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摘要：文章以半导体制造中MES系统优化设计应用为研究对象，首先对MES系统与半导体制造行业进行了分析，随后探讨了基于PDA的移动MES系统提出与设计实现，最后对移动MES实际应用与应用效益进行了分析，以供参考。
关键词：移动MES系统；5G；半导体制造
半导体制造工艺流程较为复杂，专业性要求较高，因此拥有一套与企业情况相匹配的、具有扩展性、可靠性的 MES 的生产控制管理系统显得尤为重要。如今随着5G 技术的应用发展，通过利用该技术实施MES系统的优化改造，使得移动EMS系统成为可能，这对于推动半导体生产企业实现可持续发展具有重要的意义。
1.MES系统与半导体制造行业
MES系统属于一种制造执行管理系统，是企业实施敏捷制造战略与实现车间生产敏捷化的一种重要的技术手段。从我国当下半导体制造行业信息化系统应用发展现状来看，ERP管理系统与现场自动化系统是半导体制造行业信息化系统应用的两大重点，然而随着市场竞争加剧，半导体制造行业竞争逐渐已以产品为导向转变为以市场为导向，仅仅依靠上述两种系统已经难以获得核心竞争优势，而EMS系统的出现则有效弥补了这一缺陷，在该系统的帮助下，能够为半导体制造企业提供一个更为精细化、弹性化的制造生产环境，能够很好的充当制造生产计划层与现场自动化系统之间的桥梁，负责车间生产管理与调度执行。更为重要的是，EMS系统能够将生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析以及网络报表管理等功能统一集成在一个平台之上，通过依靠互联网络与数据库，能够同时为企业多个部门提供车间管理信息服务，从而实现半导体制造过程的整体优化，帮助半导体制造企业完成闭环生产，有效提升半导体制造生产自动化信息水平。
2.基于PDA的移动MES系统的提出
PDA即是掌上电脑，主要包括两种展现形式，一是工业级掌上电脑，比如常见的有RFID读写器、条形码扫描器等，二是消费品掌上电脑，该内容包含更多，比如生活中常见的智能手机、平板电脑等都属于消费品掌上电脑。在MES 系统中引入工业级掌上电脑，已是当下智能制造的一个新的发展趋势，在半导体制造过程中，通过进行扫码来完成产品拣配、产品收发货等操作，可以有效降低人为出错率，提升制造生产效率。
MES系统在半导体制造中传统应用，一般都是依托于有线局域网络，在执行在线操作时，需要通过台式电脑完成。但这种传统操作方式存在以下弊端，一是容易帐料不符，在实际生产过程中，由于生产车间内设备较为复杂，受空间限制，台式电脑数量一般不会太多，不可能人手一台，因此会出现多人等待使用同一台电脑的现象，很容易造成批次过账不及时问题。当某批次产品已经完成生产后，需要及时将该批次信息通过电脑转入MES系统之中，然而由于批次过账不及时，很容易造成批次混乱，对生产制造管理造成不利影响。二是作业效率低下，通常情况下，车间内台式电脑均会固定在某一位置，并且与生产作业机台着一定的距离，每完成一批产品生产后，需要工作人员通过电脑完成批次信息转入，每次转入时，还需要重新切换账户，再加上系统运转时因网络波动等问题会出现一定延时，而工作人员也需要在生产机台与电脑至今频繁走动，从而对最终生产效率造成不利影响。以某车间半导体制造光刻导轨为例，该车间共有51台设备，每天生产3200批次产品，每生产一批需要在机台与电脑之间来回移动2次，那么需要移动6400次，以每天22人计算，人均移动290次，从而对作业效率造成严重的影响。三是批次输入很容易出错。一般工作人员在生产过程中会佩戴后者的防尘服与防尘手套，在实际进行手动输入时批次号时，很容易面临输错的风险，从而对整体生产造成不利影响。
通过上述分析我们可以认识到，MES系统在半导体制造中的传统应用之所以出现上述弊端问题，主要是因为受限于互联网络不足，只能够采用有线网络进行系统间通信连接，究其原因在于，2G、4G 无线网络会对生产机台通信造成干扰，并且网络信号传输较差，难以真正胜任掌上电脑之间的通信传输，因此无法将掌上电脑融入MES系统之中，实现能够移动的EMS系统建设。而5G无线网络的出现，则使得掌上电脑融合MES系统成为了可能，相对于4G无线网络，5G无线网络在网络速度方面得到了质的提升，最高能够达到1Gbps，每秒可以传输约125MB信息内容，并且网络信号穿透性良好，不会对车间内生产机器设备造成干扰，从而为车间架设无线网络奠定了坚实的技术基础。与此同时，在工业级掌上电脑代表之一条码扫描枪之中，专门配置有Android系统，因此能够支持各种无线网络连接，只需要通过开发出相关AAP，并将APP安装进掌上电脑中，既可以成功替代台式电脑，实现车间内移动MES的智能化改造，在实际应用时更加方便快捷，实际操作效率更高，不再需要人工进行生产批次号手动输入，只需要用条码扫描枪扫描即可完成ERS系统的批次信息Track In（转入），可有效避免手工输错问题发生。
3.基于PDA的移动MES系统的设计与实现
通过上文叙述可知，掌上电脑中装有开源的Android系统，因此可以采用Java语言，完成专门的APP的开发。在具体开发方面，首先需要明确系统相关功能，比如用户管理功能、订单管理功能等。另一方面，还需要做好相关功能实现，比如针对服务器端功能实现，可以采用 Jersey + Spring + Hibernate 框架，相较于以往单一的Java Web 开发模式，这种方式不仅更容易实现，而且实际配置也比较简单，实现符合 MVC 模式的 Web 服务，具体框架如图一所示。在具体功能模块实现上，以订单管理模块中新建订单为例，来对服务端整个实现过程进行分析，相关订单生成流程具体可见图二。当生产人员完成产品选择后，点击确认，客户端会迅速响应，并发送rest 服务请求，随后调用响应 服务，容器按照Jersey 配置，寻找对应服务提供类 Order Service 的 query Orders 方法，然后获取 Order Dao 实例，接着调用query Orders 方法，在通过利用Hibernate 提供的数据库，来对query Orders 方法访问，并查询配置文件配置的数 据库，Hibernate 将数据根据 order.hbm 文件映射成 Order中生成订单数据。由此完成相应功能开发。
最终在完成整个APP开发后，将其装入掌上电脑之中，同时在电脑中引入5G无线网络，即可实现掌上电脑与以图形方式显示的计算机操作系统（以下简称GUI系统，该系统是EMS系统的核心）的数据互通，为保障掌上电脑能够GUI系统真正融合在一起，不会影响系统自身使用，可以选择采用Http Client方式，完成与GUI数据传递。通过利用POST方式，完成参数传递，在GUI接受到参数后，会获得XML格式的数据文件，通过将该文件进行解析，在类似爬虫技术的帮助下，获得所需的数据信息，并直接显示在掌上电脑界面中，供用户直接浏览，GUI系统也会完成相应数据的保存。移动MES的人机界面交互流程具体如图三所示。
图一：移动MES的人机界面交互流程
移动MES系统各项操作分析：一是在执行半导体生产频次信息Track In（转入）操作时，需要通过掌上移动电脑输入设备ID、批次号信息，从服务器中获得相关根据输入的设备ID号，然后点击“Track In”按钮，完成转入操作，服务器会自动记录转入的批次信息，并将其保存至数据库之中。
二是 在执行Track Out操作时，可通过掌上电脑输入半导体生产批次号信息，并点击“Track Out”按钮，后进行“Track Out”操作，相关操作结果也会自动录入系统数据库之中。
三是在执行批次查询操作时，可通过掌上电脑输入半导体生产批次号信息，服务器会根据输入的信息，自动显示该批次号详细的信息，比如产品种类，产品生产步骤等信息。
四是在执行机台状态修改操作时，通过输入想要修高的机台设备ID，服务器会根据设备ID，调取该机台的状态信息，包括Location、设备类别、设备状态等信息，工作人员可以从设备状态的下拉菜单中，完成修改状态选择，然后点击“修改”按钮，即可完成设备状态的自动修改，相关操作信息及操作结果也会被记录进系统数据库中。
4.移动MES实际应用与应用效益分析
以某半导体生产净化间为例，通过进行5G无线网络铺设，并在净化间内设置了20个AP接入点，确保净化间中间层99%区域都能够得到5G无线网络覆盖。应注意，无线AP接入点不包括净化间上下夹层，若无线AP接入点指示灯为绿色，则说明表示接入点运行正常，而有无设备接入后，指示灯由绿色变为蓝色。在实际生产过程中，工作人员可以人手一台掌上移动电脑，利用自己的工好通过掌上移动电脑登入GUI系统之中，并结合生产实际，直接通过掌上电脑完成Track In/Out操作，不需要再来回往返于机台与台式电脑之间，可有效提升生产效率。
在应用效益方面，一是使得工作人员的生产工作方式得到了有效得优化，仍以半导体生产光刻导轨车间为例，通过在EMS系统中融入了掌上电脑，使得轨岗位的标准作业时间得到了有效的缩减，具体缩减时间为30秒，车间岗位人力配置平均得到了有效的活化，活化数值为0.4人。从综合评估结果来看，原先一车间完成作业生产需要人力配置为2.8人，如今相同的作业量只需要2.4即可完成，从而可以有效降低作业生产人力需求，节约企业人力资源成本。
二是使得半导体生产质量风险得到了有效的降低。某企业在进行半导体生产过程中，在涂胶岗位，出现了如下生产风险事故，某批次产品本该进行作业涂胶，结果由于工作人员疏忽，将该批次产品误加到了显影设备机台上，直接做了显影菜单，最终引发修通PCM参数异常，导致整批半导体产品报废。事后通过调查得知，由于该工作人员为图省事，推车上Track in批次较多，导致需要涂胶与需要显影产品批次出现了混乱，再加上没有及时做好核对，最终导致本该涂胶的产品被推上显影的机台，引发产品生产质量风险事故。而通过引入移动MES系统，工作人员通可直接通过掌上电脑进行操作，操作简便，能够实现快速过账与实时配料，防止出现人工失误，降低生产质量风险发生概率。
5.总结
综上所述，在智能制造技术与5G技术飞速发展的当下，为半导体制造行业进行EMS系统优化改造提供了良好的技术支持，通过在EMS系统中融入掌上电脑，使其变移动EMS系统，能够促使系统作用价值得到更加充分的发挥，有效提升半导体制造生产效率，推动半导体制造产业实现更好的发展。
参考文献：
[1]黄小兰. TI成都公司MES系统的整合设计与实现[D]. 电子科技大学，2013.
[2]面向智能制造的MES移动管理系统设计与实现[D]. 南京理工大学，2017.
[3]半导体硅片企业MES系统研究与应用[D]. 上海交通大学，2015.
论文作者:蔡轲
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/9
标签：系统论文; 半导体论文; 掌上电脑论文; 机台论文; 操作论文; 车间论文; 作业论文; 《防护工程》2019年10期论文;