半导体制造业MES中的生产计划调度研究

0 引言

    随着微电子工业在中国的高速发展，市场竞争日益激烈，产品类型和客户订单日趋多样化，要赢得市场就必须全面提高企业的生产效率(E)、产品质量(Q).缩短制造周期(T)和降低生产成本(C)。制造执行系统作为现代集成制造系统CIMS的关键，在企业资源计划ERP层和过程控制系统PCS层中间，起到承上启下的核心作用，是生产活动和管理活动信息的桥梁。

    MES是面向车间级的先进生产管理系统，生产计划调度是其核心功能。MES中的计划调度系统，对应于生产管理的短期计划安排，主要进行资源优化和计划编排，并为计划的执行和控制提供指导。它位于上层计划管理系统与车间层操作控制之间，通过双向的信息交互形式，为生产计划和车间层控制提供关键基础信息。好的生产调度能够预先处理生产中的扰动，缩短产品在车间的流动时间，减少在制品库存，保证准时交货。

1 半导体生产线制造执行系统

    半导体生产线(semi-conductor manufacturing process)是目前制造业资金最密集、工艺最复杂、优化调度最困难的生产过程之一。半导体制造业生产计划与调度有其特殊性:

    ①半导体生产工艺流程从原料(单晶硅)到最终产品(芯片)产出，整个加工过程既有物理变化又有化学变化，它对温度、环境清洁程度均有严格要求，同时还有随机性重做(rework)和半成品报废的问题，这对生产管理带来了很大困难。

    ②半导体生产的关键是保证生产平稳、最大限度地发挥瓶颈设备的能力，主生产计划应着重考虑这一目标。

    ③在制品(WIP)的生产时间在过程中的地位非常重要。WIP在库存停留的时间越久越容易被空气污染，产品质量会降低，而库存费用也大大增加。

    ④半导体生产工艺流程包括晶圆制作、晶圆探测、晶圆装配、封装，以及终端产品检测，有很强的阶段性，有时也有多个工艺路线并存。生产中既有Flow shop问题，又有Job shop问题。

    半导体生产线规划调度问题的研究始于20世纪80年代，迄今为止提出了很多方法。主要包括以下三种方法:

    ①基于分派形式的投料控制方法。它是保证系统平稳生产的重要前提，对投料合理控制将为后续优化调度提供重要保证，达到提高设备产量和设备利用率、增加系统产出的目的。在半导体制造系统中，不同策略会产生差距很大的系统均衡性、生产率、WIP水平和制造周期。
②最优化方法。建立问题的数学模型，并采用整数规划、拉格朗日松弛等方法进行优化调度求解。然而传统的规划调度往往将规划层与控制层分开优化设计，使得计划往往跟不上变化。

    ③智能方法。将管理人员和运行人员的经验组成一个专家系统，指导生产计划和调度，或采用神经网络等智能方法对已有经验进行学习训练，以获得更高智能的计划调度安排。

    MES强调整个生产过程的优化。它需要收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理，同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。国际MES协会定义MES为:能通过信息传递从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时作出反应报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。MES在其中起到信息集线器的作用，它相当于一个通信工具为其它应用系统提供生产现场的实时数据。MES在企业生产管理中的数据流如图1所示：

图1 MES在企业中数据流
Fig.1 Data flow of MES in one enterprise

2 生产计划调度系统

    MES包括11个功能模块，其中生产规划调度是其核心功能。它主要包括生产计划生成、作业计划生成和拟实调度3个主要部分，如图2所示。

图2  MES 中 生 产 计 划 调 度 系统
Fig .2 Productive planning and scheduling system in MES