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基于云原生边缘计算平台的半导体行业EAP设备自动化方案

· 北京研华兴业电子科技有限公司

 1　目标和概述 

1.1　行业挑战 

随着市场大环境的竞争日益激烈，工厂对于产品的产能、 质量以及成本的管控需求和力度越来越大，所以生产过程的设 备数据采集以及及时准确的控制指令下达都成了生产提升和质量分析的重要环节，也成了企业竞争力的一个重要因素。但是 很多企业对于设备数据的利用和管控还比较欠缺，无法将此类 的资源转化为企业竞争的助力，也间接降低了企业对外界需求 方的吸引力和市场占有率。受国际环境的影响，半导体设备国 产化的比重和速度都在迅速展开，但是国产化设备对于半导体 标准协议的支持相对比较薄弱，给工厂的设备整合和系统对接 带来了不小的困扰。

 1.2　主要目标 

（1）实现厂内机台协议标准化，降低系统对接成本，提 升国产设备、非标设备在半导体行业的竞争力。 

（2）提升数据采集的全面性，加强数据分析和现场监控 的力度，提升产品的生产品质和效率。 

（3）加强现场设备控制力度，通过数据采集、外围系统 集成、指令下达，及时将异常状况反馈到生产机台，避免发生 连续性的不良状况。

 2　方案介绍

 2.1　总体概述 

该方案基于研华云原生的边缘计算平台WISE-IoTSuite/ IoT Edge云边协同的一致化管理和服务，整合SECS/GEM 协议，支持平台和客户端双重应用模式，全面覆盖半导体行 业设备数据采集及双向事件交互。平台层通过SECS/GEM、 MQTT、Modbus、OPC等协议向下对接实体设备，向上通过 Mqtt、Web Service、Kafka、JDBC等交互方式对接上层应 用，实现设备实体层、自动化控制层和现场作业控制层的高度 集成，提升车间管控力度。客户端的IoT Edge云原生边缘计 算服务支持下沉至设备端，连通设备实体层后通过协议改造 （SECS/GEM），向上对接EAP系统，打通设备端数据壁垒， 实现设备数据集中化管理。

 2.2　主要功能 

通过IoT Edge与SECS/GEM协议改造相结合，实现车间数 据管理的全面性、实时性与准确性，支持通过零代码的配置实 现相关场景的功能搭建，通过报表和看板直观呈现数据的动态 信息以及分析结果；IoT Edge云原生的边缘计算服务，它将云 平台的服务能力延伸到了边缘侧，拥有轻量、高效、开放、灵 活、安全的特点。

 研华工业云IoT Edge架构图如图1所示。

 图1 研华工业云IoT Edge架构图 

（1）数据接入层，支持各类工业设备的协议接入和反向控 制，包括半导体行业设备的数据采集和双向交互，支持网关数据 接入，支持各类IT系统的数据接入，支持文本和流数据接入。 

（2）提供完整的设备管理能力。 

（3）提供流数据处理的能力，利用各类计算算子满足边 缘侧对计算的多样化需求，通过和边缘机器学习方案整合，提 升边缘智能的能力。

（4）向外提供灵活的数据对接和转发的能力，除了和研 华的平台云边协同，也支持以MQTT，Kafka，API的方式和 第三方的系统或平台进行对接。 

（5）和零代码的数据可视化服务进行整合，提供边缘端 数据快速应用的能力。 

（6）IoT Edge可提供跨操作系统，跨平台的灵活部署，支 持在Windows、Linux、K8s环境部署，支持二进制和Docker部 署。并且非常地轻量和高效，可根据性能需要搭配不同的硬件。

 2.3　系统架构（如图2所示）

 图2 系统架构 

基于SECS/GEM协议支持平台和客户端双重应用模式，全 面覆盖半导体行业设备（>80%）数据采集及双向事件交互。

 （1）平台：通过SECS/GEM、MQTT、Modbus、OPC 等协议向下对接实体设备，向上通过MQTT、Web Service、 Kafka、JDBC等交互方式对接上层应用，实现设备实体层、自动 化控制层和现场作业控制层的高度集成，提升车间管控力度。 

（2）客户端：IoT Edge支持下沉至设备端，连通设备实 体层后通过协议改造（SECS/GEM）向上对接EAP系统，打通 设备端数据壁垒，实现设备数据集中化管理。 

2.4　创新 

图3 

 （1）开放式的“插件”新生态。在采集侧，协议插件化 的架构，内置协议插件支持常用的工业协议接入，同时支持 SECS/GEM半导体行业协议，统一车间机台的协议标准；在 边缘计算层，通过算子插件来持续扩展，可根据行业需要开发 各种算法插件，深入挖掘数据的价值；在数据显示层，通过可 视化插件方式来持续扩展数据的个性化显示需求，加快应用构建。从各个层面来提供扩展性和开放性。 

（2）支持平台和客户端的双重应用场景。

 图4 

 (3）将数据的处理分析、数据融合，数据应用，甚至一 些AI智能化服务的实现，由云端下沉到边缘节点上。在靠近物 或数据源头，提供一个融合网络、计算、存储、应用的开放可 扩展的平台。 

（4）可满足数据采集的多样性并可根据需要扩展，可将 IT和OT的数据进行融合应用。 

（5）根据数据对接对象的不同，通过MQTT等方式进行 灵活的转换接入或向外转发。 

（6）边缘计算能力增强，从分析计算到扩展支持边缘智 能的机器学习推理能力。 

（7）边缘端可支持独立自治，满足断网弱网情况下的正 常运行，也支持云边协同的统一管理和协同运行。

（8）平台具备采集、控制、运维、分析、可视化，智能 化的一站式能力，同时兼顾轻量化的需要，提供灵活解耦的架 构，能根据边缘需求进行灵活组合并能扩展。

 3　代表性及推广价值                                                                                         

此方案可解决某些国产设备与非标设备在半导体行业面临 的统一协议标准问题，通过协议改造实现设备对于半导体行业 标准协议SECS/GEM的支持，提升设备竞争力，在标准化协 议的基础上实现设备与上层控制系统的全面数据对接，达到车间生产的透明化，为管理层的上令下达提供数据依赖，提升产 品的生产效率和良率，降低企业的生产成本，提升客户的信赖 度，提升企业效益。

来源 | 《自动化博览》2023年第2期暨《边缘计算2023专辑》