虛擬量測技術在電子玻璃缺陷預測中的應用

　　電子玻璃是液晶屏、觸摸屏的核心材料，價值高、生產(chǎn)難度很大。科技部2017年數(shù)據(jù)顯示，僅G8.5世代面板我國產(chǎn)能就已達到世界50%，然而電子玻璃產(chǎn)線國產(chǎn)化率還不到5%。好在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術的普及，正在加快中國追趕發(fā)達國家的速度。中國電子6月份官宣旗下彩虹集團首條高世代G8.5+溢流法電子玻璃產(chǎn)線順利通過鑒定，代表了該領域國產(chǎn)化的較高水平，不過與康寧等一流企業(yè)仍然有較大的差距。那么，大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是如何提升光電制造水平的，今天我們就給大家分享一個基于大數(shù)據(jù)的虛擬量測技術在電子玻璃缺陷預測中的應用。

　　溢流法制造工藝的挑戰(zhàn)

　　“世代”是電子玻璃產(chǎn)線“水平”或者“級別”的行業(yè)說法，目前已經(jīng)有G11世代、G10.5世代等高世代技術。其差異點主要在單片玻璃產(chǎn)品的尺寸等，世代越高尺寸越大，制造難度也更大。比如G10世代電子玻璃基板面積已經(jīng)達到2.85米*3.05米，G8.5世代產(chǎn)品為2.2米*2.5米。大家日常使用的電子產(chǎn)品屏幕都是從這些電子玻璃上分割來的。電子玻璃又有基板、蓋板等分類，基板主要用于液晶屏幕，蓋板主要用于觸摸屏。其中基板的厚度僅為0.5毫米左右，生產(chǎn)難度最高。

　　溢流法工藝流程示意圖(紅框處為關鍵成型、冷卻設備)

　　溢流法是目前電子玻璃較為先進的制造工藝，包含熔解、澄清、均質化、供給、成型、冷卻、切斷、磨削、研磨、清洗、檢查、包裝等工序。其中成型、冷卻是核心工序，熔融的玻璃原料呈半液態(tài)膠狀體，在成型環(huán)節(jié)溢流成初步的平板形狀玻璃，之后在冷卻環(huán)節(jié)通過拉伸以及精確控制每個平方單位的退火時間和溫度，實現(xiàn)符合目標平整度的電子玻璃的生產(chǎn)。

　　僅在成型、冷卻等關鍵工序方面，行業(yè)翹楚康寧就有上百項專利。成型和冷卻環(huán)節(jié)最大的挑戰(zhàn)在于讓五六平米、甚至近十平米大小且不到一毫米厚的玻璃，避免出現(xiàn)超標的厚度偏差、翹曲和應變等缺陷。厚度偏差的控制關鍵在成型過程通過驟冷降低兩端處玻璃的粘度，而翹曲和應變的避免則在于冷卻過程中精確控制玻璃塑性變形區(qū)域的溫度?？傊?，這些缺陷都需要通過精確控制好每一個平方單位的玻璃溫度來避免。因此，成型爐和冷卻爐一般都布滿了溫度采集和控制設備。

　　電子玻璃翹曲的問題

　　在檢查工序中，質檢工程師會使用專業(yè)的光學儀器測量玻璃片不同位置的厚度，對厚度進行對比。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，導致色差，這類質量缺陷就叫做翹曲。如前所述，翹曲一般產(chǎn)生在冷卻工序，根本原因在于玻璃冷卻過程溫度沒有控制好。

　　而玻璃溫度的控制并不容易，雖然冷卻設備中呈柵格狀部署了數(shù)百個熱電偶，以對玻璃冷卻過程中的每個平方單位溫度進行控制，但為了保證在不同環(huán)境和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的穩(wěn)健性，這些熱電偶的控制門限往往都是靜態(tài)門限，不會自動調(diào)整，而且通常會設置得較為寬泛，因此當控制門限沒有隨產(chǎn)品、工藝的改變而調(diào)整，它們即使工作在容忍限以內(nèi)，仍然會出現(xiàn)翹曲的缺陷問題。

　　翹曲一旦在檢查工序中發(fā)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)整退火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)專家的模糊經(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并反復嘗試。

　　但同時我們還要看到，上游的成型和冷卻溫度調(diào)整與下游的質檢相隔了幾個小時，這樣即使上游溫度調(diào)整再次出現(xiàn)了偏差，也只能在幾個小時后的下游光學檢驗中才能再次發(fā)現(xiàn)。因此調(diào)整工藝參數(shù)到發(fā)現(xiàn)問題改進之間隔了幾個小時的時間，導致每次參數(shù)調(diào)整都會花很長時間。正是因為這些問題的存在，導致一旦出現(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。

　　針對翹曲的虛擬量測系統(tǒng)

　　寄云科技與中國電子彩虹集團特種玻璃的工藝技術人員，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：

01 自動采集質檢數(shù)據(jù)，并且將其和熱電偶控制參數(shù)進行關聯(lián)分析

　　翹曲的質檢數(shù)據(jù)是以csv格式的文件，保存在檢驗儀器內(nèi)置的ftp服務器上;而實時的熱電偶控制參數(shù)數(shù)據(jù)，則是保存在退火爐的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)，并為其打上時間標簽;同時，通過OPC接口，讀取退火爐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。

02 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。

　　針對玻璃片沒有批次號碼，因而無法按照批次進行質量追蹤的問題，寄云開發(fā)了基于相關性搜索的算法，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。

03 根據(jù)歷史的熱電偶數(shù)據(jù)和質檢數(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)和質檢數(shù)據(jù)的基礎上，構建了熱電偶的歷史數(shù)據(jù)(因)和質檢數(shù)據(jù)(果)之間的回歸方程，得到一個表征了因果關系的映射函數(shù)。

　　在映射函數(shù)上可以做兩件事情：

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

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

　　應用效果

　　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預測。

　　應用場景推廣

　　“只要能測量，就一定能改進”。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，有大量關鍵的生產(chǎn)參數(shù)，如高溫爐中心溫度、材料的化學成分、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)能和質量。

　　虛擬量測(也有人稱軟測量)是最近幾年廣泛應用在連續(xù)生產(chǎn)(半導體、光電、能源、化工等流程行業(yè))的數(shù)據(jù)分析技術，它的原理是通過大量的設備實時數(shù)據(jù)和質檢數(shù)據(jù)的采集，通過數(shù)據(jù)分析建模構建因果映射關系，通過當前可以直接測量的參數(shù)，計算出未來在檢驗環(huán)節(jié)才能發(fā)現(xiàn)的異常和缺陷;通過當前的測量值，間接推測出無法直接測量的指標，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)在半導體、光電、能源、化工行業(yè)得到了大量的驗證。

（轉載）