《T/CPCA8001-2022印制电路板制造设备通讯协议语义规范》介绍

王寿桥

（深圳市大族数控科技股份有限公司，广东 深圳 518104）

1 标准制定背景

从全球来看，我国是印制电路板（PCB）制造大国，中国大陆的PCB产量约占全球总额的55%。伴随着电子产业的发展，PCB行业产品需要“高集成度”发展：PCB尺寸不断减小，板上的功能日趋复杂，高速信号需求增多，未来在载板和HDI（高密度互连）板方向将是未来主要增长点。

对PCB生产企业而言，生产过程要能够实现流程控制实时可见、生产因素完全可控，能够满足客户对环境、技术、质量、产能、效率以及数据追踪的需求自动化、信息化和智能化生产。急需要统一PCB制造业各个生产设备之间以及生产设备和控制设备之间的通信规范，建立具有高度灵活性和高效率的通信协议标准，集成包括设备供应商、软件供应商、PCB生产企业等所有环节，从而缩短PCB生产企业的制造设备改造时间，快速构建生产车间“神经网络”，实现标准化和智能化的高效发展。

而大量传统PCB生产企业生产线向智能化工厂改造时面临诸多困难：如传统PCB生产设备通常不联网，不同环节的设备供应商不一，设备之间互联互通难度较大，行业内缺乏统一的设备通信标准，生产流程追溯性差。PCB设备整体自动化程度较低，直接影响整个PCB行业工业4.0的发展进程。同时在智能制造驱动下，对PCB生产企业的各类新旧生产设备与各类管理系统间的通信互联要求也将增加，国外已于2019年发布这类标准，国内标准一直处于空白状态。

基于上述的背景，为积极调动资源进军智能制造领域，特制定了本标准。

2 标准的意义

本文件的实施可打破传统PCB生产企业内设备与设备之间、设备与管理系统之间、管理系统与管理系统之间、工厂与工厂之间、工厂与客户之间的信息孤岛，提供建立快速组合连通的功能，减少PCB生产企业在扩产线或更换设备时的连线成本和转换协议的技术屏障。在工业4.0的大趋势下、各区域都在积极布局统一技术标准，可填补国内在PCB行业设备通信协议标准的空白; 同时可为其他适应工业4.0的设备在通信协议的研究上提供理论参考依据。

3 标准制定原则

本文件基于《GB/T 1.1—2020标准化工作导则 第1部份：标准化文件的结构和起草规则》的要求进行起草，结构部份参考了《GB/T 18759.6—2016 机械电气设备 开放式数控系统 第6部分：网络接口与通信协议》、《SEMI E5—0302—2011半导体设备通信标准 第2部分：消息内容》《SEMI E30—2011 制造设备通信与控制的通用模型》《GB/T 18759.8—2017 机械电气设备 开放式数控系统 第8部分：试验与验收》，术语部分参考了《GB/T 11457—2006 信息技术 软件工程术语》的定义。

本文件规定了用于PCB制造设备、检测设备等采用的通信接口协议规范（简称SECP-PCB）。内容包含的通信协议的基本要素、信息模型要求、消息会话要求、通信功能要求及其测试要求和测试方法等。

基本要求定义了通信协议的层次结构，主要应用层级：数据处理层和应用服务层；其数据处理层由信息模型和消息会话要求组成，信息模型由设备信息模型、组件信息模型、方法信息模型、数据项信息模型及地址信息模型组成；消息会话要求定义了消息报文的模型要求及消息应答的要求。而应用服务层主要指通信的基本功能要求，如通信连接功能、结构查询功能、数据交互功能、事件触发功能、设备报警功能、远程控制功能、异常提醒功能、加工配方管理功能等。并用JSON 封装消息列举了各种功能的报文，以及各种基本功能的测试方法和测试结果作了验证。与此同时，对一些常见的业务场景作了部分扩充，后续实际用户可依据需要遵守信息模型要求和消息会话的要求扩充实际需求的应用。

4 标准制定过程

2016年-2019年在行业内各单位一直呼吁通信协议标准的制定，于是2020年4月由深圳市大族数控科技股份有限公司牵头，立项申请《印制电路设备通信协议语义规范》，拟解决PCB加工设备信息通信在国内行业高度依赖国际半导体通信协议，填补国内PCB加工设备行业通信空白，解决各加工设备间、新旧设备间的信息孤岛等问题。于2020年5月立项，并成立标准编制小组，主要成员由PCB加工设备生产方、设备使用方、设备系统设计方、制造软件MES设计方共计20家单位，基本涵盖PCB加工设备的全产业链环节。

5 标准要点

5.1 框架设计

本文件主要对PCB行业内的加工设备—管理系统—上下游设备—PLC处理模块—控制模块—感应模块等的通信作了定义和规范，设计了数据层和服务层的交互方式，如图1所示。

图1 通信协议逻辑框架图

5.2 标准的结构

本文件的结构，如图2所示。

图2 通信协议结构框架图

其内容的逻辑关系主要由第4章提出要求，附录A提出编程的样例，第5章阐述了测试方法和测试要求，而附录C提供了专用测试软件的测试示例，如图3所示，从“要求—方法—验证”三个环节基本实现一种方法论的闭环效果来说明一套标准的可行性。另外为补充可能考虑的不足，文件第4.4.7节的应用在附录B内作了少量举例，后续可作扩展，具体对照关系可参考图3内容。

图3 文本逻辑关系解读图

5.3 信息模型要求及消息会话要求

本文件对信息模型的设计进行了分类，如图4所示分为五类。

图4 信息模型内容图

设备信息模型代表设备在通信中的虚拟编号，内容包含设备名称、设备编号以及所含设备的组件、方法等组件编号；组件信息模型则指设备内的一些组件模块或功能模块，比如视觉控制卡；方法信息模块则是按目标指挥设备执行一系列动作的指令，比如加工配方、开机、停止等动作；数据项信息模型内的数据项一般包括数据值、数据属性和数据约束等，每一个数据项的属性中都必须有一个数据编号，该数据编号是查询数据项的重要标识；地址信息模型是指结构组件、方法组件、数据项的路径都设置了一个唯一地址编码。

消息会话主要约定了各端口之间在消息的报文、消息的应答模式、消息超时、异常消息等交互方式上，通过消息类别、消息功能的组合，定义了其在功能性要求地实现了交互的基本识别，见图5的对应关系

图5 定义消息类型和功能图

5.4 测试方法、测试要求与验证

本文件在第5章对第4章规范了远端和设备端之间如何发送信息，以及如何反馈信息，并对测试的具体要求内容作了描述。在本文件的初稿基本完成时，由标准起草小组发起成立了测试软件项目组，用于构建一整套适用于本文件的所有要求项的测试，并对测试示例进行了评估，如图6所示，主要为测试软件在测试通信连接时的截图信息。对本文件所有要求项作了一一测评，增加了本标准文件的严谨性。

图6 软件测试建立连接功能的实测截图

6 结束语

本文件适用于国内PCB加工设备产业链对应通信协议及语义要求及相应的使用，即使使用的通信系统是否为PCB加工设备，也适用于特殊需求而引用《印制电路板制造设备通信协议语义规范》作为其通信架构的设备（包括用于试验的系统和样机系统）。本文件的发布简化了PCB加工设备产业各级使用方在通信层之间的互换性，降低企业基础投入成本；解决目前行业内各PCB加工设备使用的通信协议的乱象；填补国内一直无PCB加工设备行业标准通信协议的空白；标准确立的条款，旨在帮助PCB行业内部从业人员，及外部人员了解通信架构及基本要求、识别可能产生的冲突、评估潜在风险、建立和给予适当的保障措施。

本文件在通信诸如应用场景的设计上，存在可再进一步扩展和补充完善。由于其应用场景的多样性和较难协调统一，此部分可由实施工厂自行补充和扩展，后续扩展的原代码文件可由协会或组织汇总整理成标准代码库，以实现PCB制造设备在智能互通互联时能即时调用功能模块，实现功能上的即时通信，降低调试成本和提高兼容性。

本文件从筹备到完成发表，需感谢CPCA的协调组织；需感谢各级领导对本文件编制的支持；需感谢行业内外多位专家提出的宝贵意见，对本文件的结构逻辑完整性和落地性起到非常重要的作用；需感谢本文件编制小组各位成员的对本文件在编写和修订上的默默付出。