★北京研華興業(yè)電子科技有限公司

 1　目標(biāo)和概述 

1.1　行業(yè)挑戰(zhàn) 

隨著市場(chǎng)大環(huán)境的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，工廠對(duì)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(shè) 備數(shù)據(jù)采集以及及時(shí)準(zhǔn)確的控制指令下達(dá)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(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要因素。但是 很多企業(yè)對(duì)于設(shè)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(jìng)爭(zhēng)的助力，也間接降低了企業(yè)對(duì)外界需求 方的吸引力和市場(chǎng)占有率。受國際環(huán)境的影響，半導(dǎo)體設(shè)備國 產(chǎn)化的比重和速度都在迅速展開，但是國產(chǎn)化設(shè)備對(duì)于半導(dǎo)體 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的支持相對(duì)比較薄弱，給工廠的設(shè)備整合和系統(tǒng)對(duì)接 帶來了不小的困擾。

 1.2　主要目標(biāo) 

（1）實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)機(jī)臺(tái)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，降低系統(tǒng)對(duì)接成本，提 升國產(chǎn)設(shè)備、非標(biāo)設(shè)備在半導(dǎo)體行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。 

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

（3）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制力度，通過數(shù)據(jù)采集、外圍系統(tǒng) 集成、指令下達(dá)，及時(shí)將異常狀況反饋到生產(chǎn)機(jī)臺(tái)，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(jì)算平臺(tái)WISE-IoTSuite/ IoT Edge云邊協(xié)同的一致化管理和服務(wù)，整合SECS/GEM 協(xié)議，支持平臺(tái)和客戶端雙重應(yīng)用模式，全面覆蓋半導(dǎo)體行 業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集及雙向事件交互。平臺(tái)層通過SECS/GEM、 MQTT、Modbus、OPC等協(xié)議向下對(duì)接實(shí)體設(shè)備，向上通過 Mqtt、Web Service、Kafka、JDBC等交互方式對(duì)接上層應(yīng) 用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)體層、自動(dòng)化控制層和現(xiàn)場(chǎng)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(jì) 算服務(wù)支持下沉至設(shè)備端，連通設(shè)備實(shí)體層后通過協(xié)議改造 （SECS/GEM），向上對(duì)接EAP系統(tǒng)，打通設(shè)備端數(shù)據(jù)壁壘， 實(shí)現(xiàn)設(shè)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(shí)現(xiàn)車間數(shù) 據(jù)管理的全面性、實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，支持通過零代碼的配置實(shí) 現(xiàn)相關(guān)場(chǎng)景的功能搭建，通過報(bào)表和看板直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài) 信息以及分析結(jié)果；IoT Edge云原生的邊緣計(jì)算服務(wù)，它將云 平臺(tái)的服務(wù)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(diǎn)。

 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(shè)備的協(xié)議接入和反向控 制，包括半導(dǎo)體行業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和雙向交互，支持網(wǎng)關(guān)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(shè)備管理能力。 

（3）提供流數(shù)據(jù)處理的能力，利用各類計(jì)算算子滿足邊 緣側(cè)對(duì)計(jì)算的多樣化需求，通過和邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)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(duì)接和轉(zhuǎn)發(fā)的能力，除了和研 華的平臺(tái)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(tái)進(jìn)行對(duì)接。 

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

（6）IoT Edge可提供跨操作系統(tǒng)，跨平臺(tái)的靈活部署，支 持在Windows、Linux、K8s環(huán)境部署，支持二進(jìn)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(tái)和客戶端雙重應(yīng)用模式，全 面覆蓋半導(dǎo)體行業(yè)設(shè)備（>80%）數(shù)據(jù)采集及雙向事件交互。

 （1）平臺(tái)：通過SECS/GEM、MQTT、Modbus、OPC 等協(xié)議向下對(duì)接實(shí)體設(shè)備，向上通過MQTT、Web Service、 Kafka、JDBC等交互方式對(duì)接上層應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)體層、自動(dòng) 化控制層和現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備端，連通設(shè)備實(shí) 體層后通過協(xié)議改造（SECS/GEM）向上對(duì)接EAP系統(tǒng)，打通 設(shè)備端數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)設(shè)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(shí)支持 SECS/GEM半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)議，統(tǒng)一車間機(jī)臺(tái)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；在 邊緣計(jì)算層，通過算子插件來持續(xù)擴(kuò)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(jià)值；在數(shù)據(jù)顯示層，通過可 視化插件方式來持續(xù)擴(kuò)展數(shù)據(jù)的個(gè)性化顯示需求，加快應(yīng)用構(gòu)建。從各個(gè)層面來提供擴(kuò)展性和開放性。 

（2）支持平臺(tái)和客戶端的雙重應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用，甚至一 些AI智能化服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，由云端下沉到邊緣節(jié)點(diǎn)上。在靠近物 或數(shù)據(jù)源頭，提供一個(gè)融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用的開放可 擴(kuò)展的平臺(tái)。 

（4）可滿足數(shù)據(jù)采集的多樣性并可根據(jù)需要擴(kuò)展，可將 IT和OT的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合應(yīng)用。 

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

（6）邊緣計(jì)算能力增強(qiáng)，從分析計(jì)算到擴(kuò)展支持邊緣智 能的機(jī)器學(xué)習(xí)推理能力。 

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

（8）平臺(tái)具備采集、控制、運(yùn)維、分析、可視化，智能 化的一站式能力，同時(shí)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(jìn)行靈活組合并能擴(kuò)展。

 3　代表性及推廣價(jià)值                                                                                         

此方案可解決某些國產(chǎn)設(shè)備與非標(biāo)設(shè)備在半導(dǎo)體行業(yè)面臨 的統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)問題，通過協(xié)議改造實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議SECS/GEM的支持，提升設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)力，在標(biāo)準(zhǔn)化協(xié) 議的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備與上層控制系統(tǒng)的全面數(shù)據(jù)對(duì)接，達(dá)到車間生產(chǎn)的透明化，為管理層的上令下達(dá)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(dòng)化博覽》2023年第2期暨《邊緣計(jì)算2023專輯》