基于云計(jì)算的半導(dǎo)體制造企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)重構(gòu)

趙 陽， 楊志和

（1.海拉（上海）管理有限公司，上海201203；2.上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海201306）

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是面向車間的生產(chǎn)管理與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。在半導(dǎo)體制造企業(yè)中，MES是企業(yè)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1-6]，一般建廠伊始就導(dǎo)入啟用。然而，早年引進(jìn)的MES在過了制造商的維護(hù)期后，往往難以應(yīng)對(duì)企業(yè)不斷變化的生產(chǎn)實(shí)際。由于此類MES的硬件部分已經(jīng)老化，故障頻發(fā)，而備件昂貴、稀缺，故維護(hù)困難重重；軟件部分與專屬硬件系統(tǒng)緊密結(jié)合，半導(dǎo)體制造企業(yè)通常又不擁有源代碼，維護(hù)人員很難尋覓，故軟件的維護(hù)也非常困難；然而，半導(dǎo)體制造企業(yè)的日常生產(chǎn)運(yùn)營離不開MES的支持，若重新構(gòu)建全新的MES以代替原有MES，則新、老MES的切換通常需要一定的停產(chǎn)、試產(chǎn)和磨合期，必然會(huì)影響正常的生產(chǎn)秩序，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決上述問題，本文分析了當(dāng)前半導(dǎo)體制造企業(yè)MES存在的問題，給出了半導(dǎo)體制造企業(yè)MES重構(gòu)的約束條件和影響要素，提出了一種基于云計(jì)算的MES重構(gòu)方案。根據(jù)該方案重構(gòu)的MES能夠適應(yīng)企業(yè)當(dāng)前的生產(chǎn)經(jīng)營和不斷發(fā)展的需求。

1 MES重構(gòu)的約束條件及相關(guān)要求

1.1 約束條件

MES在半導(dǎo)體制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，盡管早年引進(jìn)的MES問題不少，但只要它還在維系著企業(yè)的日常生產(chǎn)，則在其被取代以前就不可或缺。因此，為了維持企業(yè)的正常生產(chǎn)，MES重構(gòu)就需要滿足以下約束條件：

（1）在MES重構(gòu)期間，原MES需要保持正常運(yùn)行。

（2）MES重構(gòu)需要繼承原MES中經(jīng)使用證實(shí)的那些正確和必要的功能及算法。

（3）MES重構(gòu)后的系統(tǒng)性能必須達(dá)到原MES中經(jīng)使用證實(shí)的那些必要的性能指標(biāo)。

（4）MES重構(gòu)后需維持現(xiàn)有相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的接口。

（5）MES重構(gòu)后應(yīng)盡可能繼承現(xiàn)有MES的人機(jī)界面的元素。

（6）MES重構(gòu)需要使用市場主流的硬件、相關(guān)軟件和技術(shù)。

1.2 相關(guān)要求

MES重構(gòu)不是對(duì)原MES的照搬或模仿，而是在MES重構(gòu)的約束條件下，根據(jù)企業(yè)當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)際和發(fā)展需求，吸收業(yè)界的理論創(chuàng)新與實(shí)踐精華，采用當(dāng)前成熟高效的信息技術(shù)、方法和工具對(duì)原MES進(jìn)行升華。

MES重構(gòu)需要吸取當(dāng)前半導(dǎo)體制造行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的各主流MES的優(yōu)點(diǎn)。目前，在半導(dǎo)體制造業(yè)界流行的MES產(chǎn)品有SIView、Promis、Camstar、FAB300等[1-5]。 這 些 產(chǎn) 品 基 本 上 都 有 系 統(tǒng)管理、配置管理、流程管理、制品管理、設(shè)備管理、材料管理、文檔控制、派工管理、報(bào)表系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、過程控制、工程數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)過程控制等功能模塊。盡管上述功能模塊的名稱及細(xì)節(jié)在各MES中不盡相同，但對(duì)應(yīng)功能大體一致，基本符合企業(yè)當(dāng)前的生產(chǎn)需求。

此外，近年來MES領(lǐng)域還涌現(xiàn)出一些先進(jìn)技術(shù)，如設(shè)備調(diào)整技術(shù)、實(shí)時(shí)派工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫技術(shù)等。其中，設(shè)備調(diào)整技術(shù)能探測和調(diào)整生產(chǎn)過程中設(shè)備參數(shù)漂移出界的情況，防止產(chǎn)品質(zhì)量失控；實(shí)時(shí)派工技術(shù)將制造部門的派工經(jīng)驗(yàn)規(guī)則化、公式化、智能化，用于決定批次的優(yōu)先權(quán)；經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫技術(shù)能夠歸納并共享工廠技術(shù)和管理方面的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，為生產(chǎn)經(jīng)營中遇到的問題提供解決方案[2-6]。上述這些先進(jìn)技術(shù)的取舍和實(shí)現(xiàn)在MES功能模塊重構(gòu)時(shí)都要予以考慮。

2 基于云計(jì)算的MES重構(gòu)的架構(gòu)與技術(shù)路線

云計(jì)算為MES的重構(gòu)提供了新的技術(shù)、方法和思路。狹義云計(jì)算是指IT基礎(chǔ)設(shè)施資源通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式進(jìn)行交付和使用。廣義云計(jì)算是指IT服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式進(jìn)行交付和使用[7]。近年來，半導(dǎo)體制造企業(yè)在信息化建設(shè)過程中陸續(xù)購置了不少設(shè)備及軟件，由于這些信息設(shè)施分散使用，它們的效能未能充分發(fā)揮；而應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)能夠把這些信息設(shè)施進(jìn)行虛擬化聚合，形成企業(yè)私有云，使其效能得到充分發(fā)揮，同時(shí)也能為MES重構(gòu)提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。私有云具有數(shù)據(jù)私密性強(qiáng)、存儲(chǔ)安全、網(wǎng)速快、傳輸穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)勢[9-11]，可以在不增加或少增加軟、硬件投入的情況下，滿足MES重構(gòu)對(duì)信息處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的要求，也方便MES的開發(fā)、維護(hù)、擴(kuò)展以及與周邊信息系統(tǒng)的集成。云計(jì)算作為21世紀(jì)IT應(yīng)用和計(jì)算模式的發(fā)展趨勢，可以為MES提供很好的技術(shù)支持環(huán)境，從而滿足制造業(yè)需求多樣化、技術(shù)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。

2.1 MES重構(gòu)的基本架構(gòu)

綜合考慮MES重構(gòu)的約束條件和相關(guān)要求，以及企業(yè)私有云的技術(shù)優(yōu)勢，本文提出一種基于云計(jì)算的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Cloud Based MES，CMES）的重構(gòu)架構(gòu)。該架構(gòu)是一種分布式智能開放系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)MES的網(wǎng)絡(luò)智能管理、業(yè)務(wù)智能開發(fā)、服務(wù)智能提供。通過利用與整合公共平臺(tái)資源，可縮短業(yè)務(wù)更新周期?；谒接性频腗ES重構(gòu)基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于私有云的MES重構(gòu)基本架構(gòu)Fig.1 Architecture of MES based on private cloud

圖1所示的CMES架構(gòu)分為客戶端、云端和控制層。在云端，企業(yè)私有云提供MES所需的數(shù)據(jù)和軟件服務(wù)。在客戶端，用戶通過PC、手持智能終端或智能手機(jī)等客戶端軟件與企業(yè)私有云中MES相關(guān)組件進(jìn)行交互來享用CMES服務(wù)。在控制層，生產(chǎn)設(shè)備通過智能接口與企業(yè)私有云連接來執(zhí)行實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)和接受控制等任務(wù)；企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）等企業(yè)內(nèi)其他信息系統(tǒng)通過企業(yè)私有云與CMES集成來實(shí)施協(xié)同工作。

CMES的網(wǎng)絡(luò)部署拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。云端集中放置所有服務(wù)器，各車間及其他部門安置的瘦客戶端或移動(dòng)客戶端通過局域網(wǎng)與云端相連。

圖2 CMES的系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)Fig.2 System topology structure of CMES

CMES系統(tǒng)以分布式存儲(chǔ)、分布式計(jì)算資源、分布式數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過私有云整合統(tǒng)一資源，實(shí)現(xiàn)按需彈性擴(kuò)展；通過數(shù)據(jù)挖掘、分析和智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能自組織和可重構(gòu)，以及業(yè)務(wù)與資源、應(yīng)用與服務(wù)、終端與用戶的最佳匹配。CMES系統(tǒng)的體系架構(gòu)按照功能分層，主要可分為用戶層、業(yè)務(wù)流程層、服務(wù)模型層、服務(wù)組件層和資源層等5個(gè)層次，如圖3所示。

（1）用戶層。該層是CMES系統(tǒng)與用戶交互的人機(jī)接口，其基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA），支持 OPC（OLE for Process Control）、文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）、Web Service等主流接口標(biāo)準(zhǔn)，在上位信息系統(tǒng)與下位自動(dòng)化設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)輕量化、可配置、松耦合的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，可適應(yīng)企業(yè)多基地、多產(chǎn)線擴(kuò)張時(shí)MES的快速集成部署。

（2）業(yè)務(wù)流程層。在服務(wù)模型層的支撐下，該層根據(jù)用戶實(shí)際應(yīng)用需求，編排和管理相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程，形成服務(wù)業(yè)務(wù)模型，以供用戶配置調(diào)用。

（3）服務(wù)模型層。該層支持CMES原子服務(wù)和復(fù)合服務(wù)的構(gòu)建，在車間生產(chǎn)制造過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合業(yè)務(wù)及云服務(wù)業(yè)務(wù)的運(yùn)行管理。

（4）服務(wù)組件層。該層對(duì)車間生產(chǎn)制造過程中的原子業(yè)務(wù)進(jìn)行定義和服務(wù)封裝，以實(shí)現(xiàn)虛擬資源與相應(yīng)CMES服務(wù)的映射，支撐服務(wù)模型層的運(yùn)行。該層由各種粗細(xì)粒度不同的服務(wù)組件構(gòu)成，包括生產(chǎn)服務(wù)類組件、質(zhì)量管理類組件、系統(tǒng)管理組件以及云端管理類組件等。

（5）資源層。該層由企業(yè)車間生產(chǎn)過程中的各類制造資源組成。其中的資源主要有軟件資源、硬件資源和知識(shí)信息資源等3大類，如機(jī)臺(tái)裝備、工模量具等制造硬資源，工廠車間管理、物流倉儲(chǔ)管理等制造軟資源，制造工藝知識(shí)、數(shù)控程序代碼、零部件標(biāo)準(zhǔn)庫等制造知識(shí)資源。

資源層又可細(xì)分為基礎(chǔ)支撐子層、資源感知子層和資源虛擬化子層。其中，基礎(chǔ)支撐子層是系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行支撐環(huán)境，主要是各種信息化設(shè)備，包括計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等；資源感知子層通過各類傳感器、智能終端、射頻識(shí)別、數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造硬資源、軟資源及知識(shí)資源的信息采集；資源虛擬化子層根據(jù)資源感知層采集的資源信息，利用該層的虛擬化工具（描述工具、鏡像工具、部署工具等）對(duì)各類制造資源進(jìn)行虛擬化信息建模和管理，并形成相應(yīng)的虛擬資源池。

圖3 CMES的功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Function chart of CMES

2.2 MES重構(gòu)的技術(shù)路線

按照上述架構(gòu)實(shí)現(xiàn)MES向CMES的改造與重構(gòu)，主要采用如下技術(shù)路線：

（1）企業(yè)私有云的建立先從無實(shí)際負(fù)荷或無重要負(fù)荷的信息設(shè)施開始做起，逐步聚合其他信息設(shè)施和信息系統(tǒng)。

（2）對(duì)生產(chǎn)設(shè)備接口逐個(gè)進(jìn)行改造和連接，使得生產(chǎn)設(shè)備接口一方面維持原有MES接口功能，保持其正常運(yùn)行；另一方面與私有云交換數(shù)據(jù)，即按要求采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給私有云，同時(shí)接受和執(zhí)行私有云中對(duì)設(shè)備的控制數(shù)據(jù)。設(shè)備與私有云的連接完成后，呈現(xiàn)出以CMES為中心的星型結(jié)構(gòu)。

（3）對(duì)生產(chǎn)設(shè)備接口的改造選擇在設(shè)備檢修或維護(hù)時(shí)進(jìn)行，這樣不會(huì)影響正常的生產(chǎn)秩序。

（4）MES應(yīng)用軟件采用現(xiàn)代編程工具、技術(shù)和方法重構(gòu)，作為云組件儲(chǔ)存在云中，供用戶通過瀏覽器調(diào)用[9-12]。開發(fā)時(shí)，可先開發(fā)最基本的功能模塊，然后開發(fā)可選功能模塊及先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用模塊。軟件功能模塊之間的數(shù)據(jù)交換通過私有云進(jìn)行，MES與周邊信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換也通過私有云進(jìn)行。

重構(gòu)后的MES是基于知識(shí)、基于優(yōu)化、基于指標(biāo)、基于數(shù)據(jù)和基于約束的智慧制造系統(tǒng)[12]，其不僅兼顧并容納了各MES的相關(guān)要求，而且滿足了 MES重構(gòu)的約束條件，具體表現(xiàn)為：① MES軟件模塊的重構(gòu)、開發(fā)、調(diào)試、實(shí)施和驗(yàn)證獨(dú)立于原MES，不影響當(dāng)前生產(chǎn)的正常運(yùn)行，能夠滿足約束條件（1）。② 應(yīng)用CMES架構(gòu)，使用現(xiàn)有技術(shù)和工具以云組件的形式實(shí)現(xiàn)原MES的常用功能及算法，放置在私有云中，供用戶通過瀏覽器調(diào)用，能夠滿足約束條件（2）。③ 企業(yè)私有云能夠保持企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的的傳輸速度，又能聚合企業(yè)內(nèi)部多個(gè)信息資源共同為MES服務(wù)[13]，因此，按照技術(shù)推理，重構(gòu)后的 MES性能不低于原MES，能夠滿足約束條件（3）。④ 生產(chǎn)設(shè)備接口的改造在保持對(duì)原MES支持的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)私有云的數(shù)據(jù)交換，能夠滿足約束條件（4）。⑤ 重構(gòu)后的 MES的人機(jī)界面參照了原MES的界面[14-15]，能夠滿足約束條件（5）。⑥ 重構(gòu)后的MES前端使用瀏覽器軟件即可，后臺(tái)基于私有云，前臺(tái)和后臺(tái)均能支持當(dāng)前市場主流硬件和軟件，并保持平臺(tái)的無關(guān)性[16]，能夠滿足約束條件（6），能兼顧并容納各MES的相關(guān)要求。

3 結(jié) 語

采用基于企業(yè)私有云的MES重構(gòu)架構(gòu)及上述技術(shù)路線，能夠在保持工廠生產(chǎn)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)MES重構(gòu)，新MES的硬件和基礎(chǔ)軟件能夠應(yīng)用市場主流產(chǎn)品。重構(gòu)完成后，新、老MES可以并行運(yùn)行，相互驗(yàn)證，無縫切換。這一MES重構(gòu)方案滿足MES重構(gòu)的所有約束條件，兼顧并容納半導(dǎo)體制造廠MES重構(gòu)的相關(guān)要求，具有可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性，適應(yīng)企業(yè)當(dāng)前生產(chǎn)經(jīng)營和不斷發(fā)展的需求，能夠充分發(fā)揮和增強(qiáng)廠內(nèi)現(xiàn)有信息設(shè)施能力，有效減少M(fèi)ES重構(gòu)投資，為廠內(nèi)各相關(guān)信息系統(tǒng)的集成和重構(gòu)提供了基礎(chǔ)與方向。

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