Необходимые навыки от Хэппи Хольдена. Часть 16: Автоматизация производственных процессов. Протоколы автоматизации.

Производители оборудования для полупроводников определили необходимость в том, чтобы их оборудование коммуницировало с компьютерной системой большего хостинга и разработали SEMI стандарт коммуникационного оборудования (SECS), который определяет части всех семи ISO открытых систем соединения (OSI) коммуникационных слоев.

SECS/GEM стандартизирует двустороннюю коммуникацию внутри сети или последовательного кабельного соединения, которая соединяет оборудование и независима от любой конкретной программы или компьютерной операционной системы.

Вот как объясняется в статье HP Journal ^[6]:

SECS I объединяет использование RS-232-C кабеля и контактных определений и относительно простой линейный протокол. SECS II определяет сообщения для запроса и передачи информации о статусе, передачи данных о получателе, отчета о состоянии тревоги, отправки команд дистанционного управления оборудованием и управления передачей материалов. SECS I использует простое ENQ-ACK подтверждение установления связи с контрольными числами в конце каждого сообщения. SECS I также определяет временные интервалы между ответами об установлении связи, индивидуальные характеристики сообщения и ответные сообщения. Заголовки сообщений в SECS I нужны для того, чтобы исключить неправильное опознание оборудования, сообщения, блокирующих чисел сообщения и другой системной информации.

SECS II определяет типы сообщений, их формат, содержания и инструкции. Потоки SECS – это группы сообщений, относящихся к основному набору функциональности оборудования. Внутри каждого потока каждому сообщению присваивается индивидуальный функциональный номер. Например, SECS поток 1 функция 5 (сокращенно S1 F5) – это отформатированный запрос статуса оборудования, а поток 1 функция 6 является ответом, содержащим информацию о статусе. Подобным образом, поток 7 функция 5 используется для запроса о передаче описания процесса, а поток 7 функция 6 используется для передачи этого описания. SECS II также определяет, требуется ли ответ или нет, содержание сообщений и его формат (включая заголовки с определением темы данных), и может ли сообщение быть использовано из оборудование-к-хостингу и/или хостинг-к-оборудованию.

Главное ограничение стандарта SECS – то, что он определяет только сообщения и их содержание; он не определяет, как сообщения используются вместе для выполнения всей функции. Производителям оборудования остается самим решать, какие сообщения использовать для выполнения функций, которые раньше выполнялись вручную. Это, конечно, усложняет разработку переводов для коммуникации этого оборудования с  внешними системами.

Открытый Производственный Язык (OML)

OML предоставляет сетевую производственную умную платформу соединений для всех производственных машин и процессов для монтажа и производства печатных плат, будь они автоматизированные или ручные, также предоставляя поддержку такую как, планирование, сеть поставок, менеджмент качества, корпоративные системы, такие как MES, ERP, и PLM. Стандарт является собственной разработкой Mentor Graphics/Valor и имеет оборудование, которое можно приобрести у них. OML продолжает давнюю традицию ODB++, коммуникационного стандарта для разработки печатных плат от Valor. У меня нет информации, соответствует ли OML стандартам MAP или SECS II.

IPC-2541

IPC имеет подкомитет (2-13 Цех по коммуникациям), который собирает вместе ведущих разработчиков программного обеспечения, продавцов оборудования, производителей оборудования для сборки и их клиентов для работы над разработкой нового IPC стандарта, который будет отвечать текущим и будущим требованиям отрасли, и который заполнит пробел, определённый этой группой. Этот новый стандарт обеспечит единообразие протоколов данных, что упростит коммуникацию между машинами.

Как сообщает Дэвид Бергман (David Bergman) из IPC на выставке 2016 IPC APEX EXPO, в докладе IPC Комитета^[8]:  

Подкомитет твердо настроен разработать такой стандарт, а также работает над тем, чтобы обеспечить легкое для понимания определение Промышленности 4.0 и ее значения. Продавцы оборудования готовы быстро подключиться и все стороны согласились с тем, что необходима замена текущих IPC-2541, Основных требований для коммуникационных сообщений оборудования для электронного производства (CAMX), что это востребовано отраслью и скорость его исполнения играет решающее значение.

Я думаю, что самый быстрый способ внедрить протокол данных для электронной отрасли, - это предложить нашим полупроводниковым братьям принять стандарт SECSII/GEM от SEMI. Они, как правило, рады видеть, что мы следуем их примеру, и у них есть 35-летний гандикап на многих заводах, установленное программное обеспечение, и поставщиков уже на месте. Но все равно остается потребность в IPC комитете, так как все CAD данные/определения, компоненты, процессы и тесты должны быть настроены для стандартов SECSII/GEM.

LAN (Ethernet, IEEE-802.3 & TCP/IP)

802.3 – это технология, которая поддерживает IEEE 802.1 сетевую архитектуру и также определяет LAN метод, используя CSMA/CD. Это физический слой и слои связей данных для контроля доступа к носителю информации (MAC) проводного Ethernet. Популярность Ethernet растет для автоматизации заводов, благодаря доступности многочисленных источников для узлов связи. Он также доступен как беспроводной стандарт в IEEE 802.11.

TCP/IP 

Протокол управления передачей/межсетевой протокол (ТСР/IP) – наиболее распространенный коммуникационный язык или протокол для Интернета. TCP/IP обеспечивает связь, детализируя как данные должны быть переданы, организованы, адресованы, их маршрут и получение в точке назначения.

Этот протокол организован в четырех виртуальных слоях, которые используются для сортировки всех соответствующих протоколов согласно потребностям сети. От нижнего к верхнему, как показано на Рис.7, слои следующие: слой связи, содержащий коммуникационные методы для данных, что остается внутри одного сегмента сети (линк); межсетевой слой, соединяющий независимые сети, тем самым устанавливая межсетевую работу; слой транспорта, работающий с коммуникацией хост-хост; и слой применения, который обеспечивает обмен данных процесс-процесс для приложений.

Беспроводной и IoT

«Интернет вещей» (IoT - вычислительная сеть физических объектов/«вещей», оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой) – тренд, набирающий популярность. Посмотрим, будет ли он применен в автоматизации заводов? Прямо сейчас он направлен на потребительское использования и для контроля и мониторинга высоко дисперсных приложений, таких как энергетический мониторинг. Роль безопасности – это большой вопрос и проблема для специфики каждой конкретной фабрики. Если IoT сможет создать групповые контроллеры или кластерные контроллеры, которые будут совместимы с сетью завода, то он может стать значимым игроком. Беспроводные системы с другой стороны– это другая ситуация.

Объяснение из поста в сети от Advantech SMARTWORX^{TM [9]}:

К сожалению, многие машины вынуждены выполнять свою работу в таких местоположениях, где установить проводное соединение и подключиться к переменному току почти невозможно. Что необходимо, это беспроводное решение с низким энергопотреблением, которое может расширить границе сети и включить в нее эти локации, одновременно обеспечивая «пять девяток». Сотовая сеть SmartMesh IP, базирующаяся на беспроводном стандарте IEEE 802.15.4e, является отличным выбором даже в суровых, быстро меняющихся условиях.

Сотовые сети SmartMesh IP обеспечивают достаточную маршрутизацию сетевого шлюза, так как каждый узел датчика в сотовой сети служил в качестве маршрутизатора. Каждый узел может получать данные из любого другого узла сети, находящегося в пределах диапазона, и передавать данные любому другому узлу сети, находящегося в пределах диапазона. Если одна дорожка к сетевому шлюзу не срабатывает, узлы сети перепрокладывают путь по-другому. Устройства могут передавать данные на длинные расстояния путем передачи данных через промежуточные устройства, чтобы достичь более дальние устройства, а сетевому шлюзу не нужно быть внутри диапазона каждого устройства сети. Это делает сети SmartMesh IP высоко масштабируемыми.

Промышленность 4.0

Термин "Промышленность 4.0" возник из проекта хай-тек стратегии Германского правительства, которая разрабатывалась для компьютеризации производства. Первая промышленная революция мобилизовала механизацию продукции с использованием воды и пара. Вторая промышленная революция ввела массовое производство благодаря помощи электричества, за чем последовала цифровая революция и использование электроники и IT для дальнейшей автоматизации производства.

Впервые термин был использован в 2011 на Ганноверской Выставке. В октябре 2012 рабочая группа «Промышленности 4.0», возглавляемая Зигфридом Дайсом и Хеннингом Кагерманном (Siegfried Dais and Henning Kagermann) представили рекомендации по внедрению «Промышленности 4.0» для федерального правительства Германии. 8 апреля 2013 на Ганноверской выставке был представлен окончательный доклад рабочей группы «Промышленность 4.0».

Принципы разработка для сценариев «Промышленности 4.0»

Выдержка из Рабочего доклада Technische Universitat−Dormund^[10]:

В «Промышленность 4.0» есть шесть принципов разработки. Эти принципы помогают компаниям в определении и внедрении сценариев «Промышленность 4.0».

• Совместимость: способность кибер-физических систем (например, несущие заготовки, рабочие станции сборки и продукты), людей и умных заводов обмениваться информацией друг с другом через «Интернет вещей» или «Интернет услуг».
• Виртуализация: виртуальная копия умного завода, создаваемая путем соединения сенсорных данных (из мониторинга физических процессов) с моделями виртуальных заводов и смоделированными моделями.
• Децентрализация: способность кибер-физических систем внутри умных заводов самостоятельно принимать решения.
• Возможность работать в реальном времени: способность собирать и анализировать данные и предоставлять полученные идеи немедленно. 
• Ориентация на услуги: предложение услуг (кибер-физических систем, людей или умных заводов) через «Интернет услуг»
• Модульность: гибкая адаптация умных заводов к изменяющимся требованиям путем замещения или расширения индивидуальных модулей.