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★北京研華興業(yè)電子科技有限公司

 1　目標和概述 

1.1　行業(yè)挑戰(zhàn) 

隨著市場大環(huán)境的競爭日益激烈，工廠對于產(chǎn)品的產(chǎn)能、 質(zhì)量以及成本的管控需求和力度越來越大，所以生產(chǎn)過程的設 備數(shù)據(jù)采集以及及時準確的控制指令下達都成了生產(chǎn)提升和質(zhì)量分析的重要環(huán)節(jié)，也成了企業(yè)競爭力的一個重要因素。但是 很多企業(yè)對于設備數(shù)據(jù)的利用和管控還比較欠缺，無法將此類 的資源轉(zhuǎn)化為企業(yè)競爭的助力，也間接降低了企業(yè)對外界需求 方的吸引力和市場占有率。受國際環(huán)境的影響，半導體設備國 產(chǎn)化的比重和速度都在迅速展開，但是國產(chǎn)化設備對于半導體 標準協(xié)議的支持相對比較薄弱，給工廠的設備整合和系統(tǒng)對接 帶來了不小的困擾。

 1.2　主要目標 

（1）實現(xiàn)廠內(nèi)機臺協(xié)議標準化，降低系統(tǒng)對接成本，提 升國產(chǎn)設備、非標設備在半導體行業(yè)的競爭力。 

（2）提升數(shù)據(jù)采集的全面性，加強數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場監(jiān)控 的力度，提升產(chǎn)品的生產(chǎn)品質(zhì)和效率。 

（3）加強現(xiàn)場設備控制力度，通過數(shù)據(jù)采集、外圍系統(tǒng) 集成、指令下達，及時將異常狀況反饋到生產(chǎn)機臺，避免發(fā)生 連續(xù)性的不良狀況。

 2　方案介紹

 2.1　總體概述 

該方案基于研華云原生的邊緣計算平臺WISE-IoTSuite/ IoT Edge云邊協(xié)同的一致化管理和服務，整合SECS/GEM 協(xié)議，支持平臺和客戶端雙重應用模式，全面覆蓋半導體行 業(yè)設備數(shù)據(jù)采集及雙向事件交互。平臺層通過SECS/GEM、 MQTT、Modbus、OPC等協(xié)議向下對接實體設備，向上通過 Mqtt、Web Service、Kafka、JDBC等交互方式對接上層應 用，實現(xiàn)設備實體層、自動化控制層和現(xiàn)場作業(yè)控制層的高度 集成，提升車間管控力度。客戶端的IoT Edge云原生邊緣計 算服務支持下沉至設備端，連通設備實體層后通過協(xié)議改造 （SECS/GEM），向上對接EAP系統(tǒng)，打通設備端數(shù)據(jù)壁壘， 實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)集中化管理。

 2.2　主要功能 

通過IoT Edge與SECS/GEM協(xié)議改造相結(jié)合，實現(xiàn)車間數(shù) 據(jù)管理的全面性、實時性與準確性，支持通過零代碼的配置實 現(xiàn)相關場景的功能搭建，通過報表和看板直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài) 信息以及分析結(jié)果；IoT Edge云原生的邊緣計算服務，它將云 平臺的服務能力延伸到了邊緣側(cè)，擁有輕量、高效、開放、靈 活、安全的特點。

 研華工業(yè)云IoT Edge架構(gòu)圖如圖1所示。

 圖1 研華工業(yè)云IoT Edge架構(gòu)圖 

（1）數(shù)據(jù)接入層，支持各類工業(yè)設備的協(xié)議接入和反向控 制，包括半導體行業(yè)設備的數(shù)據(jù)采集和雙向交互，支持網(wǎng)關數(shù)據(jù) 接入，支持各類IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，支持文本和流數(shù)據(jù)接入。 

（2）提供完整的設備管理能力。 

（3）提供流數(shù)據(jù)處理的能力，利用各類計算算子滿足邊 緣側(cè)對計算的多樣化需求，通過和邊緣機器學習方案整合，提 升邊緣智能的能力。

（4）向外提供靈活的數(shù)據(jù)對接和轉(zhuǎn)發(fā)的能力，除了和研 華的平臺云邊協(xié)同，也支持以MQTT，Kafka，API的方式和 第三方的系統(tǒng)或平臺進行對接。 

（5）和零代碼的數(shù)據(jù)可視化服務進行整合，提供邊緣端 數(shù)據(jù)快速應用的能力。 

（6）IoT Edge可提供跨操作系統(tǒng)，跨平臺的靈活部署，支 持在Windows、Linux、K8s環(huán)境部署，支持二進制和Docker部 署。并且非常地輕量和高效，可根據(jù)性能需要搭配不同的硬件。

 2.3　系統(tǒng)架構(gòu)（如圖2所示）

 圖2 系統(tǒng)架構(gòu) 

基于SECS/GEM協(xié)議支持平臺和客戶端雙重應用模式，全 面覆蓋半導體行業(yè)設備（>80%）數(shù)據(jù)采集及雙向事件交互。

 （1）平臺：通過SECS/GEM、MQTT、Modbus、OPC 等協(xié)議向下對接實體設備，向上通過MQTT、Web Service、 Kafka、JDBC等交互方式對接上層應用，實現(xiàn)設備實體層、自動 化控制層和現(xiàn)場作業(yè)控制層的高度集成，提升車間管控力度。 

（2）客戶端：IoT Edge支持下沉至設備端，連通設備實 體層后通過協(xié)議改造（SECS/GEM）向上對接EAP系統(tǒng)，打通 設備端數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)集中化管理。 

2.4　創(chuàng)新 

圖3 

 （1）開放式的“插件”新生態(tài)。在采集側(cè)，協(xié)議插件化 的架構(gòu)，內(nèi)置協(xié)議插件支持常用的工業(yè)協(xié)議接入，同時支持 SECS/GEM半導體行業(yè)協(xié)議，統(tǒng)一車間機臺的協(xié)議標準；在 邊緣計算層，通過算子插件來持續(xù)擴展，可根據(jù)行業(yè)需要開發(fā) 各種算法插件，深入挖掘數(shù)據(jù)的價值；在數(shù)據(jù)顯示層，通過可 視化插件方式來持續(xù)擴展數(shù)據(jù)的個性化顯示需求，加快應用構(gòu)建。從各個層面來提供擴展性和開放性。 

（2）支持平臺和客戶端的雙重應用場景。

 圖4 

 (3）將數(shù)據(jù)的處理分析、數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)應用，甚至一 些AI智能化服務的實現(xiàn)，由云端下沉到邊緣節(jié)點上。在靠近物 或數(shù)據(jù)源頭，提供一個融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用的開放可 擴展的平臺。 

（4）可滿足數(shù)據(jù)采集的多樣性并可根據(jù)需要擴展，可將 IT和OT的數(shù)據(jù)進行融合應用。 

（5）根據(jù)數(shù)據(jù)對接對象的不同，通過MQTT等方式進行 靈活的轉(zhuǎn)換接入或向外轉(zhuǎn)發(fā)。 

（6）邊緣計算能力增強，從分析計算到擴展支持邊緣智 能的機器學習推理能力。 

（7）邊緣端可支持獨立自治，滿足斷網(wǎng)弱網(wǎng)情況下的正 常運行，也支持云邊協(xié)同的統(tǒng)一管理和協(xié)同運行。

（8）平臺具備采集、控制、運維、分析、可視化，智能 化的一站式能力，同時兼顧輕量化的需要，提供靈活解耦的架 構(gòu)，能根據(jù)邊緣需求進行靈活組合并能擴展。

 3　代表性及推廣價值                                                                                         

此方案可解決某些國產(chǎn)設備與非標設備在半導體行業(yè)面臨 的統(tǒng)一協(xié)議標準問題，通過協(xié)議改造實現(xiàn)設備對于半導體行業(yè) 標準協(xié)議SECS/GEM的支持，提升設備競爭力，在標準化協(xié) 議的基礎上實現(xiàn)設備與上層控制系統(tǒng)的全面數(shù)據(jù)對接，達到車間生產(chǎn)的透明化，為管理層的上令下達提供數(shù)據(jù)依賴，提升產(chǎn) 品的生產(chǎn)效率和良率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升客戶的信賴 度，提升企業(yè)效益。

摘自《自動化博覽》2023年第2期暨《邊緣計算2023專輯》