【智慧製造】通往PCB 高值化轉型之路(下)_設備連線控制系統、PCBECI 介紹

訊息提供：PCB Shop 更新時間：2019/05/23

鵬鼎科技 張啟原博士、林祈明特助
工業技術研究院 陳繼賓工程師
資訊工業策進會 謝沛宏( 博士) 組長
TPCA 市場資訊部彙整

六、設備連線控制系統

一般來說機器的控制分為PLC( 可程式邏輯控制器 Programmable Logic Controller）以及IPC( 工業電腦是Industrial Personal Computer) 兩種型態，傳統的生產設備皆依賴本身的人機介面(HMI) 來設定參數及記錄生產狀態、參數查找，如感測器回傳的數值、生產數量、錯誤警報訊息、參數設定、、等。設備商基於保護與避免操作失當通常將其控制系統採封閉型式，相關的數據輸出大多以log 型態檔案對外提供，當設備聯網連線上行下載至系統或採中央管控時，必須與原廠設備商詢問或討論其PLC 或IPC 是否具備對外通訊功能且能夠將所需資料傳輸、接受指令，若是IPC 控制器且又為封閉式系統，需要原設備商支援更換程式。如果機台太過老舊，則需要以更改PLC 或加裝通訊模組的情況做連線的準備，因為不同的PLC( 歐姆龍、三菱、西門子⋯.) 有各自的通訊方式。
舉例說明；如果PLC 欲利用Ethernet/RS232/RS485 連結到EAP 控制內部繼電器M168=ON 使設備自動啟動程序，但上位EAP 不見得支援所有的通訊格式。在實務面會採用Gateway( 閘道器)裝置進行轉譯，但Gateway 裝置是否可以來控制/ 讀取PLC 內部的接點作動？答案是不會有任何動作，是因為PLC 如果沒有寫任何M168 的點位，是不會有任何動作的，所以現在的設備連線控制最大的問題就是；設備/ 機台，跟連線控制系統，是不同時期做的，雖然Gateway 裝置可以讀/ 寫PLC的值，但PLC 內沒有對應的動作，依然無法作動。必須找到系統開發、設備的廠商/ 人員垂直整合來一起修改程式，不然是無法做到遠端控制。如果設備，跟遠端控制是同時開發，就不會有這些問題了。所以目前有許多的機上盒( 聰明盒) 因應開發，但隨之而來的問題是，要下什麼指令？指令是何種格式才能啟動？為了減少工廠與設備商間的開發成本，所以需要有套共通的產業通訊協定，以解決現場機台通訊格式紛亂的情況，於此才有前述PCBECI 的產生，希望藉由加裝Gateway，將各種不同的通訊方式轉為同樣的通訊格式，或者改裝為原生PCBECI(SECS/GEM) 輸出的PLC、或是以IPC 加裝PLC 通訊 Driver( 驅動程式) 的方式，先與PLC 連線後將其資料、生產命令等轉換輸出為PCBECI 格式達到雙向轉換傳輸的目的，以下為轉換方式的圖解。

另一方面，為了得到設備端的各項數據，需要不同的量測元件來協助了解製程狀況。以下針對一些常用之量測元件進行介紹：

各類量測元件有各種形式，例如浮球式流量計，指針式壓力計等等，然而為了達到智慧工廠，各項量測讀值均需被記錄，因此選用有傳輸功能之電子式量測元件是較佳之選擇。實際於生產端而言，新進設備可以因應智慧工廠的需求將各種量測元件進行數位化的安裝。然而廠內既有之設備，則可因狀況而有以下之解決方法。

生產資料採集數位化，是將這些簡單易做卻繁瑣的工作電子化，避免人力的浪費與達到即時、不出錯的目的。一些變動不大卻重要的資料，也可利用電子巡檢的方式來達成。簡而言之，其重點在
於不增加人力。如果為了達到智慧工廠卻不斷增加工作量，反而會讓工廠成為名符其實的勞動工廠，這就本末倒置了。
在智慧工廠的架構下，除了設備的各項資料外，產品料件的生產履歷也是相當重要，傳統上都使用所謂的途程卡（Run Card）或是工單（WorkOrder），來記錄生產中所有產生的資訊。（如：
數量、流程、時間、操作人員等）。雖然使用紙張紀錄可以得到工廠的資訊，但是卻無法得到即時資料，還需要耗費人力去收集整理。這方面可利用辨識系統將各批貨之資料進行整理( 圖6-2)，並傳送到MES 系統做管理。各種常用之辨識方式比較如表6-3。

七、PCBECI 介紹
人們在溝通的時候需要使用同一種語言才能互相了解，機器間通訊的時候也是一樣，必須遵循相同的規範來傳送或接收資料，而這就是「通訊協定」，其包含了硬體通訊界面，像是工業上常
用RS-232、RS-422/485、RJ45(Ethernet) 等形式做訊號實體的連接，以及定義用怎樣的「資料格式」與「通訊程序」做資料間溝通的軟體層面。「資料格式」規定了像是資料長度、目的端的格式、回應格式⋯. 等內容，「通訊程序」則訂定處理的程序及內容。完整的通訊協定規定了機器間進行通訊時必須通過怎樣的實體層、順序、格式、以及處理的資料類型等內容。

SECS/GEM 為半導體業所採用的通訊協定，SECS 為Semiconductor Equipment Communication Standard( 半導體設備通訊標準) 之簡稱、GEM為The Generic Model for Communications and Control Of Manufacturing Equipment( 製造設備通訊及控制通用模式標準) 之簡稱。在自動化的晶圓廠，EAP 透過此協定可以對設備下達開始或停止的指令、蒐集量測資料、改變製程參數和選擇配方等功能。完整的SECS/GEM 包含了SECS-I(E4)、HSMS(E37)、SECS-II(E5)、GEM(E30) 等標準，括弧中的文字為國際半導體協會(SEMI) 的標準(standard) 代碼，架構圖如下：

SECS-I 定義了SECS 通訊的電氣規格、傳輸速度、交握碼(handshake codes)、資料長度(length)、訊息表頭(message header)、檢查碼(CheckSum)與等待時間等限制。在實施上，以RS232 為串列通訊標準。

HSMS( 高速SECS 訊息服務 High-SpeedSECS Message Services) 是在TCP/IP 的基礎上透過Ethernet 進行訊息交換，此標準主要是用來取代速度較慢的SECS-I。

SECS-II 以訊息(message) 的方式規範傳遞資料的標準結構，所有的訊息依照屬性的不同進行分類，稱為stream，比如設備狀態(S1)、資料蒐集(S6) 或配方管理(S15)。每一個stream 包含了許多指定的訊息，稱為function，每一個訊息都是由項目(item) 或項目表(list of items) 所組成。

GEM 提供設備共通的行為，在SECS-II 基礎上的通訊準則。SECS-II 是設備與主機的一個標準通訊協定，但實際在機台設備上會用到的並非全部，因此若可以找出設備通訊和控制上所需的項項目，同時針對這些項目來撰寫程式或設計機台，將可大幅減少設備商與工廠訂定通訊需求的時間，也減少設備進廠進行通訊測試的驗證時間。也就是說GEM 是SECS-II 標準的一種標準實施方法，GEM 明確定義了在什麼情況(Scenario) 下要用哪一個SECS-II 訊息通訊。

如前所述，台灣電路板協會舉辦多次專家座談會決議簡化半導體產業之SECS/GEM 為PCBECI，以協助台灣電路板產業能有最適合的通訊協定，應用於產業智慧自動化。並在國際半導體協會(SEMI)標準委員會架構底下成立工作小組發表PCB 設備通訊協定，尋求標準之國際化。PCBECI 的內容主要延用 SEMI SECS/GEM 的通訊規範。但考慮 PCB產業之通訊需求較為簡單因此簡化並刪除了 GEM所規範的部份事項，如此可以降低通訊之規格進而降低通訊開發之成本。PCBECI 的內容已可支援目前 PCB 產業生產自動化的基本需求，包含了資料收集、遠端命令、配方管理、警報通知等功能。擁有標準的設備通訊規範對於 PCB 板廠及 PCB 設備製造商雙方皆是有重大利益的。它可以節省雙方花費大量人力時間去訂定各個工廠的通訊方法，也可以節省維護設備通訊的人力，因此是 PCB 產業推動智慧製造及生產自動化的重要基礎建設，下表是PCBECI 與其他通訊協定之比較。

八、結語
智慧製造帶動的數位轉型是製造業未來必經之路，智慧工廠的建置是開啟智慧製造的第一步工作。企業應把握在智慧產線導入時，逐步調整生產方式、作業流程、管理制度與員工訓練，以加速數位化進程，融入未來新形態生的數位供應鏈體系之中。

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