基于云计算的半导体制造企业的制造执行系统重构

赵 阳， 杨志和

（1.海拉（上海）管理有限公司，上海201203；2.上海电机学院 电子信息学院，上海201306）

制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是面向车间的生产管理与实时信息系统。在半导体制造企业中，MES是企业信息系统的基础[1-6]，一般建厂伊始就导入启用。然而，早年引进的MES在过了制造商的维护期后，往往难以应对企业不断变化的生产实际。由于此类MES的硬件部分已经老化，故障频发，而备件昂贵、稀缺，故维护困难重重；软件部分与专属硬件系统紧密结合，半导体制造企业通常又不拥有源代码，维护人员很难寻觅，故软件的维护也非常困难；然而，半导体制造企业的日常生产运营离不开MES的支持，若重新构建全新的MES以代替原有MES，则新、老MES的切换通常需要一定的停产、试产和磨合期，必然会影响正常的生产秩序，给企业造成较大的经济损失。为解决上述问题，本文分析了当前半导体制造企业MES存在的问题，给出了半导体制造企业MES重构的约束条件和影响要素，提出了一种基于云计算的MES重构方案。根据该方案重构的MES能够适应企业当前的生产经营和不断发展的需求。

1 MES重构的约束条件及相关要求

1.1 约束条件

MES在半导体制造中发挥着关键作用，尽管早年引进的MES问题不少，但只要它还在维系着企业的日常生产，则在其被取代以前就不可或缺。因此，为了维持企业的正常生产，MES重构就需要满足以下约束条件：

（1）在MES重构期间，原MES需要保持正常运行。

（2）MES重构需要继承原MES中经使用证实的那些正确和必要的功能及算法。

（3）MES重构后的系统性能必须达到原MES中经使用证实的那些必要的性能指标。

（4）MES重构后需维持现有相关生产设备的接口。

（5）MES重构后应尽可能继承现有MES的人机界面的元素。

（6）MES重构需要使用市场主流的硬件、相关软件和技术。

1.2 相关要求

MES重构不是对原MES的照搬或模仿，而是在MES重构的约束条件下，根据企业当前的生产实际和发展需求，吸收业界的理论创新与实践精华，采用当前成熟高效的信息技术、方法和工具对原MES进行升华。

MES重构需要吸取当前半导体制造行业实际应用的各主流MES的优点。目前，在半导体制造业界流行的MES产品有SIView、Promis、Camstar、FAB300等[1-5]。 这 些 产 品 基 本 上 都 有 系 统管理、配置管理、流程管理、制品管理、设备管理、材料管理、文档控制、派工管理、报表系统、报警系统、过程控制、工程数据采集和统计过程控制等功能模块。尽管上述功能模块的名称及细节在各MES中不尽相同，但对应功能大体一致，基本符合企业当前的生产需求。

此外，近年来MES领域还涌现出一些先进技术，如设备调整技术、实时派工技术和经验知识库技术等。其中，设备调整技术能探测和调整生产过程中设备参数漂移出界的情况，防止产品质量失控；实时派工技术将制造部门的派工经验规则化、公式化、智能化，用于决定批次的优先权；经验知识库技术能够归纳并共享工厂技术和管理方面的经验知识，为生产经营中遇到的问题提供解决方案[2-6]。上述这些先进技术的取舍和实现在MES功能模块重构时都要予以考虑。

2 基于云计算的MES重构的架构与技术路线

云计算为MES的重构提供了新的技术、方法和思路。狭义云计算是指IT基础设施资源通过网络以按需、易扩展的方式进行交付和使用。广义云计算是指IT服务通过网络以按需、易扩展的方式进行交付和使用[7]。近年来，半导体制造企业在信息化建设过程中陆续购置了不少设备及软件，由于这些信息设施分散使用，它们的效能未能充分发挥；而应用云计算技术能够把这些信息设施进行虚拟化聚合，形成企业私有云，使其效能得到充分发挥，同时也能为MES重构提供基础设施服务。私有云具有数据私密性强、存储安全、网速快、传输稳定、使用方便等优势[9-11]，可以在不增加或少增加软、硬件投入的情况下，满足MES重构对信息处理和数据存储能力的要求，也方便MES的开发、维护、扩展以及与周边信息系统的集成。云计算作为21世纪IT应用和计算模式的发展趋势，可以为MES提供很好的技术支持环境，从而满足制造业需求多样化、技术自动化的发展趋势。

2.1 MES重构的基本架构

综合考虑MES重构的约束条件和相关要求，以及企业私有云的技术优势，本文提出一种基于云计算的制造执行系统（Cloud Based MES，CMES）的重构架构。该架构是一种分布式智能开放系统，可以实现MES的网络智能管理、业务智能开发、服务智能提供。通过利用与整合公共平台资源，可缩短业务更新周期。基于私有云的MES重构基本架构如图1所示。

图1 基于私有云的MES重构基本架构Fig.1 Architecture of MES based on private cloud

图1所示的CMES架构分为客户端、云端和控制层。在云端，企业私有云提供MES所需的数据和软件服务。在客户端，用户通过PC、手持智能终端或智能手机等客户端软件与企业私有云中MES相关组件进行交互来享用CMES服务。在控制层，生产设备通过智能接口与企业私有云连接来执行实时交换数据和接受控制等任务；企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）等企业内其他信息系统通过企业私有云与CMES集成来实施协同工作。

CMES的网络部署拓扑结构如图2所示。云端集中放置所有服务器，各车间及其他部门安置的瘦客户端或移动客户端通过局域网与云端相连。

图2 CMES的系统拓补结构Fig.2 System topology structure of CMES

CMES系统以分布式存储、分布式计算资源、分布式数据库和文件系统为基础，通过私有云整合统一资源，实现按需弹性扩展；通过数据挖掘、分析和智能调度，实现网络智能自组织和可重构，以及业务与资源、应用与服务、终端与用户的最佳匹配。CMES系统的体系架构按照功能分层，主要可分为用户层、业务流程层、服务模型层、服务组件层和资源层等5个层次，如图3所示。

（1）用户层。该层是CMES系统与用户交互的人机接口，其基于面向服务的体系结构（Service-Oriented Architecture，SOA），支持 OPC（OLE for Process Control）、文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）、Web Service等主流接口标准，在上位信息系统与下位自动化设备之间实现轻量化、可配置、松耦合的数据实时交互，可适应企业多基地、多产线扩张时MES的快速集成部署。

（2）业务流程层。在服务模型层的支撑下，该层根据用户实际应用需求，编排和管理相应的业务流程，形成服务业务模型，以供用户配置调用。

（3）服务模型层。该层支持CMES原子服务和复合服务的构建，在车间生产制造过程中实现对综合业务及云服务业务的运行管理。

（4）服务组件层。该层对车间生产制造过程中的原子业务进行定义和服务封装，以实现虚拟资源与相应CMES服务的映射，支撑服务模型层的运行。该层由各种粗细粒度不同的服务组件构成，包括生产服务类组件、质量管理类组件、系统管理组件以及云端管理类组件等。

（5）资源层。该层由企业车间生产过程中的各类制造资源组成。其中的资源主要有软件资源、硬件资源和知识信息资源等3大类，如机台装备、工模量具等制造硬资源，工厂车间管理、物流仓储管理等制造软资源，制造工艺知识、数控程序代码、零部件标准库等制造知识资源。

资源层又可细分为基础支撑子层、资源感知子层和资源虚拟化子层。其中，基础支撑子层是系统及网络运行支撑环境，主要是各种信息化设备，包括计算设备、存储设备、网络设备等；资源感知子层通过各类传感器、智能终端、射频识别、数据接口，实现对制造硬资源、软资源及知识资源的信息采集；资源虚拟化子层根据资源感知层采集的资源信息，利用该层的虚拟化工具（描述工具、镜像工具、部署工具等）对各类制造资源进行虚拟化信息建模和管理，并形成相应的虚拟资源池。

图3 CMES的功能结构图Fig.3 Function chart of CMES

2.2 MES重构的技术路线

按照上述架构实现MES向CMES的改造与重构，主要采用如下技术路线：

（1）企业私有云的建立先从无实际负荷或无重要负荷的信息设施开始做起，逐步聚合其他信息设施和信息系统。

（2）对生产设备接口逐个进行改造和连接，使得生产设备接口一方面维持原有MES接口功能，保持其正常运行；另一方面与私有云交换数据，即按要求采集实时数据发送给私有云，同时接受和执行私有云中对设备的控制数据。设备与私有云的连接完成后，呈现出以CMES为中心的星型结构。

（3）对生产设备接口的改造选择在设备检修或维护时进行，这样不会影响正常的生产秩序。

（4）MES应用软件采用现代编程工具、技术和方法重构，作为云组件储存在云中，供用户通过浏览器调用[9-12]。开发时，可先开发最基本的功能模块，然后开发可选功能模块及先进技术应用模块。软件功能模块之间的数据交换通过私有云进行，MES与周边信息系统的数据交换也通过私有云进行。

重构后的MES是基于知识、基于优化、基于指标、基于数据和基于约束的智慧制造系统[12]，其不仅兼顾并容纳了各MES的相关要求，而且满足了 MES重构的约束条件，具体表现为：① MES软件模块的重构、开发、调试、实施和验证独立于原MES，不影响当前生产的正常运行，能够满足约束条件（1）。② 应用CMES架构，使用现有技术和工具以云组件的形式实现原MES的常用功能及算法，放置在私有云中，供用户通过浏览器调用，能够满足约束条件（2）。③ 企业私有云能够保持企业内部局域网的的传输速度，又能聚合企业内部多个信息资源共同为MES服务[13]，因此，按照技术推理，重构后的 MES性能不低于原MES，能够满足约束条件（3）。④ 生产设备接口的改造在保持对原MES支持的基础上实现了对私有云的数据交换，能够满足约束条件（4）。⑤ 重构后的 MES的人机界面参照了原MES的界面[14-15]，能够满足约束条件（5）。⑥ 重构后的MES前端使用浏览器软件即可，后台基于私有云，前台和后台均能支持当前市场主流硬件和软件，并保持平台的无关性[16]，能够满足约束条件（6），能兼顾并容纳各MES的相关要求。

3 结 语

采用基于企业私有云的MES重构架构及上述技术路线，能够在保持工厂生产正常运行的基础上实现MES重构，新MES的硬件和基础软件能够应用市场主流产品。重构完成后，新、老MES可以并行运行，相互验证，无缝切换。这一MES重构方案满足MES重构的所有约束条件，兼顾并容纳半导体制造厂MES重构的相关要求，具有可扩展性和可重构性，适应企业当前生产经营和不断发展的需求，能够充分发挥和增强厂内现有信息设施能力，有效减少MES重构投资，为厂内各相关信息系统的集成和重构提供了基础与方向。

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