互联工厂数据交换标准：IPC-CFX
大家好，我是Edison。
全球电子制造主要集中在中国，面向未来工业4.0、中国制造2025的战略转型升级，互联互通是基础、数据是核心，如何从用户角度来定义设备加工数据的内容完整性、有效性、可扩展性将是工厂通讯连接交换的工作重点。
IPC-CFX是什么？
首先，解释下这两个缩写的意思：IPC是国际电子工业联接协会，CFX是互联工厂数据交换。
IPC-CFX是一个开放式的国际标准，它简化了机器到机器之间的通信。IPC-CFX基于IPC-2591，是全球互联工厂
数据交换标准统一定义
数据语言格式，我们也可以将其理解为是一个协议，它为制造商、设备、硬件及软件供应商节约沟通和再开发成本，CFX标准的应用将简化并标准化机器设备之间的通信。
总结一下，IPC-CFX就是机器设备之间通信的“
统一语言
”，是大家都懂的“普通话”而不是“方言”。
话外音：对于IT开发者在追求的DDD（领域驱动设计），其核心思想也是“统一语言”，统一业务和技术之间的语言，提高沟通效率，进而提高软件质量。
IPC-CFX的适用范围
目前IPC-CFX主要在电子制造行业得到应用，特别是在
SMT（表面组装技术）
行业，越来越多的SMT设备厂商开始加入CFX联盟，比如SMT检测设备知名厂商Koh Young就是其中一员。
IPC-CFX标准不仅适用于
SMT（表面组装技术）
的相关生产，也支持机械装配、定制化、包装和运输等上游环节，甚至电气、机械子部件等上游环节。我们使用基于PC-CFX标准的传输信息来开发一些常见的应用例如设备利用率、生产线效率 和 整体设备效率（OEE）指标等。
IPC-CFX下设备如何通信？
在IPC-CFX的标准下，设备的数据被定义为
制造主题（Topic）
和
消息结构（Message）
。设备不太需要关注数据发送到哪里，数据来源于哪里，只需要知道在什么时机下发送什么数据，收到什么数据执行什么操作即可。
CFX都定义了哪些标准的Topic呢，如下图所示：
以一个Topic "WorkOrdersScheduled"为例，顾名思义：工单已排程。这个Topic代表会发出一个已经排好执行计划的工单，该工单即将在稍后某个特定时间某条生产线如SMT Line 1开始执行生产，其定义的消息数据体如下所示，还是比较完善的：
{"ScheduledWorkOrders": [
{"WorkOrderIdentifier": {"WorkOrderId": "WO1122334455","Batch": null},"Scheduler": {"OperatorIdentifier": "BADGE4486","ActorType": "Human","LastName": "Doe","FirstName": "John","LoginName": "john.doe@domain1.com"},"WorkArea": "SMT Line 1","StartTime": "2018-08-02T11:00:00","EndTime": "2018-08-02T15:00:00","ReservedResources": ["L1PRINTER1","L1PLACER1","L1PLACER2","L1OVEN1"],"ReservedTools": [
{"UniqueIdentifier": "UID23890430","Name": "TorqueWrench_123"}
],"ReservedOperators": [
{"OperatorIdentifier": "BADGE489435","ActorType": "Human","LastName": "Smith","FirstName": "Joseph","LoginName": "joseph.smith@abcdrepairs.com"}
],"ReservedMaterials": [
{"UniqueIdentifier": "UID23849854385","InternalPartNumber": "PN4452","Quantity": 0.0},
{"UniqueIdentifier": "UID23849854386","InternalPartNumber": "PN4452","Quantity": 0.0},
{"UniqueIdentifier": "UID23849854446","InternalPartNumber": "PN3358","Quantity": 0.0}
]
}
]
}
又如 "WorkOrdersUnschedule" 这个Topic，代表SMT Line 1的某个工单即将被取消，其数据格式就简单很多：
{"ScheduledWorkOrderIdentifiers": [
{"WorkOrderIdentifier": {"WorkOrderId": "WO1122334455","Batch": null},"WorkArea": "SMT Line 1"}
]
}
除此之外，CFX还用一个统一的消息信封来包裹这个消息体，我们可以理解为定义了一个如下所示的统一消息格式：
public classCFXEnvelope
{public string MessageName {get;set;} //eg. CFX.Produciton.Application.MaterialsApplied public string Version {get;set;} //eg. 1.7 ......public T MessageBody {get;set;} //消息体内容：泛型 }
Anyway，这个对于我们IT工程师是比较好理解的，这就跟我们的系统和系统之间通过消息队列（如Kafka）进行发布订阅模式的异步通信一模一样。不过这里呢，是机器与机器，机器与企业之间的通信。
但是，
IPC-CFX标准下是基于AMQP协议做消息传输的，每台设备都可以看作是一个AMQP端点
，通过发布和订阅实现数据的交互。此外，IPC-CFX
还支持点对点（Point-to-Point）
的消息模式（请求/响应模式）。
我们都知道，Kafka是不支持AMQP协议的，因此，要使用IPC-CFX就不能直接使用Kafka作为Message Broker，而IPC-CFX官方的案例也都是使用RabbitMQ来写的，虽然我觉得在设备数据交换场景Kafka的性能会更好。
如何开发机台程序？
如何让一台台的设备变成符合IPC-CFX标准的AMQP节点呢？常规做法就是在机台侧开发一个程序，这里IPC-CFX组织为我们提供了一个SDK，其实是一个.NET开发包（Nuget安装即可），所以对咱们.NET开发者是十分友好的。
对于.NET 4.6可以使用 CFX.CFXSDK
对于.NET Core及以上可以使用 CFX.CFXSDK.NetStandard
这个SDK提供了以下功能：
将所有CFX消息的用Class/Object表示。
能够将CFX消息对象序列化和反序列化为JSON格式。
能够通过AMQP传输协议将CFX消息发布到一个或多个目的地。
能够通过AMQP传输协议从一个或多个订阅源接收CFX消息。
完全自动化的网络连接故障管理(即使在网络宕机或其他不可靠的情况下保持AMQP连接)。
CFX消息“假脱机”。维护由于网络条件错误而无法传输的CFX消息的持久队列。一旦网络服务恢复，消息将自动按原来的顺序传输。
点对点CFX端点命令(请求/响应)支持。
支持AMQP 1.0 SASL认证和TLS加密。
官方SDK文档传送门：
SDK文档
不过，通过学习发现，这个SDK主要还是提供了统一的Topic和Message的数据结构，至于和RabbitMQ的连接，个人感觉不太方便使用，我们完全可以使用其他成熟的RabbitMQ API组件来完成发布和订阅。
接下来，我们来快速实践一下CFX的两种通信方式：发布订阅 和 点对点。
快速开始：搭建一个RabbitMQ
既然IPC-CFX是基于AMQP协议来的，那我们就搭一个RabbitMQ吧。这里我们快速用docker-compose安装一个RabbitMQ。
version: '3'services:
rabbitmq1:
image: rabbitmq:3.8-management
container_name: rabbit-mq-service
hostname: rabbit-mq-server
ports:
-"5672:5672"-"15672:15672"restart: always
environment:
- RABBITMQ_DEFAULT_USER=rabbit # user account
- RABBITMQ_DEFAULT_PASS=EdisonTalk2024 # password
volumes:
- rabbitmq_data:/var/lib/rabbitmq
volumes:
rabbitmq_data:
driver: local
然后，通过下面的命令把RabbitMQ Run起来：需要注意的点就是需要手动开启AMQP1.0协议！
docker-compose up -d
#进入RabbitMQ容器
docker exec -it rabbit-mq-service /bin/bash
#开启AMQP1.0协议
rabbitmq-plugins enable rabbitmq_amqp1_0成功运行起来后，能够成功打开RabbitMQ管理界面：
快速开始：实现基于CFX标准的发布订阅通信
发布者
这里我们通过Visual Studio创建一个控制台应用程序，基于.NET Framework 4.8来实现。
首先，安装Nuget包：
- CFX.CFXSDK
- EasyNetQ
其次，完成联接Broker 和 发布Message 的代码：
namespaceAMQP.MachineA
{/// <summary> ///MachineA: SEWC.SMT.001/// </summary> public classProgram
{private const string _machineName = "SDC.SMT.001";private const string _amqpBroker = "rabbit-mq-server"; //RabbitMQ-Host private const string _amqpUsername = "rabbit"; //RabbitMQ-User private const string _amqpPassword = "rabbit-password"; //RabbitMQ-Password public static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"Current Machine: {_machineName}");
Console.Write($"Current Role: Publisher {Environment.NewLine}");var connStr = $"host={_amqpBroker};username={_amqpUsername};password={_amqpPassword}";using (var amqpBus =RabbitHutch.CreateBus(connStr))
{while (true)
{
Console.WriteLine($"[Info] Starting to send a message to AMQP broker.");//Build a CFX Message of MaterialsApplied var message = new CFXEnvelope(newMaterialsApplied()
{
TransactionId=Guid.NewGuid(),
AppliedMaterials= new List<InstalledMaterial>{newInstalledMaterial()
{
QuantityInstalled= 1,
QuantityNonInstalled= 2}
}
});
amqpBus.PubSub.Publish(message);
Console.WriteLine($"[Info] Finished to send a message to AMQP broker.");
Console.WriteLine("-------------------------------------------------------------------");
Thread.Sleep(1000 * 3);
}
}
}
}
}
Note：
这里只是为了快速演示，实际中账号密码以及Broker地址建议写到配置文件中，并使用AMQPS协议联接，否则你的账号密码会被明文在网络中传输。
订阅者
参考发布者，仍然创建一个控制台应用程序，安装两个NuGet包。
然后，实现消费者逻辑：
namespaceAMQP.MachineB
{/// <summary> ///MachineB: SEWC.SMT.002/// </summary> public classProgram
{private const string _machineName = "SDC.SMT.002";private const string _amqpBroker = "rabbit-mq-server"; //RabbitMQ-Host private const string _amqpUsername = "rabbit"; //RabbitMQ-User private const string _amqpPassword = "rabbit-password"; //RabbitMQ-Password public static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"Current Machine: {_machineName}");
Console.WriteLine($"Current Role: Subscriber {Environment.NewLine}");var connStr = $"host={_amqpBroker};username={_amqpUsername};password={_amqpPassword}";using (var amqpBus =RabbitHutch.CreateBus(connStr))
{
amqpBus.PubSub.Subscribe<CFXEnvelope>(_machineName, message =>{if (message.MessageBody isMaterialsApplied)
{
Console.WriteLine($"[Info] Got a message with topic {message.MessageName} :{Environment.NewLine}{message.ToJson(true)}");
Console.WriteLine("-------------------------------------------------------");
}
});
Console.WriteLine("Press any key to exit.");
Console.ReadLine();
}
}
}
}
最终的Demo效果如下图所示：
两个控制台应用程序模拟两个机台程序，实现了基于AMQP协议和CFX标准格式的异步通信。但是整体来讲，实现异步通信并不是重点，而是两个机台采用了所谓的“
统一语言
”。
快速开始：实现基于CFX标准的点对点通信
基于上面的了解，我们知道基于CFX我们还可以让设备之间实现点对点的通信，也可以不通过Broker转发，而且它仍然是基于AMQP协议的。
在点对点模式下，基于CFX SDK，会自动帮你创建一个基于Socket的通信进程，机台程序之间可以互相应答。
（1）机台A
namespaceP2P.MachineA
{/// <summary> ///MachineA: SEWC.SMT.001/// </summary> public classProgram
{private const string _sendCfxHandle = "SDC.SMT.001"; //Sender private const string _receiveCfxHandle = "SDC.SMT.002"; //Receiver private const string _sendRequestUri = "amqp://127.0.0.1:8234"; //Sender private const string _receiveRequestUri = "amqp://127.0.0.1:8235"; //Receiver public static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"Current Machine: {_sendCfxHandle}");
Console.WriteLine($"Current Uri: {_sendRequestUri}");
OpenRequest();
Console.WriteLine("Press Enter Key to start the CFX Sender");
Console.ReadKey();while (true)
{
SendRequest();
Thread.Sleep(1000 * 5); //Send message every 5 seconds }
}#region AMQP Sender private staticAmqpCFXEndpoint _sendRequestEndpoint;private static voidOpenRequest()
{if (_sendRequestEndpoint != null)
{
_sendRequestEndpoint.Close();
_sendRequestEndpoint= null;
}
_sendRequestEndpoint= newAmqpCFXEndpoint();
Console.WriteLine($"[Debug] SendCFXEndpoint.IsOpen : {_sendRequestEndpoint.IsOpen.ToString()}");
_sendRequestEndpoint.Open(_sendCfxHandle,newUri(_sendRequestUri));
Console.WriteLine($"[Debug] SendCFXEndpoint.IsOpen : {_sendRequestEndpoint.IsOpen.ToString()}");
AmqpCFXEndpoint.RequestTimeout= TimeSpan.FromSeconds(10 * 2);
}private static voidSendRequest()
{var message = CFXEnvelope.FromCFXMessage(newMaterialsApplied()
{
TransactionId=Guid.NewGuid(),
AppliedMaterials= new List<InstalledMaterial>{newInstalledMaterial()
{
QuantityInstalled= 1,
QuantityNonInstalled= 2}
}
});
message.Source=_sendCfxHandle;
message.Target=_receiveCfxHandle;
message.TimeStamp=DateTime.Now;try{
Console.WriteLine($"[Info] Starting to send a message to Target Machine {_receiveCfxHandle}.");var response =_sendRequestEndpoint.ExecuteRequest(_receiveRequestUri, message);
Console.WriteLine($"[Info] Target Machine {_receiveCfxHandle} returns : {Environment.NewLine}{response.ToJson(true)}");
}catch(Exception ex)
{
Console.WriteLine($"[Error] Exception message: {ex.Message}");
}finally{
Console.WriteLine("-------------------------------------------------------");
}
}#endregion}
}
Note：
既然是点对点，那发送者就必须要知道接收者的位置。
（2）机台B
namespaceP2P.MachineB
{/// <summary> ///MachineB: SEWC.SMT.002/// </summary> public classProgram
{private const string _receiveCfxHandle = "SDC.SMT.002";private const string _receiveRequestUri = "amqp://127.0.0.1:8235";public static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine($"Current Machine: {_receiveCfxHandle}");
Console.WriteLine($"Current Uri: {_receiveRequestUri}");
OpenListener();
Console.WriteLine("Press Entery Key to end the CFX Listener");
Console.ReadKey();
}#region AMQP Receiver private staticAmqpCFXEndpoint _receiveRequestEndpoint;private static voidOpenListener()
{if (_receiveRequestEndpoint != null)
{
_receiveRequestEndpoint.Close();
_receiveRequestEndpoint= null;
}
_receiveRequestEndpoint= newAmqpCFXEndpoint();
_receiveRequestEndpoint.OnRequestReceived-=CFXMessageOnRequestReceived;
_receiveRequestEndpoint.OnRequestReceived+=CFXMessageOnRequestReceived;
Console.WriteLine($"[Debug] SendCFXEndpoint.IsOpen: {_receiveRequestEndpoint.IsOpen.ToString()}");
_receiveRequestEndpoint.Open(_receiveCfxHandle,newUri(_receiveRequestUri));
Console.WriteLine($"[Debug] SendCFXEndpoint.IsOpen: {_receiveRequestEndpoint.IsOpen.ToString()}");
AmqpCFXEndpoint.RequestTimeout= TimeSpan.FromSeconds(10 * 2);
}private staticCFXEnvelope CFXMessageOnRequestReceived(CFXEnvelope message)
{
Console.WriteLine($"[Info] Got a message from Source Machine {message.Source} :{Environment.NewLine}{message.ToJson(true)}");
Console.WriteLine("-------------------------------------------------------");var result = (CFXEnvelope)null;if (message.MessageBody isWhoIsThereRequest)
{
result= CFXEnvelope.FromCFXMessage(newWhoIsThereResponse()
{
CFXHandle=_receiveCfxHandle,
RequestNetworkUri=_receiveRequestUri,
RequestTargetAddress= "..."});
}else if (message.MessageBody isMaterialsApplied)
{
result= CFXEnvelope.FromCFXMessage(newWhoIsThereResponse()
{
CFXHandle=_receiveCfxHandle,
RequestNetworkUri=_receiveRequestUri,
RequestTargetAddress= "..."});
}else{return null;
}
result.Source=_receiveCfxHandle;
result.Target=result.Source;
result.TimeStamp=DateTime.Now;returnresult;
}#endregion}
}
点对点Demo效果：
小结
本文我们了解了IPC-CFX标准产生的背景 和 用途，它是机器设备之间通信的“
统一语言
”，是大家都懂的“普通话”而不是“方言”。
首先，IPC-CFX使用AMQP v1.0传输协议实现安全的连接，使用JSON进行数据编码，提供了明确的消息结构和数据内容，确保即插即用。
其次，我们通过两个Demo快速了解了如何实现一个基于CFX标准的机台端应用程序，来实现“统一语言”的设备间通信。
最后，就目前互联网上的资料来看，国内社区对于CFX的应用来看整体都还是不多的，我们也还处于学习阶段，希望未来或许有新的更新分享。
参考资料
