编者按：本文为该主题第1部分，将介绍SMT行业自动化发展历程以及CFX的适用领域。 现状分析：30年的糟糕体验 在引入自动化的过程中，人们最初对自动化的负面评价之一就是自动化不可避免地会造成可见性降低和操作控制困难等问题。在SMT组装行业，贴装机的运行速度已超过了人类眼睛的移动速度，已经无法用裸眼去追踪物料的放置，导致生产操作人员和管理人员不得不完全依赖他们的设备及设备生成的数据。这和人为驱动的生产工艺很不一样，因为人可以通过持续改善（Kaizen）不断改进人为驱动的操作流程。 相反，高速设备的操作模式似乎是固定的，也就是设备按照给定的指令来运行。但这种假设并不正确。在程序低效、规划欠佳、物料供应不当、产品设计不兼容等因素的驱动下，自动化操作的性能会大打折扣。过去人们在使用自动化组装工艺时因为缺乏数据和设备操作的可见度，所以在某种程度上忽视了持续改善（Kaizen）工具。尽管SMT操作中使用的设备有连接到外部的接口，但这些接口的主要目的是提供设备诊断而不是提供以客户为导向的MES值，于是导致每台设备都有自己的专有接口，更严重的是，每台设备都有自己的专有数据内容。 如果一家制造商想要利用设备数据，他们需要用复杂的软件（很多情况下还需要用到硬件）来提取数据，并且使用从不同供应商的设备中收集的其他数据，使提取的数据在大背景下变得有意义。一旦完成开发，设备接口就可能会随着设备软件的更新和供应商做出的改进而变化（通常不会考虑谁在使用数据），导致数据收集工作突然出现意外故障，而这种情况可能直到人们注意到错误数据或不一致的数据之后才会被发现。所以人们在支持设备通信方面投入了大量的精力，为的是确保整个过程可以做到高效、连续。高企的成本以及高失效风险导致自动化工艺数据使用的创新受到了严重制约。 考虑到来自手动操作工艺的数据，问题就更加严重了，因为即使考虑到了标准格式，每个人记录数据的方式也各不相同。所以有80%的制造问题出自于20%的人工操作，并不意外。因此，通过人工解读才可使用整个工厂车间的数据，这对于ERP或PLN自动使用数据当然不够好。 如今，组装工厂正在面临着下一代工业革命所带来的最大挑战。 如今，组装工厂正在面临着下一代工业革命所带来的最大挑战。但从本质上来讲，这种挑战是对几十年来组装行业中已经出现并呈增长的趋势做出的推测。随着产品生命周期缩短、竞争加剧、技术变化加速、客户对在线可视性的要求不断增加，持有成品库存的潜在成本和风险成为公司不断增加的沉重负担。 物料库存价值的贬值增加了传统的仓储和物流成本，尤其是那种需要在离目标市场很远的地方进行组装的产品。这种情况对于组装工厂的影响促使工厂需要采用更具灵活性的在线工艺，即按交付需求进行生产，而不是批量生产或依赖成品库存；在保持批量生产的同时，又要实现灵活性。 因此，因缺乏可见性和自动化组装工艺管理而导致组装制造的损失增加了很多倍。随着产品品种的增加、批量的减少，甚至出现了已不再是特殊情况下才会有的单件产品生产，生产率水平出现了严重下滑。对公司造成的严重威胁迫使人们需要寻找新的方案来进一步了解、优化自动化工艺的运营。 于是工业 4.0应运而生，出现了向智能工厂发展的动力，这二者的出现促使人们研发出了更有创意的工具来协助、加强关键的管理决策和工程项目，并且能够让设备更多地自动做出决策。但是，如果想让这个设想成为现实，我们还需要针对自动化设备工艺中获取的数据做出相应步骤改动，改动范围包括数据的质量、可用性和价值创造能力。 虽然电子产品组装是整个组装行业中设备通信的重点，但由于技术的本质和物料清单的高复杂性，对组装制造业其他领域的数字化要求也在不断发展。受到机电设备和产品数量不断增加的推动，在整个组装制造中保持一致性和完整性的要求越来越高。电子产品以外的装配自动化可被视为是更简单的情况，而且也没有那么多关于传统定制接口的历史问题，但就高级数字通信而言，这一领域实际上也是从零开始，需要被考虑在内。 人为因素 尽管使用了组装设备和机器人，但短期内工厂都不会实现完全自动化，因为这些工艺还需要人为干预。所以说将人为操作作为数字化工厂的一部分是不必不可少的。例如，数字化工厂可以使用增强现实技术使人成为工厂运营的重要组成部分，使他们可以更高的价值执行比以前更广泛的任务，这得益于其不断储备专业知识，使他们能够参与很多重要环节，并可提高他们的工作满意度。 当前数字化技术所具备的价值及面临的挑战 数字化技术和工业 4.0的概念为制造商提供了令人信服的业务解决方案，他们可以利用这个方案灵活管理并优化工厂，通过更高的产量和简单的产品品种，实现不同的生产率水平。但可见度与数据获取障碍是重大问题，导致市场中的大多数工厂无法做出继续向前发展的决策。 客户要求设备供应商为他们提供符合其需求的“MES接口”时，设备供应商经历了很多挫折。很多客户都有类似的要求，只是要求的定义不同；所以设备供应商近几年来需要承担的研发费用和支持费用在急剧增加。很多情况下，客户提出的要求和某个特定操作规定的指标有关，因为这会让整个过程简单一些，或者说无法通过传统设备接口来获取计算指标所需的特定数据点。这类要求的排列组合似乎是无限的。对于制造业的IT团队以及那些了解设备直接连接具备哪些能力的软件方案供应商而言，每家工厂内有很多不同的设备供应商解决方案有待开发、有待得到支持，不论设备供应商提供的是哪种水平的合作关系，这种接口都是一笔非常昂贵的开支。 了解IPC互连工厂数据交换（CFX）标准 IPC为PCB组装行业建立达成共识的行业标准，业内许多领先公司共同合作制定出常用的最佳技术规范。IPC CFX委员会的目标是为了找到工厂在数字化过程中所面临挑战的解决方案，其方法是创建一个真正的工业物联网（IIoT）标准，该标准将覆盖数字化工厂数据内容和数据通讯的方方面面。该委员会的宗旨是建立一个真正的“即插即用”标准，涵盖所有的硬件和软件供应商，在没有任何从属条件、授权条件或费用的前提下即可使用单一的通信标准。而且这个方案也不会受到任何公司实体的控制，而由IPC监管。 如果想制定出真正的“即插即用 ”的IIoT标准，需要定义3项主要要求。这里用移动电话做简单的类比。硬件根据标准正常工作，让不同厂家制造的手机能够无缝连接。用于连通手机的信号是指定标准网络的一部分，由所有通信运营商共享，并得到所有手机的支持。这意味着地球上任何一部手机打出的电话都可以连接到另一部手机，可将所有人连接在一起。编码方法将语音转换成通过网络传输的数字信号。 每部手机都要了解标准的编码方式，然后在电话的另一端将数字处理的内容解码成模拟语音。在这个手机的案例中，几乎所有标准都认为自己在这一点上是完整的。剩下的问题在于，例如在美国的某人给在中国的某人打电话，这位中国人不会讲英语，这位美国人也不会讲中文，那他们就完全无法进行有效的沟通。内容的定义（实质上是指使用的语言）是真正通信标准定义的关键部分，而且也是让CFX作为一种真正的IIoT标准与传统数据传输机制区别开的关键因素。即使是所谓的新型IIoT方案，也不过只是充当了一个将定义不明确的数据从一点传输到另一点的通道。 本地IoT方案可以让那些保证性能和合规性的设备供应商控制数据内容和数据可用性。比如那些可以将数据移动到云端的附加IIoT方案是基于对源数据的解读，这些数据源可能随时改变，并且会假借新技术的名义承担传统系统具备的相同风险。 CFX的数据传送与编码 CFX使用的传送机制是AMQP v1.0（图1）。这是一个安全的数据传送协议，由金融行业创建并广泛用于货币交易。所以说这个机制是一个全球公认、且非常安全可靠的协议。使用CFX将敏感数据传送到公司以外的域名时，可以对数据信息做加密处理。 图 1：AMQP v1.0数据传送选项 AMQP v1.0可以用于两种通信方法，这两种方法都可被CFX所采用。第一种方法是一种简单机制，CFX网络上的任何设备（称为“端点”）可以将信息发送给中央点（称为“主机”或“ 代理”）。主机随后会提供将信息分发给订阅者的所有工作。所以创建数据的端点不需要关心哪些信息正在被采用或者有多少其他端点需要接收信息；而且这种方式也不需要处理所要求的各种确认。对于这类通知信息，处理所有这些任务会给设备内的计算功能增加不必要的负担，所以可能会影响设备的运行。互联网上有很多免费的AMQP v1.0主机，可以与CFX配合使用。 除了通知信息类型之外，制造中还有一种针对非常大规模或关键数据的点对点直接通信要求。例如将很大的3D检验图像传送到另一个通过处理图像来确定缺陷趋势或可追溯性的端点。其他应用还包括闭环的设备与设备之间的分析功能，这一功能可持续改善生产线的性能。CFX所选用的AMQP v1.0可以支持这两种通信模式，是一种现代、安全的传送机制。主机可能是基于云、基于站点或结合两者的形式。 除了数据的发布以外，CFX网络上的每个端点（例如组装设备）也可以从工厂中其他执行事务性任务的设备和端点那里接收数据，例如物料物流。CFX中信号的接收与发射是全向的。因此，不论设备的生产商是哪家，每一台设备都可以从生产环境中的任何位置提取数据，以改善、优化自己的操作。 将数据编码到CFX信息中的机制选用了JavaScript Object Notation（JSON）轻量级数据交换格式。JSON是一种现代数据交换标准，被很多软件系统广泛使用，是下一代XML数据交换格式。 CFX的消息与内容 CFX的设计目的是为了将其应用到很多不同类型的车间自动设备与工艺、人工操作工艺和事务性任务中。实际上，过去所有数据标准都采用了一种方法来定义乍一看很合理的内容。行业考虑到现有的不同类型设备，然后根据设备类型规划数据内容的定义，看起来似乎很合理。但由于车间内现代设备和系统的性质，这种过程在实际操作中并不能得到理想的结果。 所有设备有太多的功能冗余，所以那些标准也就充满了冗余的内容。例如，很多设备都具备内部传输用的传送带和工作区；独立的传送带也有这些功能，而且很多传送带还具备获取ID用的条形码扫描仪。所以说这些老方法需要在无数设备中重新执行相同的功能或性能。更糟糕的是，对于相同功能，不同厂家可能有不同的喜好，导致连接不同设备的数据用户很难解读这些数据。 最终就会导致失败，所以老方法永远无法得到改进，其中包括定制设备。任何基于设备类型的方法都需要上报给委员会来定义定制设备的工作单元。这种方式很常见，并且会将此类系统降级为定制集成。好在现在有一种完全不同的方法能够更好地获取数据内容，而且完全不会出现上述这些问题。 CFX采用了一种革新性的新方法来获取数据内容，即没有把设备当作是完整的实体而是当成了适用于多数设备的基本性能的集合。这些性能只需要在内容标准中定义一次，之后就可以完整连贯地重复使用。创建了基于系统、设备或数据主题最低水平性能的信息构建模块，代表了生产设备和工艺的独立功能和特征。通过结合不同主题的消息，可以针对（现在或未来）任何设备或工艺的完整操作功能建模，包括独一无二的定制设备。 图2：作为消息构成模块的主题 在图2中，用不同颜色的构建块表示不同主题，将图左侧与设备工艺中发生事件相匹配的有关模块组合到一起，就可以描述每台特有设备的运行情况。图右侧的应用可以根据他们的范围来决定应该订阅哪些消息。 在实际操作中，每个被定义过的CFX端点会创建出一系列属于定义主题的消息来描述他们的操作。图3给出的实例说明了一个端点的消息传送。 图3：CFX消息传送实例 图3中4个主要的“1级”主题使用了不同的颜色。每个1级主题的下方都有一系列2级主题，提供了事件的更详细信息。2级主题下方也有3级主题，主要针对技术方面的具体工艺领域。主要主题如下： 根:用于建立端点通信、发现及其性能的消息，根据所支持主题进行描述 生产:用于传达一项行动或一种价值的信息，这种行动或价值直接和生产单元相关或会影响生产单元；其中包括产品流程控制、配方管理、设备设置、poka-yoke控制（也叫防错法，该名称源自日语，表示用于防止不正确操作出现的运营操作对接）、闭环数据分析、组装行为（所用的物料和工具）以及为测试数据和结果采集提供的支持 资源性能：性能事件、操作状态变化以及相关数据的细节和时序；注意，CFX提供的数据可用于计算性能指标且不会传送预先定义的指标或报告 物料:工厂收到物料后得出的物料信息，其中包括运输方式、验证、运输载体和材料运输订单等信息 信息:工作订单的定义和日程安排、质量管理、数据、以及生产单元的验证 传感器:识别生产单元并采集测量值，包括能耗、温度和湿度
