一文读懂 | SECS/GEM 通信基础及 GEM 控制状态模型

现代化制造工厂要求设备与工厂主机系统之间实现流程同步与无缝通信。SEMI 标准（尤其是 SECS/GEM（半导体设备通信标准 / 通用设备模型）系列标准）通过规范这些实体间的通信协议，已成为半导体制造自动化的核心支柱。本文将为您介绍 GEM 标准，并开启一个由 5 篇文章组成的系列，阐述 GEM 的各项特性与优势。

什么是 GEM 标准？

GEM 指一套规范制造设备与工厂主机计算机系统之间通信的 SEMI 标准。消息层标准 SEMI E5 SECS-II 定义了通用消息结构及庞大的消息库，用于实现自动化功能；协议层标准 SEMI E37 高速消息服务（HSMS）定义了通过 TCP/IP 传输 SECS-II 消息的二进制结构；SEMI E30 GEM 则为部分 SECS-II 消息规定了最低要求、额外（可选）功能、使用场景及用户情境。

GEM 在设备端实现，供工厂访问命令与控制功能。由于它是成熟的行业标准，任何符合 GEM 标准的主机软件都能与任何符合 GEM 标准的设备通信。当设备完全部署 GEM 后，工厂软件可通过其 GEM 接口对设备进行全面控制与监控。这些标准为设备制造商和工厂都带来了诸多益处，本文及后续文章将重点介绍其中部分内容。

GEM 的优势

增强互操作性：GEM 实现了不同工厂主机与各类设备的无缝集成，且不受制造商限制。

数据透明度：GEM 支持将关键数据从设备直接传输至主机系统，为实时监控与分析提供支持。

降低成本：GEM 接口无需定制集成解决方案，大幅减少了工厂和设备制造商的工程成本。

可扩展性：从简单设备到高度复杂的设备，GEM能适应不同的复杂程度。

广泛行业支持：GEM 在半导体、光伏电池、印刷电路板、平板显示器等多个高科技制造行业中被广泛采用。

GEM 控制状态模型简介

GEM 控制状态模型是 GEM 操作框架的重要组成部分，它管理主机系统与设备之间的协作程度，定义了不同控制级别下的交互规则。这种系统化方法可防止冲突，确保任何时候只有授权实体能对设备进行命令与控制。

GEM 控制状态模型包含三个主要控制级别，每个级别明确了主机系统与操作员交互的权限与限制：远程控制、本地控制和离线控制。

远程控制

远程控制功能确保主机拥有最高控制权，可全面监督和指挥设备操作。现场操作员与设备的交互极少，且严格遵循配置设置的限制。启动、停止、暂停等关键命令由主机通过 GEM 远程命令发出，以实现对设备的精确控制。

本地控制

在本地控制模式下，操作员保留设备的主要控制权，确保在安全或操作需要时可优先否决主机命令。主机可收集状态读数、跟踪数据和事件通知等信息，但无法执行影响设备当前进程的关键命令。本地控制期间，主机被限制启动物理操作（包括启动或停止作业）。

离线控制

在离线控制模式下，操作员拥有完全控制权，主机系统被完全排除在操作之外。主机功能受到严格限制，仅能进行基本通信，或在操作员触发时切换回在线状态。

控制级别的分离确保了操作安全，避免了可能对工厂、产品或人员造成伤害的冲突。

控制状态模型的运作方式

GEM 控制状态模型的核心特性是其状态机，它管理系统在不同控制级别之间的转换。

操作员主导：操作员对状态转换拥有优先控制权，以保障现场操作安全。主机可请求更改控制状态，但最终决定通常由操作员做出。

状态显示与控制：设备必须始终向操作员显示当前控制状态。清晰可见的控制状态显示是告知现场用户设备运行状态的基础。

控制切换实现：设备必须配备物理或软件开关，用于在控制级别之间转换。这些开关可包括硬件按钮或用于长期运行设置的持久化软件配置。

条件转换：部分状态转换（如从主机离线到在线）可基于预定义的设备设置进行条件配置。

对于依赖高精度和明确操作权限的工厂，该模型提供了可适应多种生产场景的稳健框架。

GEM 控制状态模型的核心优势

冲突解决

通过明确规定任一时刻的控制实体（主机或操作员），该框架消除了操作模糊性，防止因命令同时输入导致的操作冲突。

增强安全性

通过优先保障本地操作员的控制权，该模型允许在紧急情况或不安全操作时进行快速干预。

操作效率

主机可预定义控制和通信参数，简化命令流程并缩短设置时间。

灵活性与定制化

借助基于开关的转换和可配置的条件状态，制造商可根据设备特性或工厂级操作需求定制控制状态模型。

智能制造的关键环节

GEM 控制状态模型通过平衡操作员与主机系统的权限、维持高效操作，强化了制造自动化。此外，它为实施更高阶的智能制造标准（如 GEM300 系列标准中的自动化概念）奠定了基础。

GEM 的应用前景

对于寻求可扩展、成本效益高且适应性强的设备通信与控制解决方案的工厂，GEM 标准是明确的选择。无论您是涉足自动化制造还是升级 legacy 系统，实施 GEM 都能确保操作高效、安全，并为应对未来挑战做好准备。