TFTLCD G5玻璃基板制造执行系统的设计与实现.docx

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TFTLCDG5玻璃基板制造执行系统的设计与实现

摘要

在当今激烈竞争的市场环境下，TFT-LCDG5（ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplayGeneration5）玻璃基板制造业已开始采用将制造技术与信息技术、自动化技术、现代管理技术和系统科学有机结合的新一代先进制造技术。

TFT-LCDG5玻璃基板制造流程的复杂性和专业性使其生产管理成为最具挑战的课题。

制造执行系统（MES）是面向车间制造过程的集成化生产管理与控制系统，在生产计划的组织与调度、生产过程的控制与改进、下达指令与收集实时生产数据等方面起着越来越重要的作用。

MES在国内已广泛应用于化工、制药、汽车等制造业，而在TFT-LCDG5玻璃基板制造领域却未见应用报道。

本文作者主要根据玻璃基板制造流程特点以及多年的生产经验，在基于统一的软件和硬件系统平台之上，利用制造车间各功能站的PC（Personal Computer）/PLC（Programmable -Logic Controller）/HMI（HumanMachineInterface）及其他组件，并结合Oracle数据库技术和工业以太网技术，设计一个能够覆盖整个企业、满足闭环生产的MES系统，该系统设计融合精益生产和敏捷制造的企业理念，包含如下七大功能模块：

品质管理模块、生产监控模块、生产报表管理模块、条形码管理模块、库存管理模块、备品备件管理模块、系统管理模块，七个模块之间相互支撑又各自独立，可满足不同用户有针对性的选择和使用。

本系统能够对玻璃基板的生产制造过程进行规范化、科学化的管理和实时监控，能够及时发现生产过程中出现的不正常的不良因素，防止了生产、质量事故的发生，科学合理控制了生产过程的质量，从而较大的程度提升生产质量的可控性和稳定性。

通过MES系统的设计与使用，改变了传统电子玻璃生产制造的技术落后的局面，提升了TFT-LCD行业关键材料玻璃基板制造的自动化水平及产能，为完善民族产业生产链条打下基础。

此文研究内容加快了MES系统在液晶玻璃基板行业的应用，推动了企业整个信息化发展速度，在提高TFT-LCD玻璃基板行业的整个管理水平方面具有重要的指导意义。

通过本论文所设计的MES在TFT-LCDG5玻璃基板制造企业得到应用表明：

该系统不但达到生产数据的实时采集、实时监控、实时处理等预期目标，而且有效提升TFT-LCD玻璃基板企业生产管理水平。

本文使用35副图、12个表及参考文献42篇。

关键词：

MES系统；玻璃基板；功能分析；管理模块；SQLserver

中图分类号：

TP311.5

ABSTRACT

Intoday'shighlycompetitivemarketenvironment,anewgenerationofadvancedmanufacturingtechnology,whichisthecombinationofmanufacturingtechnologyandinformationtechnology,automationtechnology,modernmanagementtechnologyandsystemscience,hasbeenadoptedinTFT-LCDG5glasssubstratemanufacturingindustry.TheproductionmanagementofTFT-LCDG5glasssubstratemanufacturingisamongthemostcomplexandchallengingproductionproblemsencounteredtoday.ManufacturingExecutionSystem（MES）isanintegratedinformationsystemforproductionmanagementandproductioncontrolforworkshop.Intheprocessoftheorganizinganddispatchingofplan,thecontrollingandimprovingofproductionprocess,issuingtheinstruction,thecollectingreal-timeproductiondate,etc.,anincreasinglyimportantroleisplayedbytheMES.TheMEShasbeenwidelyusedinchemicalindustry,pharmaceutical,automotiveandothermanufacturingindustriesinChina,whilethereportaboutMESusedintheTFT-LCDG5glasssubstratemanufacturingfieldhasnotbeenobserved.

Inthispaper,theauthormainlybasedontheglasssubstratemanufacturingprocesscharacteristicsandyearsofproductionexperience,basedontheunifiedsoftwareandhardwareplatform,theMESwhichmettheneedofclosed-loopproductionmanagementwasdesignedbyusingthePC/PLC/HMIasthemaincomponentofthefunctionalstationintheworkshop，theOraclelargerelationaldatabasetechnologyandindustrialEthernetnetworkwhichcoveredthewholeplant.Inordertoreflectthethinkingofleanproductionandagilemanufacturing,theMES’ssoftwarewasdividedintothefollowingsevenfunctionalmodules:

qualitycontrolfunction,productionmonitoringfunction,productionreportmanagement,bar-codemanagement,warehousemanagement,sparesmanagementandsystemmanagement.Andthesefunctionscanbeusedindependentlyorinseries.

Thissystemcanregulatetheproductionprocessofglasssubstrate,scientificmanagementandreal-timemonitoring,andabnormalbadfactorsintheproductionprocesscanbefoundintime.Productionandqualityaccidentswereprevented.Thequalityoftheproductionprocesscanbecontrolledscientificallyandreasonably.So,thecontrollabilityandstabilityofthequalityoftheproductioncanbeimprovedgreatly.

ThisMESsystemwasdesignedandapplied,thetechnologicalbackwardnessofthetraditionalelectronicglassproductiontechnologyhasbeenchanged,andtheautomationlevelandcapacityoftheglasssubstratemanufacturingofkeymaterialsintheTFT-LCDindustryhavebeenpromoted,thefoundationofthenationalindustrialproductionchainwasimproved.Thecontentofthisresearch，theapplicationofMESsysteminliquidcrystalglasssubstrateindustryhasbeenaccelerated,enterpriseinformationdevelopmentspeedhasbeenpromoted.InimprovingthemanagementlevelofTFT-LCDglasssubstrateindustryhasimportantguidingsignificance.

TheapplicationoftheMESdesignedinthisthesiswascarriedoutinTFT-LCDG5glasssubstratemanufactureenterprise.Theresultindicatedthattheintendedfunctionssuchasreal-timedataacquisition,real-timemonitoring,andreal-timeprocessingoftheMESwereachievedeffectively,andthemanagementleveloftheTFT-LCDG5glasssubstratemanufactureenterprisewasimprovedeffectively.Thereare35diagramsand12sheetsand42referencedocumentationsinthisthesis.

KEYWORDS:

ManufacturingExecutionSystem;Glasssubstrate;Functionalanalysis;Managementmodule;SQLserver.

CHINESE LIBRARY CLASSIFICATION:

TP311.5

序言

郑州旭飞光电科技有限公司由东旭集团、河南省国有资产经营有限公司、郑州投资控股有限公司共同出资成立，东旭集团控股。

主要从事平板显示无碱玻璃基板的研发、制造与销售。

为了提高生产效率和质量，对玻璃基板的生产过程采用了MES的自动化控制，本文就以此为研究对象，研究面向TFT-LCDG5玻璃基板制造过程的制造执行系统（MES）的设计与实现。

新构建的MES必须立足于同一套软件和硬件系统，企业内部各生产部门的功能站必须用专业的工业PC/PLC/HMI，在收集各个生产工序单位的信息并加以反馈、处理的基础上，构建一个能够覆盖整个企业的、能够满足企业流水线需要的安全网络。

同时以MES数据库为基础，对生产线的即时信息进行收集并加以分析、对比，以掌握整个流水线的第一手资料，实现对流水线的监控。

本系统的设计立足于数据库技术上，能够简便、快捷的对整条流水线的数据进行监控，并自动生成各种报表，并反馈到网络上，便于用户随时查询并给予适时调整，稳定生产。

系统实现后，经过测试，发现该系统提升了订单响应能力，提升了生产调度指挥协调能力，提升了质量稳定性，提升了成本控制能力，而且此软件架构设计保证了系统良好的扩展功能。

1引言

1.1研究背景与根据

21世纪是信息化得到飞速发展的世纪，在各种新技术的推动下，人类开始进入智能、高效发展的新纪元。

TFT-LCD（ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay，薄膜晶体管液晶显示器）产业是当今电子信息产业中的重要组成部分，作为新兴高新技术产业，其以高亮度、高解析度、低能耗、寿命长、体积小、重量轻、技术相对成熟、性能稳定、节能环保等优势，已逐步取代传统CRT（CathodeRayTube，阴极射线管）显示，并在液晶电视、平板电脑、智能手机、数码设备、车载导航等领域得到主流应用[1]。

TFT-LCD玻璃基板作为TFT-LCD面板关键上游材料，在TFT-LCD面板结构中主要用作薄膜晶体管阵列基板（TFTArrayBackplane）和彩色滤光片（ColorFilter，CF）基板。

因TFT-LCD玻璃基板产业具有高科技、高投入、高收益等特点，其制造技术和市场供应长期掌握和垄断在美国康宁股份有限公司（CorningIncorporated），日本旭硝子（AsahiGlassCompany，AGC），日本电气硝子（NipponElectricGlass，NEG），美日合资公司安翰视特（AvanStrate）等四家国际大公司手中[2]。

目前国内外的大型跨国公司面临的市场需求都是变化多端的，为了在这种多变的市场环境中获得丁点优势，各个公司大多会根据企业自身特点选择相适应的MES系统，该系统以计算机网络、大型数据库等IT（InformationTechnology，信息技术）和先进的通讯技术为依托[3]，在企业资源计划层（EnterpriseResourcePlanning，ERP）与现场设备控制层（FieldControlSystem，FCS）之间建立集生产过程管理、产品跟踪、质量管理、报表管理、备品备件消耗品管理等功能于一体的实时信息交换集成平台，从而实现企业制造过程的整体优化和完整的闭环生产。

我国TFT-LCD玻璃基板行业起步较晚，生产管理控制经验水平不尽完善成熟，而且在技术领域又受海外该行业大公司的垄断封锁，那么依据该产品制造过程精密复杂，市场竞争复杂多变的特点，研究开发一套针对TFT-LCD玻璃基板制造特点适合自身企业发展的MES设计与应用，对提升企业生产管控水平，实现企业敏捷生产、精益制造意义重大。

1.2研究目的意义

针对TFT-LCD玻璃基板制程特点，研究开发一套基于统一软硬件平台的分布式MES系统设计，使系统具备品质管控、生产表格管控、流水线监控、条形码管控、仓储库存监控、系统管理等功能；通过该系统的实现应用，可在系统内同时提供整条生产流水线包括生产、销售、物流、仓储部分需要的即时数据和信息，实现TFT-LCD玻璃基板企业管控水平整体优化，提高生产良率水平，提高产品质量品质异常分析、对策、解决、反馈能力，提高设备开机率、降低损耗，提高企业管理者决策反应速度，最终达到提升企业效益和整体竞争力。

1.3研究内容

本课题面向TFT-LCD玻璃基板制造过程特点，设计并实现一个基于统一软硬件平台的分布式MES系统：

采用何种软件语言及框架与Oracle大型关系型数据库技术，企业内部的生产部门的功能站必须用专业的工业PC/PLC/HMI，在收集各个生产单位的信息并加以反馈的基础上，构建一个能够覆盖整个企业的、能够满足企业流水线需要的网络[4]。

同时以MES数据库为基础，对生产线的即时信息进行收集并加以对比，以掌握整个流水线的第一手资料，实现对流水线的监控；流水线上的其他功能站通过网络操作MES服务器，并且也可以通过其他手段查询MES服务器中的各项数据、表格以及信息等等，在这个的基础上，组合成具有品质管控、生产表格管控、流水线监控、条形码管控、库存监控、系统管理等功能于一体，可在系统内同时提供整条生产流水线包括生产、销售、物流部分需要的即时数据和信息于TFT-LCD玻璃基板行业的MES系统。

1.4采取的研究方法、技术路线及研究难点

首先，针对TFT-LCD玻璃基板制造过程控制对MES系统的客户需求进行分析，内容包括功能性、非功能性的需求分析以及系统角色分析；

其次，根据上述MES系统需求分析，进行MES系统体系架构总体设计，包括通信、硬件架构、软件架构设计。

第三，根据MES系统总体设计，对各功能模块及子模块进行详细设计。

第四，通过MES系统设计，对TFT-LCD玻璃基板制造过程进行MES系统实现应用。

1.5国内外相关技术发展状况

TFT-LCD玻璃基板产业是一个典型的即需高投资又需高技术投入的产业，中国大陆TFT-LCD玻璃基板产业由于受到国外公司技术封锁和垄断。

2008年，陕西彩虹集团公司率先生产出我国第一片0.7mm厚5代TFT-LCD玻璃基板，实现对国外垄断技术打破，但因技术积淀薄弱、生产管理经验不足，始终未能达到量产产能。

2010年，郑州旭飞光电科技有限公司研制的5代TFT-LCD玻璃基板投产并成功量产，随即带动国内TFT-LCD显示产业迅速发展。

1.5.1TFT-LCD发展概况

1968年，美国RCA公司的G.H.Heilmeir等首次制成静态图像液晶显示器，这标志着液晶显示的诞生[5]。

随后，LCD显示产业发展步伐加快，先是日本、韩国、中国台湾的加入第4代LCD面板成熟制造，再到第5代LCD面板技术日趋完善，第6、7、8.5代面板技术的相继问世，LCD显示器已经进入了千家万户，成为了影像显示产品中的主流[6]。

中国大陆直至2009年，在国家相继出台一系列产业结构调整及电子信息产业振兴规划优惠扶持政策后，海内外企业开始在中国大陆设厂布局并竞相投产TFT-LCD面板生产线，TFT-LCD呈现爆发式增长态势，具体分布如下表1-1所示。

表1-1TFT-LCD面板分布表

Table1-1TFT-LCDpaneldistributiontable

面板公司

产品类型

投产时间

地域分布

京东方

G5

2005.5

北京亦庄

龙腾光电

G5

2006.6

江苏昆山

深超光电

G5.5

2009.1

深圳

京东方

G4.5

2009.10

成都

深天马

G4.5

2010.6

成都

中电熊猫

G6

2011.3

南京

京东方

G8.5

2011.6

北京

深圳华星

G8.5

2011.8

深圳

三星

G8.5

2013.10

苏州

京东方

G8.5

2013.12

合肥

LGDisplay

G8.5

2014.9

广州

京东方

G8.5

2015.3

重庆

中电熊猫

G8.5

2015.3

南京

深圳华星

G8.5

2015.4

深圳

由于TFT-LCD液晶显示技术具有耗电小、工作电压低、解析度高、无辐射、轻薄、便于携带、使用寿命长及全视角覆盖等优点，所以成为当前显示技术主流技术[7]。

根据IHSDisplaySearch研究显示，2014年所有FPD（FlatPanelDisplay）应用产品的显示面板出货面积增长了9%，达1亿6890万m2。

因此随着面板出货的快速增长，中国大陆对面板及玻璃基板的需求日益紧张。

总之，TFT-LCD显示一方面朝着高分辨率、超薄、窄边框、大尺寸方向发展，另一方面面板平均价格持续下降，由此必将引起对TFT-LCD玻璃基板订单种类、技术品质性能、交货周期、成本价格优势等提出更高要求。

1.5.2TFT-LCD玻璃基板产业技术发展状况

在显示行业，TFT-LCD玻璃基板又称素玻璃，是超薄、超平滑、超精细无碱硅酸铝电子玻璃，在TFT-LCD显示面板中分别作为薄膜晶体管阵列基板和彩色滤光片基板使用[8]。

他对TFT-LCD产品性能比如对比度、分辨率、占地面积等等有着密不可分的联系，它在面板组成里面的主要使用如图1-1。

图1-1TFT-LCD面板组成

Figure1-1TFT-LCDpanelstructure

TFT-LCD玻璃基板制造过程条件苛刻，物化性能要求高，必须能够适应各种特殊环境，例如高温和低温（热收缩率要小）、各种酸碱度（适应客户产线工艺），高画质要求必须要在无尘室中生产，因此制造工艺高度复杂[9]。

目前，中国TFT-LCD玻璃基板产业主要面临以下主要挑战。

（1）直接面向定单组织多品种、小批量生产，订单执行、交货周期缩短。

（2）产品技术要求不断提高，玻璃熔解规格，成型规格，加工规格等技术标准提高。

（3）质量异常事故分析、解决、反馈能力要求快速、有效。

（4）稳定销售的产品品质必须具备详细完整可查的产品生产档案。

（5）产品具有竞争力的成本定位，具有竞争力的成本定位是参与国际化市场竞争中生存的重要因素，这就要求必须提高生产良率、提高设备开机率、提高产量和降低损耗。

（6）完善符合国际体系要求的质量、环境、职业健康三大标准要求[10]。

1.5.3TFT-LCD玻璃基板制造流程简述

TFT-LCD玻璃基板制造生产工艺流程主要分为前工程和后工程两大部分，如图1-2所示。

图1-2TFT-LCD玻璃基板制造流程

Figure1-2TFT-LCDglasssubstratemanufacturingprocess

在前工程部分，玻璃混合料首先在窑炉内经高温熔解过程形成玻璃液，然后经数米长白金通道的温控调制过程流向马弗炉单元，经过在马弗炉成型单元定型、退火过程，最后形成尺寸、应力等品质符合要求的玻璃带，再经自动横切截断、搬载传输、自动称重、竖切去耳料、人工质检等过程而产出玻璃基板半成品。

后工程部分，玻璃基板半成品先后经过上片投入、四边精切、边部研磨、角部研磨、清洗洁净、自动检验、贴膜、包装等一系列连贯过程形成玻璃基板成品。

TFT-LCD玻璃基板制造过程特点如下：

（1）制程工艺复杂，每一功能环节均存在多个协同控制单元。

（2）制程工艺精密，自动化控制程度要求高。

（3）市场竞争异常激烈，产品制程要求柔性制造、精益制造，敏捷供应。

1.5.4MES发展状况

MES是美国AMR机构在1990年通过对当时大量企业进行调研的基础上提出的全新概念。

AMR在对企业进行调查时发现他们大多是采用ERP/MRPII（ManufacturingResourcePlanningⅡ，制造资源计划Ⅱ）为代表的企业管理软件，以SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition，数据采集与监视控制系统）、HMI（HumanMachineInterface，人机界面）为主要的质控系统，并以之为基础来控制整个操作流程，以及覆盖整个企业的MES软件系统构成[11]。

其三层的企业集成模型，如图1-3所示。

图1-3三层企业集成模型

Figure1-3Tierenterpriseintegrationmodel

MES系统在产品下单到产品成型的整个生产流水线过程中，都持续起着承前启后的信息传递作用。

当生产过程中的某个工序环节出现异常时，MES系统可以及时的进行监控，并加