液晶面板制造業(yè)中制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

翟軍華，蘇 通

（合肥京東方光電科技有限公司，安徽 合肥230011）

1 引 言

制造企業(yè)不同程度地進(jìn)行了企業(yè)信息化管理，提高制造過程中自動化能力，減少人力參與企業(yè)生產(chǎn)過程是一種必然趨勢［1］。液晶面板有著多品種、小批量，同時(shí)又需要按訂單設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的特點(diǎn)。顯示技術(shù)的多樣性和快速化發(fā)展，導(dǎo)致工序加工的繁冗復(fù)雜和多變，減少人員現(xiàn)場操作，實(shí)現(xiàn)信息流連續(xù)暢通的傳輸，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)制造周期是液晶面板企業(yè)發(fā)展的必然要求。研究和構(gòu)建一種高效的制造執(zhí)行系統(tǒng)，是制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)敏捷化制造，提高其市場競爭力的重要手段［2－3］。

2 制造執(zhí)行系統(tǒng)

制造 執(zhí) 行 系 統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是由美國先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)90年代提出的。MES作為制造企業(yè)資源計(jì)劃層與底層控制層之間的執(zhí)行層，其強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行和控制，通過MES 把上層計(jì)劃層與底層生產(chǎn)現(xiàn)場有機(jī)地集成起來［4－5］。

液晶面板的制造活動是一種典型的離散工業(yè)生產(chǎn)過程，其具有生產(chǎn)過程并行，設(shè)備冗余度大，控制信息相互關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)資源管理復(fù)雜等特性［6］。按照液晶面板的MES架構(gòu)，可以將其分為以下4個(gè)環(huán)節(jié)：①上層計(jì)劃層的計(jì)劃通過人員進(jìn)行柔性制定；②利用射頻識別技術(shù)對現(xiàn)場物流的自動搬送；③收集現(xiàn)場制品檢查結(jié)果形成制品品質(zhì)判定；④利用通信軟件將制品出貨到下一個(gè)主工序。

3 物料搬送模塊

射頻 識 別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信息自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。一個(gè)典型的RFID 系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽、讀寫器、天線和應(yīng)用軟件系統(tǒng)4部分構(gòu)成［7－8］。

物料自動供給是自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過程中重要的環(huán)節(jié)。由于制品的一些特殊性，直接采用人工與設(shè)備相結(jié)合的搬送方式，易導(dǎo)致制品的不良和要料的誤供給。采用在卡匣（制品裝載裝置）設(shè)置射頻標(biāo)簽來存儲卡匣中制品信息，結(jié)合AGV（自動有軌小車）、Stocker（自動化立體倉庫）和RFID 的讀寫器，MES輕易地實(shí)現(xiàn)了物料的自動搬送。

將射頻標(biāo)簽固定在各個(gè)卡匣中，在各個(gè)Line（加工生產(chǎn)線）的Loader（面板取出裝置）和Unloader（面板裝載裝置）將RFID 的讀寫器固定在Loader和Unloader合適的位置上。通過讀寫器和射頻標(biāo)簽來讀取或者寫入相應(yīng)卡匣中的制品信息，從而有效地控制制品在加工生產(chǎn)線中的流動，增加了對制品生產(chǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管控。其加工生產(chǎn)線控制方式如圖1所示。

圖1 加工生產(chǎn)線控制示意圖Fig.1 Line control chart

操作員在計(jì)劃制定終端電腦（計(jì)劃PC）上選中需要加工的卡匣制作成生產(chǎn)計(jì)劃，計(jì)劃PC 通過程序中SQL語句將計(jì)劃信息更新到制造執(zhí)行系統(tǒng)中相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。Line PC 利用在數(shù)據(jù)庫中檢索相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格內(nèi)信息（即生產(chǎn)計(jì)劃）并保存到本地Line PC的數(shù)據(jù)庫中。

Line PC按照生產(chǎn)計(jì)劃的定制時(shí)間對各個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)先級排序。并通過NET－G 通信協(xié)議將生產(chǎn)計(jì)劃依次傳遞到設(shè)備的PLC 中。生產(chǎn)計(jì)劃信息包括：素材制品的批次號、即將加工的Line名等。其中批次號中包含了制品的加工類型，各設(shè)備根據(jù)加工類型在本設(shè)備存儲中選擇相應(yīng)的加工recipe。

Loader接收到生產(chǎn)計(jì)劃信息后，通過PLC將信息傳遞給Stocker控制PC，Stocker控制PC按照各個(gè)Line的Loader請求素材信息中的批次號和即將加工的Line 名在Stocker控制服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中查找相關(guān)表格記錄，找到素材卡匣在Stocker的貨架位置，并生成相應(yīng)的搬送命令。

卡匣被搬送到相應(yīng)Loader后，由Loader上的無線射頻讀寫器讀取卡匣射頻標(biāo)簽。射頻標(biāo)簽中存儲了此卡匣在上一個(gè)Line加工后的批次號和即將投入的Line名。視頻標(biāo)簽的信息被讀取后，Loader將生產(chǎn)計(jì)劃中素材卡匣信息與讀取信息進(jìn)行對比，檢查卡匣搬送正確與否。若一致，則允許投入，否則，在Loader設(shè)備上提示搬送錯(cuò)誤。

制品在本加工生產(chǎn)線加工完成后，在Unloader存放空的卡匣裝載制品，裝載完畢后，由Unloader的無線射頻讀寫器將當(dāng)前制品的批次號和即將投入的Line 名等信息寫入到卡匣的射頻標(biāo)簽中。寫入完畢后，Unloader將寫入信息傳遞給Line PC并向自動化立體倉庫發(fā)送搬出請求。

Stocker接收卡匣后，將本Stocker內(nèi)的卡匣信息形成文本格式文件以文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）上傳到制造執(zhí)行系統(tǒng)中的文件服務(wù)器上，文件服務(wù)器將卡匣信息登錄到數(shù)據(jù)庫中，供其他客戶端查詢或者定制計(jì)劃。

4 制品品質(zhì)管理模塊

液晶面板在加工過程中，會產(chǎn)生很多不良品。根據(jù)不良的分類，某些制品可以通過修復(fù)裝置對制品進(jìn)行修改，從而改變制品的判定。某些制品由于缺陷非常嚴(yán)重，無法修復(fù)，需要對這些制品進(jìn)行及時(shí)分揀處理，以便盡早跳過后續(xù)工序，節(jié)省生產(chǎn)資材。其模型如圖2所示。

制品在工藝設(shè)備中加工完，需要利用檢查設(shè)備對制品的加工結(jié)果進(jìn)行檢查，檢查設(shè)備針對制品中的缺陷種類、大小以及位置對制品形成一定的判定結(jié)果，之后檢查設(shè)備以制品ID 為文件名，按照約定的文件內(nèi)容將檢查信息形成txt文件以FTP協(xié)議形式上傳到文件服務(wù)器中，文件服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫登陸軟件利用SQL 語句將檢查信息登陸到數(shù)據(jù)庫中。

制品經(jīng)過修復(fù)設(shè)備時(shí)，修復(fù)設(shè)備讀取制品ID，并將ID 傳輸給Line PC，Line PC 利用SQL語句在數(shù)據(jù)庫中相關(guān)表格中查詢此制品的品質(zhì)信息，Line PC及時(shí)將品質(zhì)信息反饋到修復(fù)設(shè)備，來決定此制品是否需要修復(fù)。

圖2 品質(zhì)管理系統(tǒng)模型Fig.2 Model of quality management system

制品流到Unloader時(shí)，Unloader讀取制品ID 后，及時(shí)將ID 傳遞給Line PC，Line PC 根據(jù)制品ID 查找到相關(guān)品質(zhì)信息，并將品質(zhì)信息反饋到Unloader，從而在Unloader實(shí)現(xiàn)制品的OK／NG 的分裝，減少NG 制品向下一個(gè)工序流動。

5 制品出貨管理模塊

制品根據(jù)品質(zhì)管理系統(tǒng)的最終品質(zhì)信息，完成各種品質(zhì)等級的分裝。在制品分裝的過程中，將卡匣內(nèi)的制品信息通過XML 的格式發(fā)送到下一個(gè)主工序的MES中。同時(shí)為了便于下游工序?qū)χ破返钠焚|(zhì)管理，出貨管理系統(tǒng)從品質(zhì)數(shù)據(jù)庫中抓取重要的品質(zhì)信息形成文本文件，傳輸?shù)綄Ψ降姆?wù)器上，保證了制品搬送動作與信息的同步。其模型如圖3所示。

液晶面板在加工完本工序中所有子工序后，流入到基板Stocker中。在基板Stocker中按照制品的判定等級（OK／NG）將制品邏輯上分為不同的組。當(dāng)制品在基板Stocker中積累到一定數(shù)量時(shí)，通過機(jī)械手臂分別裝在不同的卡匣中，每裝載一枚制品時(shí)，將根據(jù)制品ID 在數(shù)據(jù)庫中查找制品的相關(guān)判定信息。以一個(gè)卡匣內(nèi)所有制品信息形成一個(gè)XML文件，再將卡匣搬送到Stocker內(nèi)時(shí)，將此XML 文件通過Tibco通信軟件傳遞到下一個(gè)工序（CELL）CIMS的服務(wù)器。

圖3 出貨管理系統(tǒng)模型Fig.3 Model of shipping management system

為了CELL 工序準(zhǔn)確地掌握制品中詳細(xì)的缺陷信息，以制品ID 為單位，將缺陷的種類、大小、坐標(biāo)等信息整合為一個(gè)文本文件，通過FTP協(xié)議傳輸?shù)紺ELL CIMS的相關(guān)服務(wù)器中。

6 對比結(jié)果

該系統(tǒng)在2011年7月上線以來，相對于之前系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定性和對液晶面板生產(chǎn)良率上都得到了有效提高，表1對新舊系統(tǒng)進(jìn)行了評價(jià)。

表1為某公司2010 年和2011 年8 月至12月實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表，從系統(tǒng)的發(fā)生故障時(shí)間和制品良率兩個(gè)方向進(jìn)行比較，由于舊系統(tǒng)的軟硬件集成化低，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)增加，新系統(tǒng)上線后，使得其故障降低了0.6%。另外由于將制品品質(zhì)信息與生產(chǎn)控制相結(jié)合，最大限度地減少了大批量不良品的流出，將制品良率提高了1.6%。

表1 性能評價(jià)Tab.1 Performance evaluation

7 結(jié) 論

在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，提出另一種液晶面板制造執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)中物料自動供給模塊結(jié)合了射頻識別技術(shù)，減少了數(shù)據(jù)的處理環(huán)節(jié)。針對制品品質(zhì)管控環(huán)節(jié)采用了品質(zhì)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)同步原則，使得品質(zhì)異常在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)，使得產(chǎn)品的良率從76.5%提高到78.1%。由于減少了硬件的部署和提高了軟件耦合度，使得整個(gè)系統(tǒng)的稼動率提高了0.6%。此外為了保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化和業(yè)務(wù)集成化，該系統(tǒng)開發(fā)出具有采用B／S架構(gòu)WEB 訪問的報(bào)告系統(tǒng)、對品質(zhì)信息進(jìn)行分析的過程控制系統(tǒng)等。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)是一個(gè)較穩(wěn)定、完備的自動化控制系統(tǒng)。

［1］ 周軍，趙長友，劉占強(qiáng)，等.煙絲原料立體倉庫堆垛機(jī)出入庫作業(yè)優(yōu)化研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2009，15（4）：772－776.Zhou J，Zhao C Y，Liu Z Q，et al.Operation optimization of storage and retrieval for stackers in AS／RS of raw tobacco material［J］.Computer Integrated Manufacturing System，2009，15（4）：772－776.（in Chinese）

［2］ 郝廣科，何衛(wèi)平，閆慧，等.模型驅(qū)動的制造執(zhí)行系統(tǒng)可重構(gòu)方法［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16（3）：1027－1032.Hao G K，He W P，Yan H，et al.Model－driven reconfiguration method of manufacturing execution system ［J］.Computer Integrated Manufacturing System，2010，16（3）：1027－1032.（in Chinese）

［3］ 張興，鄭成武，李寧，等.液晶材料與3D 顯示［J］.液晶與顯示，2012，27（4）：449－458.Zhang X，Zheng C W，Li N，et al.Liquid crystal materials and 3Ddisplay［J］.Chinese Joural of Liquid Crystal and Display，2012，27（4）：449－458.（in Chinese）

［4］ 肖力墉，蘇宏業(yè)，苗宇，等.制造執(zhí)行系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)［J］.化工學(xué)報(bào)，2010，61（2）：654－664.Xiao L Y，Su H Y，Miao Y，et al.Functional architecture of manufacturing execution system［J］.CIESC Journal，2010，61（2）：654－664.（in Chinese）

［5］ 湯洪濤，吳穎晶，魯建廈.基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的制造執(zhí)行系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析［J］.中國機(jī)械工程，2011，22（13）：1487－1492.Tang H T，Wu Y J，Lu J X.State－of－the－art of research on manufacturing executing system based on bibliometrics［J］.China Mechanical Engineering，2011，22（13）：1487－1492.（in Chinese）

［6］ 王琦，王金娥.基于OMRON CLK 技術(shù)液晶面板生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2012，29（1）：112－115.Wang Q，Wang J E.LCD production equipment monitoring system based on OMRON CLK network technology［J］.Journal of Mechanical and Eletrical Engineering，2012，29（1）：521－524.（in Chinese）

［7］ 劉衛(wèi)寧，黃文雷，孫棣華，等.基于射頻識別的離散制造業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，13（10）：1886－1890.Liu W N，Huang W L，Sun L H，et al.Design and implementation of discrete manufacturing industry MES based on RFID［J］.Computer Integrated Manufacturing System，2007，13（10）：1886－1890.（in Chinese）

［8］ 孫彥景，丁曉慧，于滿，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011，48（z2）：758－764.Sun Y J，Ding X H，Yu M，et al.Research and design of agriculture informatization system based on IOT ［J］.Computer Research and Development，2011，48（z2）：758－764.（in Chinese）