Abstract

A standard interface named Open Data Server Connectivity (ODSC) has been proposed between a Petri Net (PN) based controller and its underlying manufacturing system. Today an automated manufacturing system is usually controlled through a Programmable Logic Controller (PLC) in industry. However, many PLC brands are available, and there exist various PN software modules for designing controllers. As a result, a specially designed interface is needed for each combination of a chosen PN software module and a dedicated PLC. This terrible engineering fact has become the main barrier for the popularity of PN controllers in industry. In the proposed ODSC interface, the PN side is designed according to Petri Net Markup Language (PNML) which is an industrial standard for various PN software modules, and the PLC side is a well-designed platform suitable for installing the given driver of any dedicated PLC. The new solution makes the combined deployment of an arbitrary PN software module and a PLC easily. For showing the feasibility of this new idea, the proposed ODSC architecture has been implemented by Java programming language. Moreover, a small-scale automated manufacturing system has been completely controlled under the implemented ODSC architecture.

Keywords：

Open Data Server Connectivity Petri Net

Petri Net Markup Language Programmable Logic Controller Automated Manufacturing System

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致謝

本論文得以順利完成，首先要感謝我的指導教授梁高榮老師對於我的幫助。一直以來在我的研究方面，梁老師總是給予我最大的寬容度讓我自由發揮，並且也提供我許多資源配合我研究上的需求，這使我能夠在艱辛的研究過程中盡興的投入在我的研究之中。此外，也要感謝他竭心竭力督促我的研究進度以及不辭辛勞指導我論文的方向，讓我順遂的完成此篇論文。我也要感謝兩位口試委員張永佳老師、陳文智老師在百忙之中抽空替我審核論文、參予我的論文口試並給予我許多寶貴的建議，這讓我的論文內容得以更加充實。接著我要感謝實驗室裡的所有研究夥伴，這包含 95、96 級的學長、姐謝昇晏、陳音帆、林潔妤、范植宇、蔡耿全，和我同一屆的 97 級同學鄭瑋廷、何青樺、魏良縈、顧佳樺、鄭惠華，以及 98 級學弟、妹連惠珍、彭思瑜、劉思宇、鄭仲元、朱明典，由於和這些伙伴們彼此之間的心得交換與互相激勵、學習，這才讓我的研究所生涯不至於過於苦悶。最後，我要感謝交通大學六年來的培養，在這個聚集眾多優秀人才以及匯集大量研究資源的校園內，所見的人、事、物都不斷的刺激我迅速成長，感謝它給予我這樣的一個機會以及提供一個如此良好的學習環境讓我能夠有幸與這些頂尖人士一同學習成長。

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目錄

摘要... i Abstract ... ii 致謝...iii 目錄... iv 圖目錄... vi 表目錄... ix 第一章緒論... 1 1.1 研究動機 ... 1 1.2 問題界定與研究目的... 3 1.3 研究方法與論文架構... 4 第二章文獻回顧... 5 2.1 自動化製造系統的 SMT 架構... 5 2.2 SMT 架構控制程式... 8 2.2.1 即時型專家系統 G2 平臺控制程式 ... 8 2.2.2 J2ME 平臺控制程式 ... 10 2.2.3 J2SE 平臺控制程式... 10 2.2.4 不同平臺控制程式比較... 11 2.3 裴氏圖 ... 13 2.3.1 詮釋性裴氏圖的定義... 14 2.3.2 詮釋性裴氏圖與 Grafcet ... 16 2.3.3 詮釋性裴氏圖與法則... 17 2.3.4 裴氏圖加註語言... 18 2.3.5 優缺點說明... 19 2.4 開放資料庫連接架構... 21 第三章開放資料伺服器連接架構的設計... 22 3.1 開放資料伺服器連接架構... 22 3.2 「資料伺服器」的規格設計... 25 3.2.1 修正詮釋性裴氏圖的符號定義... 25 3.2.2 修正詮釋性裴氏圖的同步性設定... 26 3.2.3 修正詮釋性裴氏圖的法則轉換... 27 3.3 決策系統連接介面設計... 29 3.4 驅動程式連接介面設計 ... 31 第四章 ODSC 資料連接介面的實作 ... 34 4.1 PNML 技術簡化 ODSC 實作的開發流程 ... 34 4.2 PNML 導向資料伺服器連接軟體開發流程... 36 4.3 PNML 導向資料伺服器連接軟體需求分析... 37 4.3.1 軟體功能分析... 37 4.3.2 軟體資料分析... 38

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4.3.3 軟體操作流程 ... 39 4.4 PNML 導向資料伺服器連接軟體規格設計... 40 4.4.1 軟體架構 ... 40 4.4.2 軟體套件設計 ... 42 4.4.3 操作介面的設計 ... 55 4.4.4 軟體執行流程 ... 59 第五章自動化製造系統範例的分析與操作... 63 5.1 灌模系統的功能說明 ... 63 5.2 灌模系統的監控員設計 ... 67 5.3 灌模系統的偵查員與維修員設計 ... 74 5.4 灌模系統可程式邏輯控制器的驅動程式設計 ... 76 5.5 灌模系統裴氏圖同步性設定 ... 79 第六章結論與未來研究方向... 83 參考文獻... 85 附錄一灌模系統 IDEF0 規格圖設計 ... 87 附錄二灌模系統監控法則... 94

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圖目錄

圖 1.1 論文研究方法流程... 4 圖 2.1 SMT 架構、開放資料伺服器連接架構與開放資料庫連接架構... 5 圖 2.2 遠端監控系統架構... 6 圖 2.3 彈性輸送機系統... 8 圖 2.4 彈性灌模系統... 9 圖 2.5 整合型 SMT 方法流程... 9 圖 2.6 手機監控流程... 10 圖 2.7 裴氏圖控制程式開發系統監控流程... 11 圖 2.8 裴氏圖元素... 13 圖 2.9 轉移點激發規則... 13 圖 2.10 詮釋性裴氏圖... 14 圖 2.11 輸送帶系統與詮釋性裴氏圖 ... 15 圖 2.12 Grafcet 步階表示法... 16 圖 2.13 Grafcet 轉移點與箭號表示法... 16 圖 2.14 Grafcet 與詮釋性裴氏圖狀態轉換一... 17 圖 2.15 Grafcet 與詮釋性裴氏圖狀態轉換二... 17 圖 2.16 詮釋性裴氏圖與法則的轉換規則... 17 圖 2.17 輸送帶詮釋性裴氏圖及法則轉換... 18 圖 2.18 可加註語言範例... 18 圖 2.19 裴氏圖加註語言表達法... 19 圖 2.20 兩機台製造系統裴氏圖及法則... 20 圖 2.21 開放資料庫連接架構... 21 圖 3.1 開放資料伺服器連接架構... 22 圖 3.2 資料伺服器標準規格設計流程... 23 圖 3.3 修正詮釋性裴氏圖... 26 圖 3.4 輸送帶系統與修正詮釋性裴氏圖... 27 圖 3.5 修正詮釋性裴氏圖監控法則轉換... 28 圖 3.6 輸送帶系統監控法則... 28 圖 3.7 資料伺服器與決策系統的互動模式... 29 圖 3.8 fireTransition 方法的作業流程 ... 29 圖 3.9 updateMarking 方法的作業流程 ... 30 圖 3.10 errorRecovering 方法的作業流程... 30 圖 3.11 資料伺服器與驅動程式的基本通訊流程 ... 31 圖 3.12 openPLCConnection 方法的作業流程 ... 31 圖 3.13 getPLCInputState 方法的作業流程 ... 32 圖 3.14 Handle 方法的 ON、OFF 操作指令說明 ... 32 圖 3.15 Handle 方法的作業流程 ... 33 圖 3.16 closePLCConnection 方法的作業流程... 33

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圖 4.1 PNML 導向開放資料伺服器連接架構開發流程... 34 圖 4.2 PNML 導向資料伺服器連接軟體開發流程圖... 36 圖 4.3 PNML 導向資料伺服器連接軟體功能... 37 圖 4.4 PNML 資料伺服器連接軟體的 IDEF0 規格圖... 38 圖 4.5 Controller 資料夾架構 ... 38 圖 4.6 PNML 導向資料伺服器連接軟體操作流程... 39 圖 4.7 以類別圖表達 GUI、PetriNet、XMLTools、FileGenerator、Main 套件部署情形 .... 41 圖 4.8 以類別圖表達 Controller 套件部署情形 ... 42 圖 4.9 PetriNet 套件架構... 43 圖 4.10 Component 套件類別圖 ... 43 圖 4.11 Tools 套件類別圖 ... 46 圖 4.12 XMLTools 套件架構... 46 圖 4.13 PNMLpaser 類別的 parseFile 方法作業流程圖... 47 圖 4.14 XMLTools 套件類別圖... 47 圖 4.15 FileGenerator 套件架構... 48 圖 4.17 DataServerGenerator 類別的 fireTransition 方法自動化撰碼模式 ... 49 圖 4.18 DataServerGenerator 類別的 setup 方法自動化撰碼模式 ... 50 圖 4.19 DataServerGenerator 類別作業流程... 50 圖 4.20 FileGenerator 套件產生的資料伺服器軟體與 PetriNet 類別 ... 51 圖 4.21 PetriNetGenerator 類別的作業流程... 51 圖 4.22 manifest.mf 檔案內容格式... 52 圖 4.23 JarGenerator 類別作業流程 ... 52 圖 4.24 FileGenerator 套件類別圖... 53 圖 4.25 Controller 套件架構 ... 54 圖 4.26 PNML 導向資料伺服器連接軟體的操作介面... 56 圖 4.27 暫存點同步性設定畫面... 57 圖 4.28 轉移點同步性設定畫面... 57 圖 4.29 驅動程式選取對話框... 58 圖 4.30 Controller.jar 執行檔操作介面 ... 58 圖 4.31 不變量監控器... 58 圖 4.32 PNML 檔載入功能執行流程... 59 圖 4.33 虛擬變數設定、控制器節點數量設定功能執行流程... 60 圖 4.34 暫存點、轉移點同步性設定功能執行流程... 61 圖 4.35 PNML 導向資料伺服器連接軟體 PNML 檔匯出執行流程... 62 圖 5.1 灌模系統照片... 63 圖 5.2 RFID 讀取機 IF5 及標籤 ... 64 圖 5.3 灌模系統... 64 圖 5.4 可程式邏輯控制器 SoftPLC... 65 圖 5.5 階層轉換法—IDEF0 轉換裴氏圖 ... 67 圖 5.6 階層轉換法自動化軟體操作畫面... 68

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圖 5.7 灌模系統裴氏圖... 68 圖 5.8 灌模系統法則矩陣... 71 圖 5.9 灌模系統可達狀態圖... 72 圖 5.10 灌模系統最短週期時間分析... 73 圖 5.11 putBits 方法運算流程 ... 76 圖 5.12 SoftPLC 驅動程式... 77 圖 5.13 控制器節點數量設定... 79 圖 5.14 虛擬變數設定... 79 圖 5.15 暫存點 P1同步性設定... 80 圖 5.16 暫存點 P3同步性設定... 80 圖 5.17 轉移點 T1同步性設定 ... 81 圖 5.18 轉移點 T5同步性設定 ... 81 圖 5.19 驅動程式設定... 82 圖 5.20 灌模系統監控軟體... 82 圖 6.1 傳統資料伺服器連接架構... 83 圖 6.2 開放資料伺服器連接架構... 84 圖 A.1 IDEF0 箭號與作業方格關係圖 ... 87 圖 A.2 IDEF0 作業方格階層性示意圖 ... 88

圖 A.3 備料系統 A-0 層 IDEF0 規格圖... 88

圖 A.4 備料系統 A0 層 IDEF0 圖 ... 89

圖 A.8 模具輸送系統 A-0 層 IDEF0 圖... 92

圖 A.9 模具輸送系統 A0 層 IDEF0 圖 ... 92

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表目錄

表 2.1 控制程式比較... 11 表 3.1 輸送帶系統輸入、輸出節點說明... 27 表 4.1 Component 套件各類別方法說明 ... 44 表 4.1 Component 套件各類別方法說明(續)... 45 表 4.2 Tools 套件各類別方法說明 ... 46 表 4.3 PNMLparser 套件各類別方法說明 ... 48 表 4.4 FileGenerator 套件各類別方法說明... 53 表 4.5 Controller 套件各類別方法說明 ... 55 表 5.1 灌模系統硬體裝置資料... 66 表 5.2 模具輸送系統裴氏圖暫存點與轉移點的說明... 69 表 5.3 備料系統裴氏圖暫存點與轉移點的說明... 70 表 5.3 備料系統裴氏圖暫存點與轉移點的說明(續) ... 71 表 5.4 灌模系統裴氏圖轉移點不變量... 74 表 5.5 灌模系統裴氏圖暫存點不變量... 74 表 C.1 灌模系統法則 ... 94 表 C.1 灌模系統法則(續)... 95 表 C.1 灌模系統法則(續)... 96 表 C.1 灌模系統法則(續)... 97

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第一章緒論

本章主要說明本論文的研究方向、目的與論文的整體架構，以下共分成三個部份：1.1 節為『研究動機』，1.2 節為『問題界定與研究目的』，1.3 節為『研究方法與論文架構』。

1.1 研究動機

對於製造業技術發展而言，工廠自動化控制一直是主要的研究方向之一。透過自動化作業，生產線能夠有效率的進行各項作業程式並且保持一致性的產品品質，這有助於提升工廠生產力以及降低產品的瑕疵率。一般來說，在進行自動化製造系統的決策系統設計時，主要可以分成以下四個階段：監控(Supervisory Control)、錯誤偵查(Monitoring)、故障診斷(Fault Diagnosis)及故障回復(Error Recovering)[26]。監控階段在於設計控制器正常行為下的控制邏輯，使得控制器能夠按照所制定的規格自動地依序執行作業程式。錯誤偵查、故障診斷及故障回復是設計控制器異常行為下的控制邏輯。錯誤偵查主要觀察系統在運作時是否有異常行為發生，當異常狀況發生時，系統的傷害程度會與故障延續的時間成正比，一個完善的偵錯制度必須能夠迅速並且準確的察覺到系統錯誤發生。故障診斷及故障回復部份是指當系統偵查到錯誤出現時，具有能力自行分析錯誤發生的可能原因以及位置，並且依據分析結果採取適當的因應措施以避免系統損害的擴大以及可能造成的人員危險，甚至於主動進行系統故障回復作業使得系統能夠重新恢復正常運作。自動化製造系統的控制邏輯可以透過裴氏圖來表達，裴氏圖是一種圖形塑模工具，尤其善於表現系統的平行作業行為以及隨時間進行之下的系統狀態變化，此外，其具有良好的數學性質以及擁有多種相關分析技術，如可達狀態圖分析(Reachability Graph Analysis)、週期時間分析(Cycle Time Analysis)、不變量分析(Invariants Analysis)等[5]，所以在設計系統控制邏輯時，可以藉由這些裴氏圖分析技術驗證控制邏輯的正確性。而通過驗證的裴氏圖則是可以利用物件導向程式語言撰碼成相對應的監控員(Supervisor)、偵察員(Monitor)及維修員(Troubleshooter)軟體[4]分別執行系統監控、偵錯、以及故障診斷與修復的工作。除了監控員、偵察員、維修員軟體的設計之外，這裡還需要考量資料伺服員(Data Server) 軟體的設計。資料伺服員軟體是決策系統與控制器間的溝通介面，其定義了裴氏圖對於控制器的同步性設定，這主要是用來進行決策系統資料與控制器行為之間的連接與轉換。當監控員、偵察員、維修員軟體運行時，資料伺服員會將決策系統的作業指令轉譯成控制器的程式語言作用於控制器。此外，資料伺服員也會接收控制器所回傳的輸入信號，並轉換成決策系統的資料格式提供給監控員、偵察員、維修員軟體進行下一回合的邏輯判斷使用。以往，在資料伺服員軟體的設計方面，是直接使用控制器供應商提供的應用程式介面 (Application Programming Interface, API)裡的函式、方法來與控制器進行連接以及指令轉換。然而，各類型、品牌的可程式邏輯控制器的應用程式介面所接受及傳送的資料格式、操作方法、程式語法都具有不同程度的差異，彼此之間無法完全相容，造成使用者撰寫出的資料伺服員軟體往往只能依附於單一類型的控制器，不能輕易的在各種可程式邏輯控制器之間交換使用，這侷限了整個監控軟體的移植能力。也就是說，監控軟體的設計師必須在軟體設計以前，就選擇一個非常合適的可邏輯程式控制器，否則當軟體撰寫完成後則很難再作更換。

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在本論文中，提出一個開放資料伺服器連接架構(Open Data Server Connectivity Architecture, ODSC Architecture)，ODSC 的目的是要標準化裴氏圖控制邏輯與控制器之間的連接模式與通訊介面，這裡強調的開放指的是依據標準規範建置出的一個能夠通用於所有控制器類型、規格的資料伺服器軟體。此架構的設計概念主要是將決策系統與控制器之間的指令轉譯作業切分成兩個階段：決策系統至資料伺服器軟體、資料伺服器軟體至控制器。決策系統所下達的指令會先透過資料伺服器軟體轉譯成一種能在各種類型、品牌控制器之間共通使用的指令格式，傳送給可程式邏輯控制器的驅動程式。驅動程式再將這種標準指令轉譯成該類型、規格控制器所使用的特定程式語言格式，作用在控制器上。這種部署方式使得軟體設計師只需要依循共通指令規格進行資料伺服器軟體的開發，在軟體開發完成後，就可以藉由替換驅動程式來與各種類型的控制器連接與傳達指令，而無須重新製作資料伺服器軟體。如此一來，能夠提升監控軟體的互用性(Interoperability)、重複使用性 (Reusability)以及軟體的開發效率。

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1.2 問題界定與研究目的

在自動化製造系統裡，決策系統與控制器之間通常會透過資料伺服員軟體作為銜接兩者的連接介面，其負責轉譯雙向傳輸的資料內容。然而，各類型、品牌控制器皆擁有其專屬的傳輸資料內容格式、連接方式與指令語法，彼此之間並不完全相容，也無一個標準規範可循，這使得軟體開發人員一次僅能針對單一種控制器規格進行其資料伺服員軟體的設計，造成所開發出的監控軟體往往會受限於該控制器規格。一但軟體的執行環境被單一種控制器規格給綁住，使用者就無法輕易的在不同控制器之間交換使用其監控軟體，這會喪失了軟體的使用彈性。在這樣的情況下，當面對軟體移植或是控制器軟、硬體元件升級時，軟體開發人員必須花費龐大的訓練成本重新瞭解每一個控制器的軟、硬體規格以及操作指令的使用，並且耗費大量時間進行軟體程式碼的調整與修改，才能夠讓原本已開發出的監控軟體適應新的執行環境。本論文主要是提出一個開放資料伺服器的基本連接架構以及訂定此架構中各組成元件的規格，目的是要標準化決策系統與控制器之間的溝通介面、提供開發人員一個明確的資料伺服器軟體設計規範、提升監控軟體與控制器之間的互用性以及減少軟體開發成本，讓軟體開發人員能夠投入更多的資源專致於監控軟體的創新，而非浪費過多的時間在於修改現存監控軟體使其適用在不同的執行環境。此外，在標準規格制定以後，各種監控程式的輔助開發軟體也能夠遵循此規格被開發出來，這有助於提升未來監控軟體開發的便利性。開放資料伺服器連接架構的相關設計方式與規格設計會在第三章中說明。在開放資料伺服器連接架構實作方面，這裡是使用 Java 程式語言以及開放資料伺服器連接架構的規格建置一個 PNML 導向的開放資料伺服器連接軟體。該軟體能夠藉由使用者所設計的裴氏圖加註語言檔、裴氏圖同步性設定以及所選擇的驅動程式，進行資料伺服器軟體的自動化撰碼以及決策系統、資料伺服器、驅動程式自動化整合，最後輸出一個具標準規格的資料伺服器軟體以及一個簡易的監控軟體。使用者可以直接執行該監控軟體來與控制器通訊，以進行自動化監控作業，或者是更換其驅動程式來控制各種類型的控制器，發揮開放架構的高移植性。有關開放資料伺服器連接架構實作部分會在第四章中說明。

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1.3 研究方法與論文架構

本論文的研究方法共分成四個階段，流程圖如 1.1 所示：第一階段是探討現行裴氏圖導向的監控軟體規格。這裡主要是整理各種監控軟體的設計架構。第二階段是針對本論文所提出開放資料伺服器連接架構進行說明。第三階段是定義開放資料伺服器連接架構中各元件的規格。第四階段是利用所設計的開放資料伺服器連接架構規格以及 Java 程式語言進行資料伺服器連接架構的實作在論文架構方面共分成六章，各章節內容大綱如下：第一章：『緒論』主要說明本論文的研究動機、研究目的、研究方法及論文架構等。第二章：『文獻回顧』在於探討裴氏圖的基本性質以及現有裴氏圖導向監控軟體的程式架構與相關技術。第三章：『開放資料伺服器連接架構設計』說明本論文所提出的開放資料伺服器連接架構以及定義架構中各項元件的基本函式、通訊介面、資料傳遞格式的規格。第四章：『ODSC 的資料連接介面實作』是利用 Java 程式語言以及開放資料伺服器連接架構設計出一個 PNML 導向的資料伺服器連接軟體，讓使用者能夠輸入其設計的裴氏圖加註語言文件至軟體內，並由軟體產生一個具標準介面規格的資料伺服器軟體。使用者亦可以在軟體中選擇與更換欲使用的驅動程式，再由軟體自動將驅動程式與資料伺服器軟體進行整合，以方便與不同類型控制器溝通。第五章：『自動化製造系統範例的分析與操作』會以一個灌模系統作為範例並利用本論文提出之開放資料伺服器連接架構實作出其監控軟體，藉此說明此架構的運作方式。第六章：『結論與未來方向』說明本論文的研究結果以及未來可延伸的發展方向。圖 1.1 論文研究方法流程探討現行裴氏圖導向控制軟體架構開放資料伺服器連接架構設計開放資料伺服器連接架構實作開放資料伺服器連接架構元件規格定義第二章:文獻回顧第三章：開放資料伺服器連接架構設計第三章：開放資料伺服器連接架構設計第四章：ODSC 資料連接介面的實作

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第二章文獻回顧

本章主要是回顧自動化製造系統的 SMT 架構、SMT 導向控制系統、裴氏圖(Petri Net)、開放資料庫連接架構等相關文獻。內容共分為四節，第 2.1 節介紹自動化製造系統的 SMT 架構。第 2.2 節介紹採用 SMT 架構所設計出的裴氏圖導向控制系統。第 2.3 節介紹裴氏圖。第 2.4 節介紹開放資料庫連接架構。

2.1 自動化製造系統的 SMT 架構

工廠自動化一向為製造業的發展方向之一，其優點在於可減少人力、降低生產成本、提高產品品質及提昇生產效率。一個良好的自動化製造系統需具備兩項特性—效率性 (Efficiency)、可靠性(Reliability)[26]。效率性指系統經由正確設計並且運行時具有良好績效。高可靠度指系統具備故障定位及自我回復能力。針對提升系統效率性與可靠性，自動化製造系統(Automated Manufacturing Systems, AMSs)的設計主要可分為四項議題：(1)監控、(2)偵查異常、(3)故障診斷、(4)錯誤回復[26]。SMT 架構即是整合上述四項議題所提出的一套自動化製造系統設計架構，其中 SMT 分別代表的是自動化製造系統裡決策系統的監控員、偵查員與維修員軟體[26]。

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在 SMT 架構中，它主要是由四個元件所組成：(1)決策系統、(2)虛體製造系統(Virtual Manufacturing System, VMS)、(3)控制器與(4)製造系統(Manufacturing System)。SMT 架構如圖 2.1(a)所示。對於決策系統而言，其包含了監控員、偵察員、維修員三項軟體，監控員在於規範製造系統的正常行為，其負責接收系統介面所傳達之生產指令並根據所設計的控制邏輯進行實體製造系統的狀態轉換。偵查員在於確保系統維持正常運作，在監控員進行系統狀態控制的同時，偵查員會持續觀察製造系統的狀態以即時察覺錯誤的發生。當系統錯誤發生時，偵查員必須能夠察覺錯誤並且將實體系統的控制權從監控員轉換至維修員，維修員在於診斷系統錯誤，並自動修復可修復的錯誤使系統返回正常狀態。對於虛體製造系統而言，這是實體製造系統與電腦系統之間的信號交換介面，它主要是模擬實體製造系統的硬體結構設計出一系列與實體系統硬體設備相對應的虛體物件，用來紀錄、儲存各個實體設備的屬性狀態。當決策系統下達監控指令時，虛體製造系統會依據監控指令變更其虛體設備的屬性狀態，並且呼叫可程式邏輯控制器的控制指令去轉換實體設備的屬性狀態，使之與虛體設備的屬性狀態達到一致。對於控制器而言，它會接受虛體製造系統的所傳送的操作指令去向實體製造系統進行信號輸出的動作，同時也會接收由實體製造系統端所傳入的電子信號，並回傳至虛體製造系統中。對於製造系統而言，這是由各類型製造設備所組成的，而這些製造設備會連接至控制器的輸出、輸入模組中，所以使用者可以藉由操作控制器電子信號的導通或斷路來控制與之連接的各項設備的作業行為。圖 2.2 遠端監控系統架構在一個典型的遠端監控系統架構裡，其組成元件可以分成(1)伺服端系統、(2)用戶端系統、(3)可程式邏輯控制器與(4)實體製造系統四個部分，如圖 2.2 所示。對於伺服端系統而言，這是指 SMT 架構的決策系統與虛體製造系統部分。在自動化監控功能啟動的期間，伺服器系統會依據使用者所設計的控制邏輯即時判斷實體製造系統應執行的作業，並且透過內部網路(Intranet)或是通訊連接埠(Communication Port, COM)與可程式邏輯控制器連接，藉由操作控制器的輸入、輸出模組向實體製造系統接收或發送電子訊號來轉換製造系統的作業行為。 Internet 資料伺服員軟體一用戶端系統伺服端系統資料伺服員軟體二 (3) PLC (4) 實體製造系統 (1) (2)

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對於用戶端系統而言，這是指建立在網路傳輸技術上的一套遠端監控軟體，它可以讓使用者透過網路連線接收儲存在伺服端系統的實體製造系統運作資訊，如監視器畫面、不變量狀態與裴氏圖浮標狀態，並且透過影像處理技術將畫面呈現在用戶端，所以操作人員不需要親臨現場就能夠遠距離瞭解實體製造系統的運作情形。在遠端監控系統底下，資料伺服員軟體的功能性包含了兩種不同的意義。資料伺服員軟體可以指的是裝置在用戶端系統上負責與伺服端系統進行聯繫的資料傳輸介面，如圖 2.2 中的資料伺服員軟體一，它的開發重點項目之一是在於其網路連線功能的穩定性與即時性，這影響到用戶端系統與伺服端系統之間的資料是否能夠同步、使用者所觀看到的影像是否即時。陳宗沂[7]利用 Java 程式語言的插座(Socket)網路傳輸技術設計了五種不同網路傳輸模式的資料伺服員軟體：位元元組串流傳輸模式、字串物件串流傳輸模式、統一編碼轉換格式(Unicode Transformation Format, UTF)資料串流傳輸模式、結合所有製造系統物件資料視為單一物件的物件串流傳輸模式以及視製造系統各物件資料為個別物件的物件串流傳輸模式，並分析在各種傳輸模式下資料伺服員進行資料傳輸時的傳輸時間績效。其分析結果顯示此五種網路傳輸模式之間的績效表現並無太大差異，這表示伺服端與用戶端之間所傳輸的資料型態並不會對於整體資料傳輸速度造成太大的影響。資料伺服員軟體也可以指的是裝置在伺服端系統上用來與可程式邏輯控制器進行溝通的資料傳輸介面，如圖 2.2 中的資料伺服員軟體二，在 SMT 架構中，這即是虛體製造系統部分。虛體製造系統的開發重點項目之一是在於建立虛擬設備屬性狀態與可程式邏輯控制器操作指令之間的轉換模式，這是要讓虛體製造系統能夠依據其虛體設備的狀態向控制器下達電子信號輸出的指令。然而，在以往監控系統的開發過程中，虛擬製造系統的設計方式存在一項缺點，就是其主要僅針對單一種類型控制器的控制語法為考量設計出控制器操作指令的轉換模式，由於這種轉換模式只能專屬於單一類型控制器使用，所以當面臨控制器等硬體設備的汰舊換新時，就容易發生監控軟體無法相容於新的執行環境的問題。本研究主要是針對圖 2.2 中資料伺服員軟體二的設計部分進行改良，目的是要建立一個跨控制器規格限制、通用型的決策系統與控制器之間的通訊介面，用來改善以往監控系統在使用上會受到單一種控制器規格侷限的問題以及系統無法有效率移植的問題，所設計出的通訊介面架構稱作開放資料伺服器連接架構，如圖 2.1(b)所示，開放資料伺服器連接架構的概念是來自於資訊系統中的開放資料庫連接架構[28]，這是一種使用者在開發應用程式時可以使用的標準資料庫資料讀寫介面，如圖 2.1(c)所示，它允許使用者使用單一種標準指令語法就能夠與各種類型的資料庫連接，進行相關操作，所以使用者在撰寫其應用程式時無須擔心未來所要使用的資料庫類型，有關開放資料庫連接架構在 2.4 節中詳述。

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2.2 SMT 架構控制程式

有關目前以 SMT 為架構所設計的控制程式可依開發環境的不同區分為：即時專家系統 G2 平臺、J2ME(Java 2 Micro Edition)平臺及 J2SE(Java 2 Standard Edition)平臺三類。。 2.2.1 節介紹即時專家系統 G2 平臺控制系統。2.2.2 節介紹 J2ME 平臺控制系統。2.2.3 節介紹 J2SE 平臺控制系統。2.2.4 節進行三種平臺的控制系統比較。

2.2.1 即時型專家系統 G2 平臺控制程式

專家系統主要由知識庫(Knowledge Base)以及推理引擎(Inference Engine)組成。知識庫用來儲存解決問題的法則，推理引擎則依據輸入變數與知識庫的法則進行推理並獲得結論，專家系統再依此結論產生相匹配的動作。G2[19]為美國 Gensym 公司於 1986 年所開發的一套商業化即時型專家系統。不同於與一般型專家系統，即時型專家系統被賦予與硬體介面連線溝通的能力，目前已廣泛應用於各個領域如：美國國防部、美國太空總署 NASA、福特汽車、惠普科技等。對於以 G2 為平臺所建置的 SMT 控制程式而言，洪信銘[1]首先提出以 IDEF/CPN/G2 三階段設計方式設計監控員。IDEF 是指使用 IDEF0 流程圖進行系統需求的分析與設計， CPN 是指使用詮釋性裴氏圖及分析軟體 CPN 進行系統的驗證，通過驗證後的裴氏圖則轉換為相對應的法則撰寫入 G2 系統知識庫內，並經由 G2 的推理引擎進行實體系統的控制。圖 2.3 彈性輸送機系統[1] 針對非重覆性製造系統的控制系統開發，劉育宏[11]採用了 SMT 架構進行控制程式設計。除了監控員的設計外劉育宏也加入了偵查員設計的考量。在監控員的設計上，劉育宏以區段資源(Segment Resource)的概念將實體製造系統分成多個區段，每個區塊都使用階層轉換法(Hierarchy Transformation Method, HTM)[30]來進行分析、設計、驗證並轉換為知識庫的法則。推理引擎會經由知識庫的法則以及虛體製造系統的狀態推理出實體製造系統的下一個狀態。在偵查員的設計方面，這主要是追蹤系統的可達狀態樹(Reachibility Tree)，當系統狀態不在可達狀態樹的可達狀態集合內時即判定系統出現錯誤。劉育宏以一彈性輸送機為例說明其設計原理，如圖 2.3 所示。

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圖 2.4 彈性灌模系統[12] 鄭瑋弘[12]以 SMT 架構為基礎發展一個四階段的整合型 SMT 方法用於設計自動化製造系統，設計流程如圖 2.4 所示。第一階段為監控員的設計，其使用階層轉換法設計規範出系統正常行為並轉換成知識庫的法則。第二階段為偵查員的設計，其將系統的可能狀態定義為合法的 World 並訂定各個 World 應遵循的第一法則，法則則為一定性或定量的標準。偵查員經由觀察系統動態是否合法及第一法則是否被違背來偵查錯誤徵兆。第三階段為維修員的設計，其使用貝氏定理(Bayes’ Theorem)[27]計算出最有可能發生錯誤的原因，並藉由擬定回復計畫進行自動回復工作。第四階段則是實體系統的安裝以及實體製造系統與虛體製造系統的連接。鄭瑋弘亦以彈性灌模系統作為其設計實例。圖 2.5 整合型 SMT 方法流程[12] 1 建構功能模型 2.建構控制模型 3.建構動態模型 4.建構法則模型 1.列出所有可能的狀態世界 2.定義每個狀態世界的第一法則 3.定義錯誤徵兆法則 1.建構錯誤徵兆表 2.分析可能的狀態世界 3.定位出最有可能的錯誤 4.設計自動修復計畫 5.設計輔助修復計畫設計階段步驟目標監控員設計偵查員設計維修員設計 1 安裝實體製造系統 2.將實體製造系統連接於虛體製造系統實作系統功能分析實體製造系統流程控制系統驗證產生 AMS 控制邏輯故障偵查故障診斷自動回復可修復錯誤不可修復錯誤回應系統建置虛體製造系統的動態行為偵察系統錯誤徵兆

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2.2.2 J2ME 平臺控制程式

爪哇語言依據其應用層面的不同可以分為 J2EE、J2SE 及 J2ME[17]三種版本。J2EE 主要應用於企業型伺服器層面，J2SE 應用於個人電腦層面，J2ME 則是針對一般小型消費性電子產品及嵌入式裝置所提供的平臺。由於小型裝置在記憶體、顯示方式、能源供應上有其限制，所以相較與 J2SE 和 J2EE(Java Enterprise Edition)，J2ME 提供的運行環境也較為精簡。為了在單一處理器上能同時進行虛體製造系統的監控、偵查與維修，首先梁高榮[4] 提出虛體製造系統的多緒架構(Multi-thread)，其藉由爪哇程式語言所具有的多執行緒技術使能夠在單一處理器上模擬出平行處理的功能，以達到監控員、偵查員、維修員之間的平行處理。陳啟宗與梁高榮[8]藉由 J2ME 環境、多緒架構及 SMT 架構在手機裡開發控制程式並能夠遠端監控實體製造系統，其監控流程如圖 2.6 所示。程式中包含有監控員、偵查員、資料伺服員及動畫員。監控員的設計是由階層轉換法產生系統狀態轉換法則，當轉換法則成立時即呼叫相對應的操作員(Operator)轉換虛體製造系統的狀態。偵查員的設計是將系統裴氏圖中的暫存點不變量區分為屬性方程式及偵查法則，藉由觀察偵查法則以瞭解實體系統狀態是否正常運作。資料伺服員作為遠端伺服器的資料傳輸視窗，負責 PLC 伺服器以及遠端控制器之間的訊息交換。動畫員則是將遠端伺服器所接收的訊息以動畫方式呈現於手機螢幕。此外，為實現詮釋性裴氏圖能夠同時激發多個可激發狀態的轉移點特性，程式中的每個操作員之間亦以多緒架構實作。圖 2.6 手機監控流程[8]

2.2.3 J2SE 平臺控制程式

J2SE 為標準版爪哇語言，其適用於一般個人電腦層級的應用程式撰寫。相較於 J2ME 而言，J2SE 提供更為完整且彈性的運行環境能夠用來執行複雜的運算以及系統整合。對於一般自動化製造執行系統的設計與實作而言需要歷經規格 (Specification) 、驗證 (Validation)、撰碼(Coding)、測試及偵查等步驟[6]，過程中常牽涉到多套軟體的操作及分析技術的使用，使得步驟相當繁瑣及費時。陳音帆[9]使用 J2SE 來整合裴氏圖加註語言(Petri Net Markup Language)、裴氏圖分析工具與可程式邏輯控制器等多項技術發展出具備驗證與自動撰碼能力的一套裴氏圖控制程式的開發系統。使用者僅需將其所設計的裴氏圖匯入開發系統內即可進行系統的驗證如死結分析、不變量分析、週期時間分析等並且由系統自動產生出監控員程式。所產生的監控員能夠透過網際網路與遠端的可程式邏輯控制器溝通並監控實體製造系統，其監控流程如圖 2.7 所示。當系統歷經再工程時期時，控制系統的開手機業者與 ISP 業者 Java 手機 GPRS Internet 信號控制

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發往往須要重新設計、撰碼。但透過裴氏圖控制器開發系統使用者只須修改系統的裴氏圖模型即可再次驗證系統並產生出監控員，這能夠有效的縮短系統開發時間。圖 2.7 裴氏圖控制程式開發系統監控流程[10]

2.2.4 不同平臺控制程式比較

表 2.1 控制程式比較系統功能 G2(鄭瑋弘) J2ME(陳啟宗) J2SE(陳音帆) 規格設計功能系統驗證功能 ● 自動撰碼功能 ● 裴氏圖監控畫面 ● ● 動畫監控功能 ● ● 遠端監控功能 ● ●(可手機監控) ● 監控員監控員設計原理階層轉換法階層轉換法階層轉換法自動撰碼功能故障偵查功能 ● ● 偵查員偵查員設計原理狀態世界第一法則偵查法則無自動撰碼功能故障診斷功能 ● 自動修護功能 ● 維修員偵查員設計原理訂定修復計畫無無可攜性差高中重複使用性單一專案使用單一專案使用可跨專案使用硬體設備 PC、PLC 手機、PC、PLC PC、PLC 成本高免費免費就系統開發平臺而言，即時型專家系統具備完善的圖型化人機介面、硬體溝通介面、推理引擎、知識庫等功能，使用者僅需輸入控制法則至知識庫即可快速建構出一套控制程式。然而即時型專家系統開發環境的建置成本高且所設計出的程式不具有重複使用性及可攜性(Portability)，這使得每一次在建置及修改控制程式時都需要從頭開始並且難以進行程式的移轉。而爪哇語言所具備的跨平臺特性及物件導向特性則彌補了上述缺點，跨平臺特性使得控制程式只需開發一次即可以在任何作業系統上使用，物件導向程式設計的特性使 PNML

FILE PN Object Internet

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得所撰寫程式碼可以模組化重複使用，這兩性特性有助於提升控制程式的擴充性使得程式在修改、調整、增加功能上較為容易而開發出的程式亦能夠彈性的移作他用。不同平臺下控制程式比較結果如表 2.1 所示。目前使用爪哇語言所設計的控制程式中無論是在 J2SE 或 J2ME 平臺上尚缺乏維修員的設計。此外，在 J2ME 平臺當中陳啟宗運用偵查法則設計偵查員的方式雖能判斷出設備屬性之間的互動情形是否正常但難以察覺到系統狀態順序發生錯誤。

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2.3 裴氏圖

裴氏圖[31]是 1962 年由 Carl Adam Petri 所提出的圖形塑模工具，其常用來表現離散事件系統的動態行為及平行處理、同步處理能力。圖 2.8 裴氏圖元素裴氏圖裡的主要構成元素包含有暫存點(Place)、轉移點(Transition)、箭號(Arc)。暫存點用來表示系統的狀態或條件，圖形中是以圓形作表示，如圖 2.8(a)。當暫存點中包含有浮標(Token)時，即表示系統正處於此暫存點的狀態之下或此暫存點所代表的條件成立，如圖 2.8(b)；反之，則表示系統不處於此暫存點的狀態之下或是暫存點代表的條件不成立。轉移點用來表示系統事件觸發、工作發生或是功能啟動，在圖形中是以長條形作表示，如圖 2.8(c)。暫存點與轉移點之間會以箭號作連接，用來表示系統狀態與系統事件觸發之間的關係，箭號圖形如圖 2.8(d)所示。當箭號的方向是由暫存點指向轉移點時，則稱此暫存點為轉移點的輸入暫存點；反之，則稱為轉移點的輸出暫存點。此外，箭號並不會存在於兩個轉移點或是兩個暫存點之間。圖 2.9 轉移點激發規則在裴氏圖的動態行為表現方面，是透過轉移點激發(Firing)來改變圖形中的浮標分佈狀態(Marking)，藉以表達出系統狀態的演化過程。當轉移點的輸入暫存點都包含有足夠的浮標時，稱此轉移點為可激發狀態(Enable)。在可激發狀態下的轉移點可以進行激發的動作。當轉移點激發完成後，會使得轉移點的輸入暫存點浮標數減少、輸出暫存點浮標數增加，其中浮標數增加與減少的數量是由箭號的權重 W 所決定，轉移點的激發規則如圖 2.9 所示。

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2.3.1 詮釋性裴氏圖的定義

詮釋性裴氏圖[14]是 1992 年由 René David 與 Hassane Alla 所提出。詮釋性裴氏圖為一般裴氏圖的延伸，主要是用在描述軟體、硬體與可程式邏輯控制器等實體系統的輸出、輸入信號互動模式，以輔助使用者進行系統控制邏輯的設計與分析。在自動化製造系統的應用上，詮釋性裴氏圖可以用在表達 Grafcet。Grafcet[13]為可程式邏輯控制器的圖形式程式語言之一，其表達方式與設計原理源自於裴氏圖，但本身卻不具有如裴氏圖一般的分析技術，所以可先由詮釋性裴氏圖進行系統控制邏輯的設計與驗證，再轉換為 Grafcet 語言載入可程式邏輯控制器，此種作法能夠有助於提升控制器的執行效率。圖 2.10 詮釋性裴氏圖[13] 一個詮釋性裴氏圖的定義包含下列三項性質：同步性(Synchronized)、暫存點時間性 (P-timed)、包含資料處理元件。對於同步性而言，是指裴氏圖轉移點激發與外部事件的發生存在關聯。ㄧ個同步性裴氏圖只有在轉移點為可激發狀態並且當所對應的外部事件發生時，轉移點才會進入激發狀態。對於暫存點時間性而言，是指暫存點具有計時的特性。當浮標進入暫存點後即重新啟動計時，計時尚未結束以前進入暫存點的浮標為無法利用(Unavailable)的狀態，計時結束後浮標轉換為可利用(Available)的狀態。資料處理元件是裴氏圖與實體環境之間的溝通介面。在詮釋性裴氏圖裡，每一個暫存點對應到一項作業行為 Oi；每個轉移點對應到一組激發條件 Cj。資料處理元件會根據目前裴氏圖中暫存點的浮標狀態來調整實體系統的整體運作行為 Vk-。此外，資料處理元件也會接收實體環境中所發生的事件來判斷裴氏圖轉移點激發條件滿足與否。當有轉移點的激發條件滿足時，會促使該轉移點進行激發並造成浮標狀態產生變化。圖 2.10(a)顯示一個詮釋性裴氏圖與外部環境的互動關係；圖 2.10(b)說明在詮釋性裴氏圖定義裡，將計時時間 di, 及作業行為 Oi對應至暫存點；外部事件 Ej及狀態轉移條件 Cj對應至轉移點。對於使用詮釋性裴氏圖來描述自動化製造系統的控制行為而言，是將詮釋性裴氏圖的轉移點對應至可程式邏輯控制器輸入模組的節點狀態以及虛擬變數的值。在可邏輯控制器 資料處理元件 狀態變數及條件值計算控制元件同步性及暫存點時間性裴氏圖實體環境 Ej Vk Oi Cj Pi Tj di ,Oi Ej ,Cj (a) (b)

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輸入模組裡，每一個節點藉由連接至感知器(Sensor)裝置接收一組一位元(1 bit)的電子訊號。當訊號回傳為 1 時，代表該節點為導通的狀態；訊號回傳為 0 時，代表該節點為斷路的狀態。可程式邏輯控制器的輸出、輸入模組又分為常開型與常閉型，常開型指的是在一般狀態下其節點皆為導通狀態，只有在感知器接收到事件發生時，如紅外線感知器感應到有遮蔽物或是液位感知感應到液位達到特定高度，會導致節點呈現斷路狀態，反之則稱常閉型。虛擬變數的作用則是協助記錄輸入模組無法表達的狀態，如經由複雜運算過後的數值或是非數值能表達的符號、字串等。控制器透過檢查輸入模組節點狀態以及虛擬變數的值，作為外部事件的發生與否的依據，以決定裴氏圖中哪些轉移點的激發條件成立。暫存點對應到可程式邏輯控制器輸出模組節點的導通或斷路的狀態以及虛擬變數值。在可邏輯控制器輸出模組裡，每一個節點接收一組一位元的電子訊號，當給予節點的訊號為 1 時，該節點會呈現導通狀態，而連接於該節點的電子設備其電路也將會導通、當給予節點的訊號為 0 時，該節點會呈現斷路狀態，而連接於該節點的電子設備其電路也將會斷路。圖 2.11 輸送帶系統與詮釋性裴氏圖以圖 2.11(a)的輸送帶系統為例，此系統內共包含四項設備—輸送帶、一號紅外線感知器、二號紅外線感知器以及可程式邏輯控制器。輸送帶的啟動與停止是由可程式邏輯控制器的輸出節點 O1控制，當 O1 = 1 時，即表示該輸出節點為導通狀態，此時輸送帶會啟動；反之，當 O1 = 0 時，表示該輸出節點為斷路狀態，此時輸送帶會停止。一號、二號紅外線感知器分別連接至可程式邏輯控制器的輸入節點 I1、I2，節點 I1、I2在正常情況下為斷路狀態，只有當紅外線感知器感應到有容器進入時會回傳給可程式邏輯控制器節點導通的訊號。對於輸送帶系統的控制邏輯可由圖 2.11(b)的詮釋性裴氏圖表達。其中，暫存點 P1表示輸送帶停止狀態對應到作業行為 O1 = 0、暫存點 P2表示輸送帶啟動狀態，對應到作業行為 O1 = 1、轉移點 T1表示容器進入輸送帶的事件，其激發條件對應到外部事件 I1 = 1、轉移點 T2表示容器離開輸送帶的事件，其激發條件對應到外部事件 I2 = 1。

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2.3.2 詮釋性裴氏圖與 Grafcet

Grafcet 於 1977 年由法國研究團隊所提出。Grafcet 為法文”Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition ”的縮寫，意指步階轉移功能圖(Step Transition Function Chart)，主要用在建構循序系統控制(Sequential System Control)模型。1988 年國際電工委員會 (International Electrotechnical Commission, IEC) 以 Grafcet 為基礎發展出順序功能圖 (Sequential Function Chart, SFC)並列為可程式邏輯控制器 IEC 848 標準程式語言之一。1992 年順序功能圖與階梯圖(Ladder Diagram, LD)、功能方塊圖(Function Block Diagram, FBD)、結構化檔(Structured Text, ST)、指令表列(Instruction List, IL)共同列為可程式邏輯控制器 IEC 61131 標準程式語言[21]。圖 2.12 Grafcet 步階表示法 Grafcet 的基本原理及元素發展至裴氏圖，兩者具有相似的的圖形表達方式。Grafcet 的三項基本構件為：步階(Step)、轉移點(Transition)、箭號(Arc)。步階相當於裴氏圖中的暫存點，其分為兩個狀態：活動(Active)、非活動(Inactive)。當步階狀態為活動時，系統即執行該步階所記錄的輸出動作，步階裡並標記一個浮標(Token)表示，如圖 2.12(a)所示。當步階狀態為非活動時，則系統不執行該步階紀錄的動作，如圖 2.12(b)所示。而系統的所有起始步階則會以兩個重疊正方形表示，如圖 2.12(c)。圖 2.13 Grafcet 轉移點與箭號表示法[13] 轉移點在 Grafcet 中以一條狀物表示，在轉移點內記錄著一組輸入變數的函數名為接受值(Receptivity)，當轉移點接收值為真且該轉移點的所有輸入步階的狀態均為活動時，轉移點即進行激發(Firing)。轉移點激發完成後，其所有輸入步階的狀態轉換為非活動、所有輸出步階的狀態轉換為活動。在 Grafcet 裡轉移點與箭號的表示法可分為四類如圖 2.13 所示。 Grafcet 的基本原理雖源自裴氏圖，然而兩者間之間仍有些許不同之處。以下兩點為 Grafcet 與詮釋性裴氏圖之間的主要差異：(1) Grafcet 裡一個步階僅分兩種狀態；詮釋性裴氏圖一個暫存點則依照浮標數量會有多種狀態，如圖 2.14 所示。(2) Grafcet 裡同時間內所 1 2 1 2 3 1 3 1 3 4 2 簡易 (a) 接合 (b) 分散 (c) 接合與分散 (d) 2 1 3 初始步驟 (c) 活動 (a) 非活動 (b)

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有可激發狀態的轉移點會一起激發；詮釋性裴氏圖裡多個可激發的轉移點間若有資源衝突 (In conflict)情形時，僅能有一個轉移點進入激發狀態。如圖 2.15 所示。圖 2.14 Grafcet 與詮釋性裴氏圖狀態轉換一[13] 圖 2.15 Grafcet 與詮釋性裴氏圖狀態轉換二[13] 雖然詮釋性裴氏圖與 Grafcet 之間存在上述差異，但仍可由模型的設計來消弭兩者間的不同。如裴氏圖為安全性(Safe)時，換句話說每一個暫存點最多只會擁有一個浮標，則第一項差異不存在。當裴氏圖為確定性(Deterministic)或具有資源衝突(In Conflict)的轉移點所連接的外部事件不會同時發生時，則第二項差異不存在。此時詮釋性裴氏圖在表達上等同 Grafcet，相關的裴氏圖理論就可用以分析其性質。

2.3.3 詮釋性裴氏圖與法則

詮釋性裴氏圖除了可以轉換成 Grafcet 程式語言作為控制器的控制邏輯之外，也可以表達成法則(Rules)的形式說明系統狀態轉換的規則[30]，當這些法則載入即時型專家系統 (Expert System)的知識庫(Knowledge Bases)內，或是使用高階程式語言如 JAVA、C、C++ 等將其進行撰碼之後，亦能夠循著法則所敘述之轉換規則變換控制器狀態。圖 2.16 詮釋性裴氏圖與法則的轉換規則 Grafcet (a) 1 2 3 R1 R1激發 1 2 3 R1 P1 P2 P3 T1 P1 P2 P3 T1 R1激發詮釋性裴氏圖 (b) E1 Grafcet (a) 發生事件 E1 1 2 3 1 2 E1 3 E1 E1 發生事件 E1 詮釋性裴氏圖 (b) E1 E1 E1 E1 E1 E1 或

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在詮釋性裴氏圖裡，每一個轉移點都可以視為是一條 IF……THEN 型式的法則，其中轉移點的激發條件及轉移點的輸入暫存點代表法則成立的條件，輸出暫存點表示的是法則條件成立時應執行的動作，詮釋性裴氏圖與法則的轉換規則如圖 2.16 所示。當轉移點的每個輸入暫存點都擁有浮標並且該轉移點的激發條件成立時，換句話說，在所有輸入暫存點所代表的控制器狀態皆滿足並且轉移點所連接的狀態轉換條件成立的情形之下，法則指示控制器應將系統狀態轉換至輸出暫存點所代表的狀態中。圖 2.17 輸送帶詮釋性裴氏圖及法則轉換以圖 2.11 的輸送帶系統的詮釋性裴氏圖為例，其可表達成圖 2.17(b)的兩條法則。法則一是由轉移點 T1產生，其意指當輸出節點 O1為斷路狀態且輸入節點 I1為導通狀態時，則導通輸出節點 O1，也就是指輸送帶為停止狀態並且容器進入輸送帶時啟動輸送帶；法則二是由轉移點 T2產生，其意指當輸出節點 O1為導通狀態且輸入節點 I2為導通狀態時，則斷路輸出節點 O1，也就是指輸送帶為啟動狀態並且容器離開輸送帶時停止輸送帶。又這裡的兩個暫存點所代表的都是輸送帶的狀態，而單一物件同時間下僅會處於一種狀態中，也就是說當暫存點 P1內有浮標時，暫存點 P2並定不會有浮標，反之亦然，所以在圖 2.17(b)的法則內容裡就可以主動省略掉轉移點觸發時需要進行輸入暫存點浮標數減少的步驟。

2.3.4 裴氏圖加註語言

可加註語言(eXtensible Markup Language, XML)[23]。是 1996 年由全球資訊網發展協會 (World Wide Web Consortium, W3C)[22]所發展出的一種電子檔語法標準，其主要是透過已制定的標籤格式記錄檔內容，使得電腦間能夠利用這種共通的檔型式進行資訊分享，可加註語言檔的撰寫方式如圖 2.18。

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圖 2.18 中<標籤名稱>代表宣告標籤開始，</標籤名稱>代表宣告標籤結束，在標籤的開始與結束之間則可記錄標籤的值或者是插入多個子標籤來描述父標籤的屬性。目前已有許多種針對不同目的所定義出的可加註語言格式，包括數學檔使用的數學加註語言 (Mathematical Markup Language, MathML)、音樂檔使用的 MusicXML、圖型檔使用的 GraphML，而裴氏圖加註語言則是針對裴氏圖模型所制定出的可加註語言格式[24]。在裴氏圖加註語言文件內分別是以 <place></place> 、 <transition></transition> 、 <arc></arc>三種標籤記錄裴氏圖模型中暫存點、轉移點、箭號資訊。暫存點標籤底下包含有暫存點識別<id>、暫存點名稱<name>、座標位置<position>、初始浮標狀態<initialMarking> 等屬性的資訊；轉移點標籤底下包含有轉移點識別<id>、轉移點名稱<name>、座標位置 <position>等屬性的資訊；箭號標籤底下有箭號識別<id>、箭號名稱<name>、箭號的來源 <source>、箭號的目標<target>、箭號的權重<value>、箭號的轉折點位置<arcpath>等屬性的資訊，圖 2.19 為一範例裴氏圖加註語言檔以及與其相對應的裴氏圖模型。圖 2.19 裴氏圖加註語言表達法

2.3.5 優缺點說明

在設計自動化製造系統時，詮釋性裴氏圖的優點在於其善於表達控制器的平行處理以及動態行為模擬，並且裴氏圖本身擁有良好的數學性質及許多的分析工具可以用來驗證監控模式的設計的正確性。而通過驗證的詮釋性裴氏圖能夠經由轉換成 Grafcet 程式語言或是法則的型式方便實作出控制器的控制邏輯。然而，詮釋性裴氏圖主要在於規範系統的正常行為。當例外情形出現時，例如裝置未

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被控制器順利的啟動、關閉或是裝置受外力幹擾而意外被啟動、關閉，控制器無法單由詮釋性裴氏圖所建構出的控制邏輯察覺錯誤的發生，甚至於進行錯誤的診斷以及錯誤的回復。以圖 2.20(a)的兩機台製造系統裴氏圖為例，其中法則轉移點 T1顯示在滿足輸出節點

O--1為斷路狀態(O-1 = 0)、O4為斷路狀態(O4 = 0)，且輸入節點 I1為導通狀態(I1 = 1)的情形

下，控制器會分別導通輸出節點 O1及 O4。但實際上，控制器無法就所產生的法則確認是否一旦輸出節點 O1及 O4導通後，一號機台以及作業警告鈴能夠順利被啟動或可能發生裝置受損而無法順利被啟動的情形。此外，假使一號機台已順利被啟動，但在作業過程中意外被關閉時，控制器同樣無法偵查到錯誤的發生，而使得控制器繼續激發其他的轉移點。所以在詮釋性裴氏圖中需要增加對於例外狀況的察覺能力，使控制器除了能夠藉由裴氏圖來進行監控作業之外，亦能夠從中研判出例外狀況的發生圖 2.20 兩機台製造系統裴氏圖及法則

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2.4 開放資料庫連接架構

開放資料庫連接(Open Data Base Connectivity, ODBC)標準是由 X/Open SQL Acess 團體所開發出的一組標準應用程式介面[29]，它是以 SQL(Structured Query Language)標準語法作為標準指令規格，讓使用者在撰寫應用程式時能夠單純藉由 SQL 指令去連接到各種類型資料庫管理系統的資料庫。目前大多數的資料庫管理軟體皆有提供使用者有關開放資料庫連接標準的支援，如 Microsoft SQL Server、Microsoft Access、Oracle、DB2 等等。

在開放資料庫連接架構中，主要可以分成五個元件：(1)應用程式(Application)、(2)驅動程式管理員(Driver Manager)、(3)驅動程式(Driver)、(4)資料庫管理系統(Data Base Management System, DBMS)與(5)資料庫，如圖 2.21 所示。圖 2.21 開放資料庫連接架構對於「應用程式」而言，這是用來接收與回覆使用者回應的溝通介面，它會將使用者的命令轉換成 SQL 指令語法，並且呼叫 ODBC API 內的函數進行 SQL 指令的處理。對於「驅動程式管理員」而言，這是用來載入與卸載資料庫管理系統的驅動程式。此外，它也負責 SQL 指令的驗證，針對已通過驗證的 SQL 指令，驅動程式管理員會再呼叫對應的驅動程式函數進行處理，否則回傳錯誤訊息至應用程式。對於「驅動程式」而言，這是用來進行 SQL 指令與資料庫管理系統專屬指令之間的轉譯工作以及回傳資料查詢的結果。一般而言，驅動程式是由資料庫管理系統供應商設計並提供給使用者使用。對於「資料庫管理系統」與「資料庫」而言，這是用來儲存使用者欲紀錄的資料，資料庫管理系統並允許使用者透過線上交易處理(On-Line Transaction Processing, OLTP)[28] 的方式來新增、修改、刪除資料記錄。開放資料庫連接架構的優點在於它讓使用者只需要面對同一種指令語法就可以與各種類型資料庫管理系統連接以及進行資料庫資料的處理，所以即使往後更換使用了其他類型的資料庫管理系統，使用者也不需要擔心必須再重新學習另外一套的指令語法。促成這項優點最大的原因，即在於應用程式與資料庫管理系統之間的連接方式並不是由應用程式直接使用資料庫管理系統的 API 以及其自訂的程式語法與其溝通，而是會先透過驅動程式作一次指令轉譯的動作，將標準 SQL 語法轉譯成為該資料庫管理系統自訂的程式語法，所以在這樣的連接架構底下，就能夠讓應用程式與各種資料庫管理系統之間具有良好的互用性。本研究中，會以開放資料庫連接架構為概念設計一個開放資料伺服器連接架構，目的在於改善以往監控軟體與各種控制器規格之間不具有互用性的問題。

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第三章開放資料伺服器連接架構的設計

本章說明開放資料伺服器連接架構的建置以及架構中各模組的規格開發。3.1 節說明開放資料伺服器連接架構，在該架構中可以得到三大模組，此三大模組會分成三節分析之，即 3.2 節決策系統與控制器之間的“資料轉譯介面＂設計，這裡稱之為“資料伺服器＂，3.3 節決策系統與資料伺服器之間的“資料傳送介面＂設計，這裡稱之為“決策系統連接介面＂3.4 節資料伺服器與驅動程式之間的“資料傳送介面＂設計，這裡稱之為“驅動程式連接介面＂。

3.1 開放資料伺服器連接架構

開放資料伺服器連接架構可以分成五個部分：(1)決策系統、(2)資料連接介面、(3)驅動程式(Driver)、(4)控制器及(5)製造系統，如圖 3.1 所示。對於「決策系統」而言，這是指由裴氏圖導向的監控員、偵查員、維修員軟體所組成的自動化製造系統控制邏輯。決策系統的功能在於隨著控制器的狀態變化，即時判斷應採取的控制行為，並向控制器下達對應的監控指令。圖 3.1 開放資料伺服器連接架構對於「資料連接介面」而言，這是指決策系統與控制器之間的一項仲介軟體，其主要功能是將裴氏圖所表達的監控邏輯轉譯成對應的控制器輸出、輸入行為。決策系統所傳送的監控指令會經由資料伺服器內部記錄的裴氏圖同步性設定，轉換為相對應的控制器信號輸出資訊，傳送至驅動程式。另一方面，資料伺服器也接收由驅動程式所傳回的控制器信號輸入資訊，並經由裴氏圖同步性設定轉換為相對應的裴氏圖狀態回傳至決策系統。對於「驅動程式」而言，這是指資料連接介面以及控制器之間的資料轉譯程式，其內部包含對於特定類型控制器的基本操作指令，如與控制器連線、關閉控制器連線、導通或斷路輸出模組節點以及擷取輸入節點的狀態。當接收到資料伺服器所傳送的控制器輸出資訊時，驅動程式會將其轉譯成該類型控制器接受的指令格式，再傳送至控制器。此外，驅動程式也接收由控制器傳回的資訊，並轉譯成資料連接介面定義的標準資料格式。對於「控制器」與「製造系統」而言，控制器會依驅動程式下達的指令進行電子信號輸出，藉以控制製造系統裡各項電子設備、裝置的作業行為。此外，控制器也接收電子設

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備、裝置所傳回的電子信號並回傳至驅動程式。四階層的開放連接架構，主要是基於將決策系統與資料伺服器之間，以及資料伺服器與控制器之間兩階段的指令轉譯工作分離為概念所設計而成，其設計方法是透過模組化 (Modulize)的方式讓單一軟體只需負責一項單純的功能，並且各軟體之間透過標準介面來和其他軟體溝通，避免與其他軟體間有太多的關聯。具體而言，這是在資料連接介面與控制器之間加入了一個驅動程式作為中繼軟體，負責進行第二次的轉譯動作，所以決策系統下達的指令會先由資料伺服介面轉譯成相對應的控制器行為，驅動程式再利用控制器的專屬指令語法去轉譯資料伺服介面所表達的控制器行為，使資料伺服器軟體與控制器之間達到獨立性。這意味著在資料伺服器軟體的開發過程中，只要軟體開發人員依循所規範的標準規格進行實作，無需在乎未來所要連接的控制器類型，就能藉由替換驅動程式來完成與各類型控制器銜接的工作。整體而言，開放資料伺服器連接架構的優點在於：(1)提升監控軟體的移植能力，其解決了以往資料伺服器軟體與單一機型控制器的作業環境過度相依，所以當控制器類型作變更時，必須藉由大量修改程式碼來讓已設計好的軟體適應不同作業環境的問題。(2)軟體開發人員不用浪費過多的資源在改寫現存的軟體組件以適應不同規格的控制器，只需要針對不同規格控制器搭配使用該控制器的驅動程式。(3)藉由模組化的方式讓軟體間的關聯被限制到最低，所以當單一軟體需要修改時，其他軟體所受到的影響較少，這讓軟體維護作業更為方便。(4)由於使用相同的規格標準，所以每一個模組可以被獨立開發，這在團隊開發上會是一項優點。(5)資料伺服器軟體被開發出來後可以使用在各種規格控制器中，驅動程式被開發出來後也能夠提供給所有相同規格的資料伺服器軟體使用，這提升了軟體的重覆使用性。圖 3.2 資料伺服器標準規格設計流程

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開放資料伺服器連接架構的建置過程中，最重要的是建立資料伺服介面的標準規格，讓使用者可以依此標準進行資料伺服介面的設計。在資料伺服介面的規格制定過程中可以分成「資料伺服器設計」、「決策系統連接介面設計」、「驅動程式連接介面設計」三個階段，如圖 3.2 所示。第一階段「資料伺服器規格設計」：是定義裴氏圖與控制器之間的同步性設定方式。由於在這裡所使用的決策系統，是指裴氏圖導向的監控員、偵察員、維修員軟體，同化性設定的目的即是為了將控制器輸出、輸入模組中各節點的狀態與裴氏圖裡的各項元件連接，使得裴氏圖裡的控制邏輯能夠轉譯成控制器端相對應的控制行為。此部分於 3.2 節說明。第二階段「決策系統連接介面設計」：是針對定義決策系統與資料伺服器之間進行資料傳送時所使用的函式、方法規格以及資料格式，讓資料伺服器開發人員能夠依循此通用標準設計其資料伺服器軟體。此部分於 3.3 節說明。第三階段「驅動程式連接介面設計」：是定義資料伺服器與驅動程式之間進行資料傳送時所使用的函式、方法規格以及資料格式，使控制器開發人員能夠依循此通用標準設計其驅動程式。此部分於 3.4 節說明。

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3.2 「資料伺服器」的規格設計

資料伺服器的主要功能是進行決策系統與驅動程式之間的資訊轉譯，其內部定義了控制器與裴氏圖之間的同步性設定，也就是控制器的輸出、輸入信號狀態與裴氏圖中各個轉移點及暫存點的連接關係定義。資料伺服器會透過裴氏圖的同步性設定將決策系統的指令表示成對應的控制器輸出信號狀態並傳送至驅動程式。另一方面，也從驅動程式端接收有關控制器的輸入信號狀態，並轉譯成裴氏圖資訊傳回至決策系統。在詮釋性裴氏圖中，同步性設定方式是將控制器的輸入信號狀態連接至轉移點、控制器的輸出信號狀態連接至暫存點。在這裡，首先會進一步把控制器的輸入信號分成事件觸發信號以及設備狀態訊號。事件觸發信號用來表達實體環境中特定事件的發生，設備狀態訊號則來表達各項實體設備的運作狀態。接著調整詮釋性裴氏圖的同步性設定方式，讓設備狀態信號對應至暫存點，事件觸發信號與輸出信號對應至轉移點，所以裴氏圖浮標狀態能夠顯示出實體環境所發生的正常、異常行為資訊，並提供給監控軟體進行分析。調整後的裴氏圖稱為修正詮釋性裴氏圖。3.2.1 節說明修正詮釋性裴氏圖的符號定義。3.2.2 節說明修正詮釋性裴氏圖的同步性設定方式。3.2.3 節說明修正詮釋性裴氏圖的法則轉換方式。

3.2.1 修正詮釋性裴氏圖的符號定義

修正詮釋性裴氏圖共包含十一個元素 PN = (P, T, F, W, M-0, S, E, O, fp, ft)。其中，(P, T, F, M0)代表一組二元標記(Binary Marked)、連接(Connected)、普通(Ordinary)且轉移點時間性 (T-timed)的裴氏圖。「二元標記」是指任何狀態下暫存點內最多只會有一個浮標存在。「連接」是指任意兩個節點(Node)間至少存在一條可以到達的路徑。「普通」是指每一條箭號的權重皆為一，「轉移點時間性」是指轉移點具有計時特性。集合 S 包含實體系統的各元件狀態，S = {S1,1, S1,2, S1,3……Sm,n}，Sk,i--為元件 k 的狀態 i。

集合 E 包含實體系統的觸發事件。E = {e, E1, E2, E3…….Em}，e 代表一虛擬的無間斷

發生的觸發事件。

集合 O 包含實體系統的各元件作業。O = {O1,1, O1,2, O1,3…....Om,n}，Ok,i代表元件 k 的

作業 i。

函數 fp為暫存點 Pi與實體系統元件狀態的對應。fp(Pi) = S’，S’為元件狀態集合 S 的一

組子集合。

函數 ft為轉移點 Ti與實體系統元件作業、觸發事件以及延遲啟動時間的對應。ft(Ti) =

(E’,O’, ms)，E’為觸發事件集合 E 的一組子集合，O’為元件作業集合 O 的一組子集合。ms 為轉移點的延遲啟動時間，其單位為毫秒。轉移點的計時器會在轉移點為可激發狀態下並且接收到觸發事件後開始計時，當計時終了後才執行元件作業。對於修正詮釋性裴氏圖的動態行為而言，當轉移點的所有輸入暫存點都擁有浮標時，該轉移點為可激發狀態。所有可激發狀態的轉移點均會同時激發。激發完成的轉移點會將其輸入暫存點轉為不可標記(Unmarkable)狀態、輸出暫存點轉為可標記(Markable)狀態，可標記狀態的暫存點代表實體系統元件目前應該停留的狀態。對於浮標分佈而言，修正詮釋性裴氏圖是依據目前實體系統裡各個元件的狀態資訊以及暫存點是否為可標記狀態給予

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浮標，所以當暫存點具有浮標時即表示元件的預期狀態與實際狀態吻合。修正詮釋性裴氏圖與實體系統的互動如圖 3.3 所示。圖 3.3 修正詮釋性裴氏圖

3.2.2 修正詮釋性裴氏圖的同步性設定

對於修正詮釋性裴氏圖與外部環境之間的同步化，是藉由函數 ft(Ti) = (E’,O’)對應轉移點至一組實體系統的作業以及一組作業的觸發事件，函數 fp(Pi) = S’對應暫存點至一組元件狀態。在控制器裡，系統的作業是指可邏輯程式控制器輸出節點的導通或斷路、變更虛擬變數的值或是呼叫程式函式進行複雜運算。觸發事件以及元件狀態都可以指的是特定的可邏輯程式控制器輸入節點狀態或是位於特定值域的虛擬變數，不同之處在於元件狀態專指由控制器的作業輸出端再接回至控制器狀態輸入端的回授資訊。實體系統

P1:Markable T1:Firing P2:Unmarkable T2:Not fireable

修正詮釋性裴氏圖

(a) T1、T4激發 A2:false

A1:true

T3:Not fireable P4:Markable T4:Firing

P3:Unmarkable

A3:false A4:true

O4

O1

實體系統

P1:Unmarkable T1:Not Fireable P2:Markable T2:Fiiring

修正詮釋性裴氏圖

(b) T1、T4激發完畢，T2激發 A2:true

A1:false

T3:Not fireable P4:Unmarkable T4:Not fireable

P3:Unmarkable

A3:false A4:false

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以 3.4(a)的輸送帶系統為例，系統中包含了三種元件—輸送帶、一號紅外線感知器以及二號紅外線感知器，各元件與可程式邏輯控制器輸入、輸出節點的對應如表 3.1。圖 3.4 輸送帶系統與修正詮釋性裴氏圖表 3.1 輸送帶系統輸入、輸出節點說明元件輸入節點輸出節點一號紅外線感知器 I1 無二號紅外線感知器 I2 無輸送帶 I3 O1 對於系統的作業流程而言，當一號紅外線感知器偵測到容器進入輸送帶後，會啟動輸送帶直到二號紅外線感知器偵測到容器離開輸送帶後再將輸送帶停止，其修正詮釋性裴氏圖可表達如圖 3.4(b)。在信號傳遞方面，一號紅外線感知器在偵測到容器進入輸送帶時，會回傳信號 1 至可程式邏輯控制器的輸入節點 I1表示「容器進入」事件的發生。控制器接收到「容器進入」的事件發生後，會導通其輸出節點 O1(= 1)以啟動輸送帶。二號紅外線感知器在偵測到容器離開輸送帶時，會回傳信號 1 至可程式邏輯控制器的輸入節點 I2表示「容器離開」事件的發生。當控制器接收到「容器離開」的事件發生後，會啟動計時器進行計時，並且於一秒後斷路其輸出節點 O1(= 0)以停止輸送帶。在輸送帶行進過程中，輸送帶會藉由輸入節點 I3 回傳其回授狀態至控制器，當 I3 = 1 時表示輸送帶處於啟動狀態、I3 = 0 時表示輸送帶處於停止狀態。此範例中，元件狀態集合 S = {輸送帶已停止(I3 = 0)、輸送帶已啟動(I3 = 1)}、作業觸發

事件集合 E={容器進入(I1 = 1)、容器離開(I2 = 1)}、元件作業集合 O = {啟動輸送帶(O1 = 1)、

停止輸送帶(O1 = 0)}。而裴氏圖的同步性則可以分別定義 ft、fp函數為 ft(T1) = ({I1 = 1}, {O1

= 1}, 0)、ft(T2) = ({I2 = 1}, {O1 = 0}, 1000)；fp(P1) = {I3 = 0}，fp(P2) = {I3 = 1}。