★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 

隨著(zhù)市場(chǎng)大環(huán)境的競爭日益激烈，工廠(chǎng)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(lái)越大，所以生產(chǎn)過(guò)程的設 備數據采集以及及時(shí)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，也成了企業(yè)競爭力的一個(gè)重要因素。但是 很多企業(yè)對于設備數據的利用和管控還比較欠缺，無(wú)法將此類(lèi) 的資源轉化為企業(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(chǎng)占有率。受?chē)H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(kāi)，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(chǎng)的設備整合和系統對接 帶來(lái)了不小的困擾。

 1.2　主要目標 

（1）實(shí)現廠(chǎng)內機臺協(xié)議標準化，降低系統對接成本，提 升國產(chǎn)設備、非標設備在半導體行業(yè)的競爭力。 

（2）提升數據采集的全面性，加強數據分析和現場(chǎng)監控 的力度，提升產(chǎn)品的生產(chǎn)品質(zhì)和效率。 

（3）加強現場(chǎng)設備控制力度，通過(guò)數據采集、外圍系統 集成、指令下達，及時(shí)將異常狀況反饋到生產(chǎn)機臺，避免發(fā)生 連續性的不良狀況。

 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(wù)，整合SECS/GEM 協(xié)議，支持平臺和客戶(hù)端雙重應用模式，全面覆蓋半導體行 業(yè)設備數據采集及雙向事件交互。平臺層通過(guò)SECS/GEM、 MQTT、Modbus、OPC等協(xié)議向下對接實(shí)體設備，向上通過(guò) Mqtt、Web Service、Kafka、JDBC等交互方式對接上層應 用，實(shí)現設備實(shí)體層、自動(dòng)化控制層和現場(chǎng)作業(yè)控制層的高度 集成，提升車(chē)間管控力度?？蛻?hù)端的IoT Edge云原生邊緣計 算服務(wù)支持下沉至設備端，連通設備實(shí)體層后通過(guò)協(xié)議改造 （SECS/GEM），向上對接EAP系統，打通設備端數據壁壘， 實(shí)現設備數據集中化管理。

 2.2　主要功能 

通過(guò)IoT Edge與SECS/GEM協(xié)議改造相結合，實(shí)現車(chē)間數 據管理的全面性、實(shí)時(shí)性與準確性，支持通過(guò)零代碼的配置實(shí) 現相關(guān)場(chǎng)景的功能搭建，通過(guò)報表和看板直觀(guān)呈現數據的動(dòng)態(tài) 信息以及分析結果；IoT Edge云原生的邊緣計算服務(wù)，它將云 平臺的服務(wù)能力延伸到了邊緣側，擁有輕量、高效、開(kāi)放、靈 活、安全的特點(diǎn)。

 研華工業(yè)云IoT Edge架構圖如圖1所示。

 圖1 研華工業(yè)云IoT Edge架構圖 

（1）數據接入層，支持各類(lèi)工業(yè)設備的協(xié)議接入和反向控 制，包括半導體行業(yè)設備的數據采集和雙向交互，支持網(wǎng)關(guān)數據 接入，支持各類(lèi)IT系統的數據接入，支持文本和流數據接入。 

（2）提供完整的設備管理能力。 

（3）提供流數據處理的能力，利用各類(lèi)計算算子滿(mǎn)足邊 緣側對計算的多樣化需求，通過(guò)和邊緣機器學(xué)習方案整合，提 升邊緣智能的能力。

（4）向外提供靈活的數據對接和轉發(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 第三方的系統或平臺進(jìn)行對接。 

（5）和零代碼的數據可視化服務(wù)進(jìn)行整合，提供邊緣端 數據快速應用的能力。 

（6）IoT Edge可提供跨操作系統，跨平臺的靈活部署，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，可根據性能需要搭配不同的硬件。

 2.3　系統架構（如圖2所示）

 圖2 系統架構 

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

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

（2）客戶(hù)端：IoT Edge支持下沉至設備端，連通設備實(shí) 體層后通過(guò)協(xié)議改造（SECS/GEM）向上對接EAP系統，打通 設備端數據壁壘，實(shí)現設備數據集中化管理。 

2.4　創(chuàng )新 

圖3 

 （1）開(kāi)放式的“插件”新生態(tài)。在采集側，協(xié)議插件化 的架構，內置協(xié)議插件支持常用的工業(yè)協(xié)議接入，同時(shí)支持 SECS/GEM半導體行業(yè)協(xié)議，統一車(chē)間機臺的協(xié)議標準；在 邊緣計算層，通過(guò)算子插件來(lái)持續擴展，可根據行業(yè)需要開(kāi)發(fā) 各種算法插件，深入挖掘數據的價(jià)值；在數據顯示層，通過(guò)可 視化插件方式來(lái)持續擴展數據的個(gè)性化顯示需求，加快應用構建。從各個(gè)層面來(lái)提供擴展性和開(kāi)放性。 

（2）支持平臺和客戶(hù)端的雙重應用場(chǎng)景。

 圖4 

 (3）將數據的處理分析、數據融合，數據應用，甚至一 些AI智能化服務(wù)的實(shí)現，由云端下沉到邊緣節點(diǎn)上。在靠近物 或數據源頭，提供一個(gè)融合網(wǎng)絡(luò )、計算、存儲、應用的開(kāi)放可 擴展的平臺。 

（4）可滿(mǎn)足數據采集的多樣性并可根據需要擴展，可將 IT和OT的數據進(jìn)行融合應用。 

（5）根據數據對接對象的不同，通過(guò)MQTT等方式進(jìn)行 靈活的轉換接入或向外轉發(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(xué)習推理能力。 

（7）邊緣端可支持獨立自治，滿(mǎn)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(shí)兼顧輕量化的需要，提供靈活解耦的架 構，能根據邊緣需求進(jìn)行靈活組合并能擴展。

 3　代表性及推廣價(jià)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 的統一協(xié)議標準問(wèn)題，通過(guò)協(xié)議改造實(shí)現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(shí)現設備與上層控制系統的全面數據對接，達到車(chē)間生產(chǎn)的透明化，為管理層的上令下達提供數據依賴(lài)，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(hù)的信賴(lài) 度，提升企業(yè)效益。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年第2期暨《邊緣計算2023專(zhuān)輯》