《T/CPCA8001-2022印制電路板制造設(shè)備通訊協(xié)議語義規(guī)范》介紹

王壽橋

（深圳市大族數(shù)控科技股份有限公司，廣東 深圳 518104）

1 標(biāo)準(zhǔn)制定背景

從全球來看，我國(guó)是印制電路板（PCB）制造大國(guó)，中國(guó)大陸的PCB產(chǎn)量約占全球總額的55%。伴隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，PCB行業(yè)產(chǎn)品需要“高集成度”發(fā)展：PCB尺寸不斷減小，板上的功能日趨復(fù)雜，高速信號(hào)需求增多，未來在載板和HDI（高密度互連）板方向?qū)⑹俏磥碇饕鲩L(zhǎng)點(diǎn)。

對(duì)PCB生產(chǎn)企業(yè)而言，生產(chǎn)過程要能夠?qū)崿F(xiàn)流程控制實(shí)時(shí)可見、生產(chǎn)因素完全可控，能夠滿足客戶對(duì)環(huán)境、技術(shù)、質(zhì)量、產(chǎn)能、效率以及數(shù)據(jù)追蹤的需求自動(dòng)化、信息化和智能化生產(chǎn)。急需要統(tǒng)一PCB制造業(yè)各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備之間以及生產(chǎn)設(shè)備和控制設(shè)備之間的通信規(guī)范，建立具有高度靈活性和高效率的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，集成包括設(shè)備供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商、PCB生產(chǎn)企業(yè)等所有環(huán)節(jié)，從而縮短PCB生產(chǎn)企業(yè)的制造設(shè)備改造時(shí)間，快速構(gòu)建生產(chǎn)車間“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的高效發(fā)展。

而大量傳統(tǒng)PCB生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)線向智能化工廠改造時(shí)面臨諸多困難：如傳統(tǒng)PCB生產(chǎn)設(shè)備通常不聯(lián)網(wǎng)，不同環(huán)節(jié)的設(shè)備供應(yīng)商不一，設(shè)備之間互聯(lián)互通難度較大，行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)流程追溯性差。PCB設(shè)備整體自動(dòng)化程度較低，直接影響整個(gè)PCB行業(yè)工業(yè)4.0的發(fā)展進(jìn)程。同時(shí)在智能制造驅(qū)動(dòng)下，對(duì)PCB生產(chǎn)企業(yè)的各類新舊生產(chǎn)設(shè)備與各類管理系統(tǒng)間的通信互聯(lián)要求也將增加，國(guó)外已于2019年發(fā)布這類標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)一直處于空白狀態(tài)。

基于上述的背景，為積極調(diào)動(dòng)資源進(jìn)軍智能制造領(lǐng)域，特制定了本標(biāo)準(zhǔn)。

2 標(biāo)準(zhǔn)的意義

本文件的實(shí)施可打破傳統(tǒng)PCB生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與管理系統(tǒng)之間、管理系統(tǒng)與管理系統(tǒng)之間、工廠與工廠之間、工廠與客戶之間的信息孤島，提供建立快速組合連通的功能，減少PCB生產(chǎn)企業(yè)在擴(kuò)產(chǎn)線或更換設(shè)備時(shí)的連線成本和轉(zhuǎn)換協(xié)議的技術(shù)屏障。在工業(yè)4.0的大趨勢(shì)下、各區(qū)域都在積極布局統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在PCB行業(yè)設(shè)備通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的空白; 同時(shí)可為其他適應(yīng)工業(yè)4.0的設(shè)備在通信協(xié)議的研究上提供理論參考依據(jù)。

3 標(biāo)準(zhǔn)制定原則

本文件基于《GB/T 1.1—2020標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部份：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的要求進(jìn)行起草，結(jié)構(gòu)部份參考了《GB/T 18759.6—2016 機(jī)械電氣設(shè)備 開放式數(shù)控系統(tǒng) 第6部分：網(wǎng)絡(luò)接口與通信協(xié)議》、《SEMI E5—0302—2011半導(dǎo)體設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn) 第2部分：消息內(nèi)容》《SEMI E30—2011 制造設(shè)備通信與控制的通用模型》《GB/T 18759.8—2017 機(jī)械電氣設(shè)備 開放式數(shù)控系統(tǒng) 第8部分：試驗(yàn)與驗(yàn)收》，術(shù)語部分參考了《GB/T 11457—2006 信息技術(shù) 軟件工程術(shù)語》的定義。

本文件規(guī)定了用于PCB制造設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等采用的通信接口協(xié)議規(guī)范（簡(jiǎn)稱SECP-PCB）。內(nèi)容包含的通信協(xié)議的基本要素、信息模型要求、消息會(huì)話要求、通信功能要求及其測(cè)試要求和測(cè)試方法等。

基本要求定義了通信協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用層級(jí)：數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用服務(wù)層；其數(shù)據(jù)處理層由信息模型和消息會(huì)話要求組成，信息模型由設(shè)備信息模型、組件信息模型、方法信息模型、數(shù)據(jù)項(xiàng)信息模型及地址信息模型組成；消息會(huì)話要求定義了消息報(bào)文的模型要求及消息應(yīng)答的要求。而應(yīng)用服務(wù)層主要指通信的基本功能要求，如通信連接功能、結(jié)構(gòu)查詢功能、數(shù)據(jù)交互功能、事件觸發(fā)功能、設(shè)備報(bào)警功能、遠(yuǎn)程控制功能、異常提醒功能、加工配方管理功能等。并用JSON 封裝消息列舉了各種功能的報(bào)文，以及各種基本功能的測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果作了驗(yàn)證。與此同時(shí)，對(duì)一些常見的業(yè)務(wù)場(chǎng)景作了部分?jǐn)U充，后續(xù)實(shí)際用戶可依據(jù)需要遵守信息模型要求和消息會(huì)話的要求擴(kuò)充實(shí)際需求的應(yīng)用。

4 標(biāo)準(zhǔn)制定過程

2016年-2019年在行業(yè)內(nèi)各單位一直呼吁通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定，于是2020年4月由深圳市大族數(shù)控科技股份有限公司牽頭，立項(xiàng)申請(qǐng)《印制電路設(shè)備通信協(xié)議語義規(guī)范》，擬解決PCB加工設(shè)備信息通信在國(guó)內(nèi)行業(yè)高度依賴國(guó)際半導(dǎo)體通信協(xié)議，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)PCB加工設(shè)備行業(yè)通信空白，解決各加工設(shè)備間、新舊設(shè)備間的信息孤島等問題。于2020年5月立項(xiàng)，并成立標(biāo)準(zhǔn)編制小組，主要成員由PCB加工設(shè)備生產(chǎn)方、設(shè)備使用方、設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)方、制造軟件MES設(shè)計(jì)方共計(jì)20家單位，基本涵蓋PCB加工設(shè)備的全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。

5 標(biāo)準(zhǔn)要點(diǎn)

5.1 框架設(shè)計(jì)

本文件主要對(duì)PCB行業(yè)內(nèi)的加工設(shè)備—管理系統(tǒng)—上下游設(shè)備—PLC處理模塊—控制模塊—感應(yīng)模塊等的通信作了定義和規(guī)范，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)層和服務(wù)層的交互方式，如圖1所示。

圖1 通信協(xié)議邏輯框架圖

5.2 標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

本文件的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)框架圖

其內(nèi)容的邏輯關(guān)系主要由第4章提出要求，附錄A提出編程的樣例，第5章闡述了測(cè)試方法和測(cè)試要求，而附錄C提供了專用測(cè)試軟件的測(cè)試示例，如圖3所示，從“要求—方法—驗(yàn)證”三個(gè)環(huán)節(jié)基本實(shí)現(xiàn)一種方法論的閉環(huán)效果來說明一套標(biāo)準(zhǔn)的可行性。另外為補(bǔ)充可能考慮的不足，文件第4.4.7節(jié)的應(yīng)用在附錄B內(nèi)作了少量舉例，后續(xù)可作擴(kuò)展，具體對(duì)照關(guān)系可參考圖3內(nèi)容。

圖3 文本邏輯關(guān)系解讀圖

5.3 信息模型要求及消息會(huì)話要求

本文件對(duì)信息模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分類，如圖4所示分為五類。

圖4 信息模型內(nèi)容圖

設(shè)備信息模型代表設(shè)備在通信中的虛擬編號(hào)，內(nèi)容包含設(shè)備名稱、設(shè)備編號(hào)以及所含設(shè)備的組件、方法等組件編號(hào)；組件信息模型則指設(shè)備內(nèi)的一些組件模塊或功能模塊，比如視覺控制卡；方法信息模塊則是按目標(biāo)指揮設(shè)備執(zhí)行一系列動(dòng)作的指令，比如加工配方、開機(jī)、停止等動(dòng)作；數(shù)據(jù)項(xiàng)信息模型內(nèi)的數(shù)據(jù)項(xiàng)一般包括數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)約束等，每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的屬性中都必須有一個(gè)數(shù)據(jù)編號(hào)，該數(shù)據(jù)編號(hào)是查詢數(shù)據(jù)項(xiàng)的重要標(biāo)識(shí)；地址信息模型是指結(jié)構(gòu)組件、方法組件、數(shù)據(jù)項(xiàng)的路徑都設(shè)置了一個(gè)唯一地址編碼。

消息會(huì)話主要約定了各端口之間在消息的報(bào)文、消息的應(yīng)答模式、消息超時(shí)、異常消息等交互方式上，通過消息類別、消息功能的組合，定義了其在功能性要求地實(shí)現(xiàn)了交互的基本識(shí)別，見圖5的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5 定義消息類型和功能圖

5.4 測(cè)試方法、測(cè)試要求與驗(yàn)證

本文件在第5章對(duì)第4章規(guī)范了遠(yuǎn)端和設(shè)備端之間如何發(fā)送信息，以及如何反饋信息，并對(duì)測(cè)試的具體要求內(nèi)容作了描述。在本文件的初稿基本完成時(shí)，由標(biāo)準(zhǔn)起草小組發(fā)起成立了測(cè)試軟件項(xiàng)目組，用于構(gòu)建一整套適用于本文件的所有要求項(xiàng)的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試示例進(jìn)行了評(píng)估，如圖6所示，主要為測(cè)試軟件在測(cè)試通信連接時(shí)的截圖信息。對(duì)本文件所有要求項(xiàng)作了一一測(cè)評(píng)，增加了本標(biāo)準(zhǔn)文件的嚴(yán)謹(jǐn)性。

圖6 軟件測(cè)試建立連接功能的實(shí)測(cè)截圖

6 結(jié)束語

本文件適用于國(guó)內(nèi)PCB加工設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)應(yīng)通信協(xié)議及語義要求及相應(yīng)的使用，即使使用的通信系統(tǒng)是否為PCB加工設(shè)備，也適用于特殊需求而引用《印制電路板制造設(shè)備通信協(xié)議語義規(guī)范》作為其通信架構(gòu)的設(shè)備（包括用于試驗(yàn)的系統(tǒng)和樣機(jī)系統(tǒng)）。本文件的發(fā)布簡(jiǎn)化了PCB加工設(shè)備產(chǎn)業(yè)各級(jí)使用方在通信層之間的互換性，降低企業(yè)基礎(chǔ)投入成本；解決目前行業(yè)內(nèi)各PCB加工設(shè)備使用的通信協(xié)議的亂象；填補(bǔ)國(guó)內(nèi)一直無PCB加工設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的空白；標(biāo)準(zhǔn)確立的條款，旨在幫助PCB行業(yè)內(nèi)部從業(yè)人員，及外部人員了解通信架構(gòu)及基本要求、識(shí)別可能產(chǎn)生的沖突、評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)、建立和給予適當(dāng)?shù)谋Ｕ洗胧?/p>

本文件在通信諸如應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)上，存在可再進(jìn)一步擴(kuò)展和補(bǔ)充完善。由于其應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性和較難協(xié)調(diào)統(tǒng)一，此部分可由實(shí)施工廠自行補(bǔ)充和擴(kuò)展，后續(xù)擴(kuò)展的原代碼文件可由協(xié)會(huì)或組織匯總整理成標(biāo)準(zhǔn)代碼庫，以實(shí)現(xiàn)PCB制造設(shè)備在智能互通互聯(lián)時(shí)能即時(shí)調(diào)用功能模塊，實(shí)現(xiàn)功能上的即時(shí)通信，降低調(diào)試成本和提高兼容性。

本文件從籌備到完成發(fā)表，需感謝CPCA的協(xié)調(diào)組織；需感謝各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)本文件編制的支持；需感謝行業(yè)內(nèi)外多位專家提出的寶貴意見，對(duì)本文件的結(jié)構(gòu)邏輯完整性和落地性起到非常重要的作用；需感謝本文件編制小組各位成員的對(duì)本文件在編寫和修訂上的默默付出。