SECS/GEM 簡介

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文章目錄

• 前言
• 平台獨立性
• 連接配接
• 應用程式
• SECS-II 協定
• SECS-II 消息類型
• SECS/GEM 概念模型
• 變量
• 事件報告
• 報警上報
• 控制狀态模型
• 處理程式
• 總結

前言

SECS/GEM 辨別了半導體、電子和光伏行業常用的通信接口類型，已由非營利行業協會 SEMI 标準化。您可以通過其網站 http://www.SEMI.org 獲得 SEMI 标準的副本。由于有許多與裝置自動化和軟體相關的标準，我們的建議是擷取所有标準的 CDROM 訂閱，而不是單獨擷取它們。本介紹旨在傳達對 SECS/GEM 的基本功能和範圍的了解，而不是底層協定和資料格式的低級細節。

SECS 是半導體裝置通信标準的縮寫。 GEM 指的是 SEMI 标準 E30，它使用 SEMI 标準 E5 中定義的消息類型的子集描述了裝置行為和通信的通用模型。 SECS/GEM 接口的部署通常使用 SEMI 标準 E37 和 E37.1 指定的 TCP/IP 網絡，但也可以使用标準 E4 所述的 RS-232 串行連接配接。後者對于較舊的裝置更為常見。 SEMI 标準有速記名稱及其官方辨別符，是以 E4、E5 和 E37 也分别稱為 SECS-I、SECS-II 和 HSMS。

平台獨立性

SECS/GEM 描述了通過獨立于任何作業系統或程式設計語言的網絡或串行電纜連接配接的雙向通信。通常連接配接的主機端在工廠提供的計算機系統上執行，連接配接的裝置端在裝置制造商提供的控制器計算機上運作。這些計算機系統及其安裝的軟體是完全獨立的——它們可能使用不同的作業系統，通常情況下，每個系統上的 SECS/GEM 軟體都是由不同方編寫的。這就是标準和真正互操作性的價值——工廠不限于使用專有作業系統或購買裝置供應商提供的專有接口包。

連接配接

SECS 描述了使用單一連接配接的主機和裝置之間的通信。 HSMS 是指使用 TCP/IP 的網絡連接配接。 SECS-I 是指使用 RS-232 串行端口的連接配接。在最初的概念并且仍然是最常見的場景中，裝置提供一個單一的SECS接口，供單個主機獨占使用。 SECS 定義的消息類型是部分不對稱的 - 一些消息類型僅定義為主機使用，其他消息類型僅定義為裝置，但許多定義為任何一方的相同用途。由于 SECS 是在制造單元中內建子裝置的有效手段，是以也存在裝置以主機的角色連接配接到子裝置，并提供與工廠主機的內建裝置接口的場景。使用 HSMS 的網絡連接配接裝置通常為爐管等獨立子產品提供獨立的 SECS 連接配接。但是，SECS 标準中規定通過調制每個消息中的裝置辨別值來共享連接配接。不建議在新部署中采用連接配接共享的做法，并且通常僅适用于較舊的 RS-232 系統。一旦建立了連接配接，消息就會在主機和裝置之間雙向交換。通常，連接配接會保持很長時間，并且隻有在裝置或主機重新啟動時才會中斷。與繁忙的 Web 伺服器相比，通常的 SECS 連接配接對網絡帶寬的使用相當少。在典型的台式計算機上運作幾十個 SECS 接口連接配接是可行的。

應用程式

如果裝置供應商允許協調機器控制，則可以部署多個 SECS 接口，例如通過向額外的主機連接配接訓示機器處于本地控制之下。還可以将 SECS/GEM 主機接口部署到一個工具，該工具提供與其他主機應用程式的多個連接配接 - 一個專門的多路複用器。後者無需裝置供應商的幫助或定制即可完成。這種配置的一個特殊情況是讓主機和裝置連接配接對作為真實主機和裝置接口之間的過濾器應用程式，對通過的消息資料進行更改，例如重新格式化標明的資料項，以适應主機或裝置軟體。 SECS 通信可以被一個獨立的應用程式竊聽和監控。對于 RS-232 連接配接，這需要一個易于制造或購買的電纜分接頭。網絡連接配接可以在諸如 tcpdump 之類的程式的幫助下進行監控，這些程式可以捕獲 TCP/IP 通信。這些專門的應用程式并不是 SECS 使用的主流。

SECS-II 協定

E5 标準描述了SECS 的核心消息類型以及交換資料的格式。 SECS 使用緊湊的、自描述的二進制表示資料項。消息由标題資料和可選的消息資料項組成。在頭資料中，有一個名為Stream的整數代碼和另一個名為Function的整數代碼。 Stream 和 Function 一起訓示消息的類型或含義。 SECS消息類型按Stream分類，例如Stream 1處理裝置狀态，Stream 6處理裝置事件的資料收集和監控。

一條消息可以在有或沒有預期回複消息的情況下發送。消息對話中使用的函數值存在約定。為發送而獨立或異步發起的消息具有奇數的函數值，稱為主消息。作為對收到消息的回複而發送的消息稱為次要消息，函數值是一個偶數，比在主要消息中接收的函數值大 1。

發送者設定的消息頭中有一個唯一的 4 位元組整數，用于将輔助回複消息與被回複的主要消息相關聯。這使得發送任何 Stream 和 Function 的多個消息成為可能，而無需在發送下一條消息之前等待每個回複，并且仍然能夠關聯異步接收或亂序接收的回複消息。現代 SECS 軟體有望能夠處理連續接收任何類型的多個消息，即使每個消息可能需要接收者尚未發送的單獨回複。此外，回複消息的發送順序可能與接收順序不同。此功能稱為支援并發打開事務。較舊的 RS-232 軟體可能對并發開放事務的支援有限制，在這種情況下，發送方可能需要等待回複，然後才能發送另一個需要回複的主消息。

SECS-II 消息類型

E5 标準是一個很長的文檔，它定義的消息類型和資料項比任何接口實作的都要多。此外，給定消息類型可能具有不同格式的複雜性，以及資料項的不同資料類型表示。其他 SEMI 标準描述了用于特殊目的的其他 SECS-II 消息類型。 GEM 标準 E30 旨在為 E5 子集的部署提供指導，重點是一組核心消息類型和較少的消息和資料項格式變化。 GEM 标準還描述了場景和狀态模型，以标準化 SECS 消息與裝置動作、控制和行為的內建。新出現的光伏行業标準草案 #4557 扮演着類似于 GEM 的角色，通過提供重要的指導來抛棄 SECS 的過時功能，例如 RS-232 支援，并引導一條遠離不需要的複雜消息類型的路徑在光伏行業。

标準中定義的消息類型涵蓋了廣泛的功能，大多數消息類型是為特定用途定義的，但有一些是更通用的。特别是，提供向裝置發送指令調用并帶有可選參數的消息類型在标準中定義為遠端指令。另一方面，裝置可以出于任何特定原因使用事件報告中可用的任意資料項和值釋出資料收集事件。這些相當通用的機制可以以多種方式用于标準已經指定的底層消息類型。 SECS 還提供了一系列 Stream 和 Function 值，可用于在不需要使用預定義消息類型的情況下自定義使用。

SECS/GEM 概念模型

标準接口的好處之一是不同的裝置以相同的通用方式內建到工廠中，具有相同的概念模型。這是通過交換 SECS 消息看到的裝置的概念視圖。

變量

SECS 确定了三類可變資料項。這些資料項的值以特定的消息類型傳遞，例如資料收集事件報告。

狀态變量是傳遞給主機的隻讀值，例如傳感器讀數或時鐘值。狀态變量還可以包括描述裝置的資料，例如目前啟用報告的資料收集事件清單。

資料值變量與狀态變量類似，都是隻讀資料項，其值可以與主機通信。差別在于資料值變量并不總是具有有效值。例如，标準中有一個名為 AlarmID 的資料值變量。此變量儲存最近報警條件的辨別符，但報警條件可能尚未發生。這是關于資料值變量瞬态的一個很好的觀點。假設您幾乎同時檢測到兩個不同的警報條件，并且主機已将它們配置為事件報告。需要仔細設計警報處理和事件報告邏輯，以便在每個警報報告中傳達 AlarmID 變量的正确值。第二點是主機不應為後續消息中的任何瞬态事件請求額外的上下文資訊，因為較新的條件可能已經取代了較早的上下文。主機應充分利用支援動态事件報告定義的 SECS/GEM 功能，并在單個事件報告消息中擷取事件的所有所需上下文資料值。

第三類變量項稱為裝置常數值。這個術語用詞不當，因為這些值不是恒定的 - 這些值主機能夠在裝置指定的限制内改變。裝置常量值僅指定為單個值，而不是值清單或值數組。由于它們在裝置控制中的作用，這種差異旨在促進簡單和正确的使用。

SECS 标準提供了不同的消息類型，這些類型對于主機來說并不等同于使用這些變量類型。可以發現部署的狀态變量和裝置常量值并查詢它們的值，但沒有發現資料值變量的标準消息。 Hume 提供的裝置軟體實作了一個狀态變量，以使該資訊可用。

事件報告

事件報告消息使裝置能夠通知主機事件的通過，例如處理完成或狀态變化。較舊的裝置通常提供包含一組固定變量值的預定義事件報告。現代方法是讓裝置支援動态事件報告，這允許主機配置哪些變量資料項包含在與事件報告通信的集合中。事件報告機制通用且強大。例如，它可用于在流程程式下載下傳後将流程程式的驗證結果作為異步事件進行通信。最常報告的事件表示 GEM 标準中較長的描述的過程狀态變化和控制狀态變化。

報警上報

警報與事件的不同之處在于，它表示具有設定和清除狀态的不良情況。例如，如果輸入空氣壓力低于所需量，依賴壓縮空氣輸入的工藝工具可能會發出警報條件。如果氣壓恢複，将發送報警清除條件資訊。 GEM 要求警報設定和警報清除轉換也報告為資料收集事件。這是一個理想的功能，因為它允許主機使用相同的動态事件報告機制和軟體邏輯來捕獲警報條件和上下文資料。

控制狀态模型

GEM 指定了一個控制狀态模型，該模型對于以安全的方式将操作員操作與自動化內建很有意義。除非裝置允許，否則主機不能對裝置進行遠端控制。 SECS 接口離線或線上的概念也提供了常見的場景，例如在繞過通常的主機通信的情況下執行維護或過程确認活動。

處理程式

支援遠端控制處理的簡單裝置可以使用一組裝置常量值來定義處理設定點。更複雜的裝置可以使用工藝程式或配方。這些術語在行業中經常互換使用，但它們在 SECS 标準中确實具有不同的含義。加工程式是一個裝置特定的資料集，它有一個辨別符并指定了材料的加工。 Stream 7 中定義了一些消息類型，用于發現駐留在裝置上的過程程式，将過程程式傳輸到主機（上傳）或裝置（下載下傳），或删除裝置上的過程程式。過程程式通常作為二進制序列進行操作，主機不了解其裝置特定格式。但是，有為格式化過程程式定義的消息，其中标準指定了過程程式資料格式。術語配方用于使用 Stream 15 消息操作并在标準 E42 中描述的更複雜的資料集，或用于使用 Stream 19 消息操作并在标準 E139 中描述的複雜資料集。這些類型的配方旨在滿足更複雜的裝置的需求，這些裝置可能具有可調處理參數或可能具有多個獨立控制處理的處理室。此外，這些标準提供了諸如描述和作者值之類的屬性資訊，以便在僅知道辨別符的情況下可以更容易地确定配方的使用。

總結

SECS/GEM 是一種廣泛部署的通信接口，它依賴于現代形式的強大 TCP/IP 網絡。該協定通過實作廣泛的自動化來防止代價高昂的錯誤并減輕人類繁瑣、重複和容易出錯的工作，是以在半導體和電子行業中具有極大的價值。 SECS/GEM 的成功案例是：

• 自動化系統能夠在處理之前建立或驗證正确的裝置設定，
• 測量工具無需操作員轉錄即可傳輸重要資料
• 搬運系統能夠自動協調移動和傳輸材料
• 事件和警報報告用于監控和優化裝置使用

• 成熟的 SECS/GEM 軟體功能強大且能夠 7x24 穩定運作，幾乎可用于任何平台。

  最初的協定是由親身實踐的實作者開發的，它們反映了直接和高效的工程思維。随着SECS/GEM标準範圍的擴大，标準展現了很多公司的投入和多方面的觀點。是以，它們缺乏由單個團隊為一組狹窄的需求開發的東西的一緻性。換句話說，當整體考慮 SECS/GEM 世界時，您可能會看到不一緻和不完善之處。然而，這是為獲得的大價值付出的小代價。