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智能工厂协议入门
  2020-06-30      82

作者:Happy HoldenI-CONNECT007

智能工厂的概念建立在数据交换的基础上。从20世纪60年代开始的数十年间,在工业领域和生产数据协议方面已经取得长足发展。本文概述了目前的电子制造业中最常用的协议,包括IPC-CFX/ Hermes、OML、SECS/GEM和MAPS。

电子产品智能工厂使用的协议

缩短智能工厂的自动化协议开发时间的一种方法是充分利用现有的技术。电子制造业已建立三种协议:

1.     用IPC-9852 HERMES标准建立的IPC-2591连接工厂交换(CFX)协议。

2.     使用Mentor /西门子的开放式制造语言(OML)的协议。

3.     使用国际半导体产业协会的半导体通讯标准(SEMI的SECS)/全球创业观察-国际半导体产业协会(GEM-SEMI)的设备通信标准/通用设备型号协议。

有一个或多个这些现有标准之后,对任何PCB制造智能工厂协议建模将缩短它们的开发时间。

IPC-CFX/Hermes协议

由IPC引进的开放网络标准是IPC在2018年推出的IPC-2591[1](图1),它为“即插即用”的工业物联网确立三个关键要素:

1.使用AMQP的信息协议

2.使用JSON的编码机制

3. 特定内容建立要素——结构化的主题和信息

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Hermes标准是一种低级生产线控制协议,它在生产线上的各个前后设备之间传送信息,包括PCB ID、程序名称和关键的产品数据。这些元素允许建立自动决策和仪表板显示、警报和报告。在降低成本的同时提高生产能力、效率、产量规划和质量。可以进行全面的元件追溯(IPC-1782)和设计反馈(IPC-2581)。

典型的CFX主题和信息如图2所示。IPC已建立一种方法来添加和编辑CFX标准的新信息,即“CFX信息提交过程”,帮助它发展并被更多的设备和工艺所应用。其中甚至还有用于手工焊接的CFX信息传送。MAPS可以模拟无线信令协议,例如LTE(S1,eGTP,X2)接口和在IP传输层上的UMTS(IuCS,IuPS,IuH)、GPRG Gb和GSM A。”

 “MAPS测试套件可以用来增强模拟多个UE和IMS的核心成分,诸如在IMS核心网络中的P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF, PCRF, MGCF。在移动电话和其他模拟无线网络的帮助下,VoLTE实验室的设置可以进行实时VoLTE呼叫,以及与PSTN和VoIP网络互通。把MAPS增强到高密度版本和专用的1U网络应用,它能够支持高呼叫强度(每秒数百次呼叫)和高容量的持续呼叫(每个1U平台可以支持同时进行数万个呼叫)。

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为便于调整设备和应用,已经开发了一些可用于Windows.NETLinuxLabVIEWJAVA等系统的免费软件开发工具包(SDK)。而且已经改造了数百台设备,并且用原生的CFX进行演示。IPC委员会的目标是全面促进全球的工业4.0数字制造。

现在做到实时闭环反馈是可行的而且是可用的。IPC-CFX提供工具和共享来执行智能工厂的大部分任务,包括通过IPC-2581的数字产品模型(DPM)向设计者提供DFX反馈。IPC-CFX获得成功的不可分割的部分是根据IPC-2581创建的DPM标准。

OML协议

OML协议是由Mentor公司的Valor部门开发的,现在Valor已经成为西门子公司的一部分。OML协议是使用Valor 物联网盒子将传送的信息和通信协议根据ISA-95的应用层次结构(图3)将SMT组装设备连接到西门子的更高级别的工厂软件和显示器及性能仪表板。

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硬件

西门子的物联网方案中有两个独特的“即插即用”硬件。它们是:

•  系统处理单元(SPU):用于联网的工厂网关和用于连接机器的线路控制器

•  数据采集单元(DAU):使用各种不同的物理接口来连接各种设备工艺和人工工艺,例如RS232、数字I/O、USB、HDMI、局域网、SMEMA(Hermes)和照明灯塔传感器。

数据格式

OML使用JavaScript对象表示法(JSON)标准来表示每条信息。在软件行业中,JSON的使用呈逐年快速增长,目前,大多数基于网络的技术和整个互联网都广泛使用这种数据交换格式。例如,JSON可以使用比XML少得多的空间来表示相同的数据,这意味着性能的提升。但是,和XML一样,JSON仍然是人类可读的语言,可以表示复杂的数据。JSON可以很容易压缩,减少占用的空间尺寸,从而进一步提高效率。

JSON是一种成熟的完全开放的标准

  它将支持大多数主要的编程语言与平台。西门子/ Mentor的层级结构如图3所示。OML允许设备供应商和用户创建菜单、控制设备、语音警报与收集数据来自动解决问题(图4)。

图4展示了数据采集单元(DAU)和系统处理单元(SPU)是如何采集、转换和规范数据的,并把结果提供给更高级的功能,让这些高级功能能够使用这些数据通过CamStar、Teamcenter PLM和Mindsphere或其他的第三方软件方案做出决策,随后立即采取行动。

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SEMI的SECS/GEM协议

SEMI的SECS/GEM协议是半导体行业在上个世纪80年代和90年代创立的,直到今天,它仍在不断更新。有超过900个英国的SEMI标准,还有很多韩国标准、日本标准和中国标准。SEMI还为光伏等其他行业制定标准。这些标准是开放的,而非专有的。SEMI的文档对建立PCB制造协议的信息和响应是有用的。与集成电路制造一样,PCB制造工艺也是热力学范畴,因此IC fab模型和动态的PCB组装模型不一样,对PCB制造非常有用。它已借助目前的无线网络与安全性更新,是一种可以方便地添加到自动化PCB组装中的模型[2]。

SEMI拥有PCB制造与组装咨询委员会,致力于将整个电子产品供应链连接成一个数字化进程。由于可访问性、原创性和安全性,SEMI正在考虑将“分布式记账技术”(区块链)作为一种可能的技术,包含在他们的通用设备模型(GEM-E30)协议中。

正如HP的杂志文章中的解释[3]:“SECS I把RS-232-C电缆的使用和引脚的定义,以及一种相对简单的线路协议合并起来。SECS II定义更多的信息(高达4.3 Gb)来请求和发送状态信息、传输菜单数据、报告警报情况、发送远程设备控制命令和处理材料传输。SECS I采用一种跨过RS232- C线并且在每个信息的末尾带有校验码进行简单的ENQ-ACK信息交换。SECS I还定义信息交换响应、单个信息字符和信息响应之间的超时间隔。在SECS I中,信息头定义为包括设备标识符,消息标识符,信息块编号和其他系统信息。”

SECS II定义了信息的类型、格式、内容和指标。SECS流是分组的信息,分配给设备功能的一般集合。在每个信息流中,给各个信息指定功能编码。例如,SECS信息流1的功能码是5(缩写是S1 F5),这是一个格式化的设备状态请求,信息流1的功能码6是对设备状态信息的应答。与此类似,信息流7的功能码5是用来请求传输工艺的菜单,信息流7的功能码6用来传输菜单。SECS II还定义是否需要应答、信息的内容和格式(包括给数据项定义信息头),以及使用的信息是否可以从设备到主机、从主机到设备。

GEM/SECS-II标准是独立的协议。目前,SEMI定义两种协议:用于串行通讯的SECS-I (E4)和用于网络通讯的HSMS(E37)。现在的大多数系统都使用HSMS标准。HSMS没有指定物理层。技术上可以使用TCP/IP支持任何物理层,但所有的系统通常都只使用有一个RJ45端口的以太网接口控制器(NIC)。

SECS标准的一个主要优点是它定义信息和它们的内容;它定义如何同时使用各种信息来执行一个功能。设备制造商要决定使用什么信息来执行以前手动执行的功能。GEM标准是建立在SEMI标准的SECS-II(E5)之上。

其他行业已经采用这种标准,例如光伏(太阳能电池)行业,许多电子行业也采用GEM标准。在审查这些SEMI标准的基础上,GEM标准可以作为PCB制

造行业的一个模型:

1.  SEMI E4: 国际半导体产业协会设备通信标准1 信息传输 (SECS-I)

2.  SEMI E5: 国际半导体产业协会设备通信标准2 信息传输 (SECS- II)

3.  SEMI E30: 制造设备通讯与控制的通用型号(GEM)

4.  SEMI E37: 高速半导体设备通讯标准信息服务(HSMS)的通用服务

5.  SEMI E81: 通用信息模型框架结构规范

6.  SEMI E96: 通用信息模型框架技术结构指南

7.  SEMI E128: 可扩展标记语言信息结构规范MAPS™协议:信息自动化和协议模拟正如GL通讯公司在概述教程中的解释的那样[4]:

 “MAPS为工厂自动化指定了一组标准通信服务,并已被ISO接受为国际标准。它是一个协议模拟和一致性测试工具,支持工厂车间的控制器,诸如PLC、机器人、群组控制器、集群控制器的各种协议。MAPS是最古老和最常用的工厂车间自动化协议之一,由通用汽车公司率先提出,被通用电气公司在它的工厂中采用。”

 “MAPS基于国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)参考模型。它有三个主要部分:文件传输、访问和管理服务;制造信息规范服务;以及X.500服务。MAPS协议包括SIP、MEGACO、MGCP、SS7、ISDN、GSM、MAP、CAS、LTE、UMTS、SS7 SIGTRAN、ISDN SIGTRAN、SIP I、GSM AoIP、Diameter和其他。这一信息自动化工具覆盖协议模拟和协议分析解决方案。该应用程序包括各种测试计划和测试案例,以支持对测试对象进行实时测试。除了自动化能力外,这个应用让用户具有编辑信息和控制场景(信息序列)的无限能力。

'信息序列’是通过脚本生成的。”“设计MAPS是用来处理TDM接口和IP/以太网接口。MAPS还支持3G和4G移动协议标准,以测试快速发展的移动技术。

结论

每制定一个协议都有它特定的目标;没有哪个协议能够执行在制造车间中可能会遇到的所有数据交换功能。在开发你的数字工厂转换策略时,应当仔细评估所有协议的功能和限制,以保证你执行的协议适合你的工厂的特定需求。SMT007

参考文献

1.www.mentor.com/pcb-manufacturing-assembly/iot-valor-manufacturing/oml.

2. SEMI Standard E30, GEM-Generic Equipment Model, www.semi.org.

3. “Semiconductor Productivity at HP,” HP Journal, July 1985.

4. Message Automation & Protocol Simulation (MAPS™), GL Communications, Inc.

Happy Holden has worked in printed circuit technology since 1970 with Hewlett Packard, NanYa/Westwood, Merix, Foxconn and Gentex. He is currently a contributing technical editor with I-Connect007. To read past columns or to contact Holden, click here.

作者简介Happy Holden自1970年开始从事印刷电路技术,曾在惠普、NanYa/Westwood、Merix、富士康和Gentex等公司供职。他目前是I-Connect007杂志的特约技术编辑。如要阅读以往的期刊或与Holden联系,请点击这里。

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