（机械电子工程专业论文）基于petri网的生产调度系统的研究与实现.pdf

中文摘要 摘要 基于p e t r i 网的生产调度系统的研究与实现 研究生：梅军 指导老师：史金飞教授 学校：东南大学 生产调度是企业综合自动化的核心，特别是对于半导体封装生产企业。生产调度能有效整合企 业资源，降低企业成本，对企业经济和社会效益的提高起着举足轻重的作用。但是国内半导体封装 企业生产调度的现状并不能符合实际生产的需求，生产调度的实施也不太理想。 针对江苏长电科技股份有限公司分立器件封装分厂对生产调度的实际需求，研究开发了基于 l p e t r i 网的生产调度系统。 j 系统结合封装分厂目前的生产现状和生产调度的实际，在分析与了解半导体封装企业生产特点 的基础上，提出了t r 封装分厂生产调度系统的生产调度需求，设计出系统实现的软件架构和硬件 i 架构，根据设计的软硬件架构，提出了基于m i c r o s o f t n e tr e m o t i n g 框架的通信解决方案，系统采 用着色p e t r i 网对调度算法与生产线进行建模，并且给出了完整的生产调度系统模型。针对调度系统 对生产数据的实际要求，给出了系统的数据库概念设计、逻辑设计以及物理设计最后研究了系统 具体实现的相关技术，并给出了系统实现的步骤和功能。 随着论文所研究的基于p e t r i 网的半导体封装调度系统应用于江苏长电科技股份有限公司的半导 体封装生产，必将会提高公司的生产效率与自动化程度，为企业带来良好的经济效益。 关键词：生产调度、半导体封装、着色p e t r i 网、数据库设计 a b s t r a c t a b s t r a c t r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fp r o d u c t i o n s c h e d u l i n gs y s t e mb a s e do nt h ep e t r in e t s b y m e ij u n s u p e r v i s e db yp r o f s h ij i n f e i s o u t h e a s tu n i v e r s i t y p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi st h ef o c u so ft h ei n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e mi ne n t e r p r i s e , e s p e c i a l l yf o rt h e s e m i c o n d u c t o rp a c k a g i n gm a n u f a c t u r i n gp l a n t i tc a l lc o o r d i n a t et h er e s o u i c a ga n dr e d u c et h ep r o d u c t i o n c o s t w h a t sm o r e ，i tp l a y sac r u c i a lr o l ei nt h ee n t e r p r i s ef o rt h ee n h a n c e m e n to f e c o n o m i cb e n e f i t b u tt h e a c t u a l i t yo f p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g n tm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h ea c t u a lm a n u f a c t u r i n g ap r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e mb a s e do np e w in e t si ss t u d i e df o rj i a n g s uc h a n g j i a n ge l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yc o ，l t d ，w h i c ha p p r o a c ht h eg o a lo f t h ea c t u a lp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g c o n s i d e r i n gt h ep r e s e n ts t a t u sa n dt h er e q u i r e m e n to f t h ep r o d u c t i o n , t h ea r c h i t e c t u r eo f s o f t w a r ea n d h a r d w a r e a r o d e s i g n e d t h r o u g h m i c e r s o f l n e t r e m o f i n g f r a m e w o r k o i l t h e b a s i so f a n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r o f s e m i c e n d u c t o rp a c k a g i n gc o m p a n ya n dt h er e q u i r e m e n to f t h ed i s c r e t ed e v i c em a n u f a c t u r i n g t h em o d e l b a s e d c o l o r e dp e t r in e t si sd e v e l o p e df o r t h ep r o d u c t i o nl i n e t h ed a t a b a s ei sd e s i g n e dw h i c hc a n p r o v i d et h ed a t ar e q u i r e m e n to ft h es c h e d u l i n gs y s t e m ，l a s tb u tn o tt h el e a s t , t h es p e c i f i cm e t h o da n d t e c h n o l o g yo f t h es y s t e mr e a l i z a t i o ni si n t r o d u c e da n dt h em a i nr e s e n r c hc o n c l u s i o n sa r os u m m a r i z e d w i t ht h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e mr e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o nm o r es u i t a b l et ot h ee n t e r p r i s e ，i t i ss u l et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f m a n u f a c t u r ea n dt h ea u t o m a t i ce x t e n tw h i c hc a nb r i n gi n o r eb e n e f i tt o t h ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ，s e m i c o n d u c t o rp a c k a g i n gm a n u f a c t u r i n g , c o l o r e dp e t r in e t s ， d a t a b a s ed e s i g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 司爿 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 在传统规模生产中，降低产品成本主要通过批量优势来实现。但随着用户对产品需求的快速变 化，很多现代制造企业需要进行多品种、大批量生产，用户要求制造企业提供质量高、成本低、交 货及时和多样化的产品。园i i 自动化孤岛模式已经不再适应现代工业企业的生产要求，国内外企业 界己把注意力转移到节能降耗、少投入多产出的高效生产模式上。即集直接数字控制、监控优化、 生产调度、经营决策等功能于一体的综合自动化模式( c 口s ) “j 。 生产管理与调度是综合自动化系统的核心，直接关系到企业的经济效益和社会效益。因此生产 调度是现代企业的重要研究问题之一。依靠计算机辅助生产调度，是生产调度管理发展的一个趋势。 很多行业中，如机械制造、钢铁冶炼、石油化工等等，都己开发出或提出了相应的生产调度系统。 然而在半导体封装行业，生产调度方面的研究几乎为空白。因此，半导体封装企业迫切需要一种新 的生产调度系统来代替传统的生产调度方法，以提高半导体封装企业的现代化管理水平”j 。 在生产规模确定的情况下，生产调度对于产品的生产周期将起到决定性作用。通过生产调度来 缩短产品的生产周期，可有效地降低生产成本。因此解决好生产调度问题对于国内的半导体封装企 业来说是至关重要的。 1 2 相关领域及研究现状 1 2 1 生产调度的研究现状及分析 1 ) 生产调度的基本概念 生产调度是针对一项可分解的工作( 如产品制造) ，探讨在一定的约束条件下，如何安排其组 成部分( 操作) 所占用资源、加工时间及先后顺序，以获得产品制造时间或成本的最优化。在理论 研究中，生产调度问题常常又称为排序问题或资源分配问题【4 j 。 在实际生产领域，生产调度被称为生产作业计划。生产调度包含两层含义：a ) 原始调度的生成， 称为静态调度；”由于某种信息或事件的发生，使得原始调度必须做修改、更新，称为动态调度或 重调度( r e s c h e d u l i n g ) 5 1 o 生产调度按加工系统的复杂度可分为单机、多台并行机、f l o ws h o p 和j o bs h o p 。单机调度问 题是所有的操作任务都在单台机器上完成，为此存在任务的优化排队问题。多台并行机的调度问题 更复杂，因而优化问题更突出。f l o ws h o p 型问题假设所有产品都在同样的设备上加工，并有一致的 加工操作和加工顺序。j o bs h o p 是晟一般的调度类型、并不限制产品操作的加工设备，并允许一个 产品加工具有不同的加工路径。 2 ) 生产调度的研究历史及现状 调度问题就是在满足一定的约束的前提下，寻求某一调度目标最优的过程，也就是在资源基础 上确定最优的行为序列。当行为是确定时，这类问题就转化为优化问题，在第一次世界大战中g a n t t 图的应用标志着形式化的调度模型的出现，随后采用的关键路径( c r i t i c a lp a t h ) 成为调度中最广泛运 用的工具。 在五十年代中期，随着调度问题形式化数学模型的出现，其研究也越来越引起人们的重视。直 至七十年代。调度问题的研究还局限于运筹学( o p e r a , o nr e s e a r c h ) 范畴。随着对调度问题计算复杂性 的研究，调度问题中的大部分被归结为n p 完全问题【“。随着问题规模的扩大，特别是涉及动态性和 实时性，传统方法遇到了很大困难。 在自动化及计算机领域中，调度问题都得到了深入地研究，在计算机集成制造系统( c 订s ) 及柔 性制造系统( f m s ) q u ，如何安排各工序的处理次序及占用资源，使之满足一定优化目标( 如完成时间 最短等) ，就是调度所要研究的问题m j 。 传统的生产调度研究的建模方法主要有数学规划方法、神经网络方法以及计算机仿真等，在当 时的生产应用中这些传统方法起到了举足轻重的作用。但是随着调度问题的不断深入和日益复杂 化，这些传统方法在某一些领域和方面都存在着明显的缺陷。特别对于半导体封装生产调度系统而 言，传统建模方法不能够准确描述系统的动态行为，不能正确反映系统的状态，从而也就不可能实 东南大学硕士学位论文 现对系统的正确调度。 ( 1 ) 数学规划方法 从数学上看调度问题的解决是一个资源限制的寻优过程。一种最简化自匀形式是：对n 种产品 在m 个装置上完成各自工艺而对共享资源进行优化达到所需目标的最优，又称资源规划。对这种 n x m 资源共享问题的研究揭示了由调度问题本质上的组合特征而引起的计算复杂性。这类方法主要 讨论的是静态调度问题j 。 用这一类模型研究调度的数学工具主要有：排队网络方法( q u e u i n gn e t w o r k ) ，分枝定界方法 r b r a n c ha n db o u n d ) ，混合整数线形规划( m i x e di n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，动态规戈l j ( d y n a m i c a l p r o g r a m m i n g ) 非线性规划f n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，多目标决策( m u l t io b j e c t i v ed e c i m o n ) 方法。 尽管多数求解算法在时间花费上随处理规模的增大而呈指数增长，但它们仍然是编制静态生产 规划的主要数学依据【”1 。但是对于半导体生产调度系统而言，其生产环节的各个因素都是不断动态 变化着的，所以数学规划这样一种静态生产调度方法显然是不适应半导体封装调度系统的。 ( 2 ) 神经网络的调度 用神经网络的方法建立生产调度的模型关键在于分别用不同类型的单元网络表示不同类型的约 束条件然后通过适当连接这些单元神经网络，可以得到资源约束和排序约束的网络表示，并进一 步实现生产调度的建模。 然而神经网络的学习都是基于现有的知识基础上，且网络越大，学习越困难。神经网络的另一 不足是网络权值的不明确。一旦学习结束，网络的结构和权值也就确定了，但如要调整输入和输出 间的对应关系，不能简单地调整一个或几个权值，只能重新学习、集体调整。模糊神经网络虽然在 一定程度上解决了经验规则的学习问题，但仍存在学习效率差，学习速度慢，难以表达多知识等问 题，这些方面还需作进一步的研究”“。 对于半导体封装生产调度系统而言，其调度信息的动态性和生产线结构的动态性，决定了输入 与输出的调整是比较频繁的。而神经网络的调度对于变更的输入与输出，只能重新学习与调整，这 对于实际的调度系统而言是不现实的，也是不符合企业高效率要求的，所以神经网络的调度对于半 导体封装生产调度系统而言是有着明显缺陷的。 ( 3 ) 计算机仿真 计算机仿真作为一种实用工具，主要通过对实际环境建模和仿真，分析和比较各种调度方案后， 选取最优方案组织实施：或者作为一种研究手段，利用近似枚举的方法比较不同的调度策略或算法 的有效性，以取得实验验证的结果。 由于仿真方法在模拟实际环境时作了许多假设和近似，所以只具有参考意义而不能作为调度的 理论依据。所以对于实际的半导体生产系统而言，只具有参考意义的计算机仿真不足以真正反映准 确真实的系统。 通过以上的分析可以得知传统建模方法虽然在某一些方面表现出一定的优越性，但随着现实 系统的不断变化和复杂化，特别是如半导体封装调度这样的复杂系统，传统建模方法已经存在着明 显的弊端，所以，新的建模方法的应用是势在必行的趋势。 然而在半导体封装生产的实际中，生产调度方面的研究与实现却不尽如人意，存在的问题主要 在以下几个方面。 第一，调度系统的硬件和软件的有效架构。实现调度系统的准确调度就必须用有效正确的硬 件和软件架构去实现系统，精确反映出实际调度系统的行为，才能真正为实际生产发挥调度的作用。 第二调度模型的实现。传统建模方法在一些初级系统或动态性不大的系统中的应用是卓有成 效的，但是对于半导体封装生产调度而言，系统是极其复杂的系统的动态特性也是十分明显的， 这就决定了传统建模方法的不适用性。因此，就需要一种快速直观的建模方法，以较短的时间、较 小的代价组建成调度系统模型，并能在生产系统发生变化时，可以修改和调整调度模型。 第三调度信息的集成。半导体封装生产的各方面信息是大量、复杂并且动态变化的，这就需 要生产调度系统对这些调度数据进行很好的集成，有利于信息的分析与共享。 第四，调度系统与调度信息数据库的通信。由于调度信息包含大量的生产数据，如生产流程、 加工工艺、生产设备以及原材料信息等，调度系统要能够与存储数据的系统进行及时准确的通信， 与此同时，也要考虑到数据访问的安全性和稳定性，这就需要系统设计好良好的信息集成数据库以 及良好的数据交换和通信技术。 本文针对半导体封装企业的生产调度现状以及急需解决的问题，特别是江苏长电科技t r 分厂 的生产调度实际，本文拟提出适合于国内半导体封装调度系统的实现方案。该方案通过对半导体封 装企业生产调度系统的需求分析、架构设计、分布式系统通信技术、模型方法、数据库设计、系统 2 第一章绪论 实现等方面的研究，实现了调度系统与数据库管理系统的整合，进一步利于调度信息的表达与交换。 这一调度系统的实现。可以优化企业管理整合企业资源，节约成本，提高效率，使生产现场的调 度管理更加规范和科学，从而进一步提高企业的自身发展能力和市场竞争力。 1 2 2p e t r i 网与高级p e t r i 网的建模方法 1 9 6 2 年，c a p e w i 在他的博士论文”c o m m u n i c a t i o n w i t h a u t o m a t a ”中首次提出p e t r i 网，用数学 模型的方法来研究信息系统及其相互关系。目前，p e t r i 网已成为具有严密的数学基础，多种抽象层 次的通用网论。 1 ) 基本p e t r i 网的理论 p e t r i 网作为一门学科，其理论知识非常丰富，本节仅总结在本论文中将要用到的基本理论。 p e t r i 网有库所、变迁及其之间相联系的弧、库所中的令牌组成。在建模中的意义如下： 库所代表资源集或系统的状态。如工具、设备、中间产品等。 变迁代表行为。 令牌代表资源或状态数量，即同类型的资源或中间状态。 库所容量是对库所可以存储的资源的数量的限制。 p e t r i 网的图形化表示方法为：通常用圆圈表示库所，旁边用文字表示库所的名称，用数字表示 库所容量，如果没有则默认为无穷；用矩形框或粗短线表示变迁，旁边的文字表示变迁的名称，在 整个网中变迁是唯一的：圆圈中的黑点叫做令牌( t o k e n ) 黑点的数量表示该种资源的数量：用有向 弧把库所和资源连接起来的，有向弧表示令牌( 资源) 的流动方向，线上的数字表示产生或消耗资源的 数量，不标则默认为l 。如图1 1 所示。 图1 1 并发变迁 如果变迁t l 要发生需要p l 有两个令牌，t 2 的发生需要p 2 有一个1 个令牌。t l 和t 2 的触发分别在p 3 中产生2 个、1 个令牌t 3 的触发情况类似。 定义1 2 1 ：三元组 芦( & 卯) 成为有向网( d i r e t e a n e t ) 的充分必要条件是： 1 s n t = 西； 2 s u t 西； 3 f s t u t x s ； 4 d o m ( f ) j c o d ( f ) = s u t ； 5 d o r a ( 刃= z i 砂：( z ，y ) f ，c o d ( f ) = y 1 3 y ：( z ，y ) f 其中，为笛卡儿积，d o r a ( f ) 和c o d ( f ) 分别定义为f 所含有序偶的第一个元素和第二个元素构成 的集合。s 称为| v 的库所集( p l a c e ) ，z 称为j v 的变迁集( t r a n s i t i o n ) ，称为流关系f f l o wr e l a t i o n ) 。库所和 变迁又分别称为既素和玩素。x = s u t 称为的元素集 3 查塑查兰堡主兰竺堡塞 定义1 2 2 ：设_ 陋矸刀为有向网，石x 为的任一元素，其中x = s u t x = y i ( y ，工) f 称为j 的前集或输入集， 石= 扛i ( 毛力f 称为x 的后集或输出集。 定义1 2 3 ：设( s 乃d 为有向图 1 若v x x ：x n 工= 口，贝n 为单纯网 如果存在x x ：x n j 那么在变迁发生时就会有库所s a p 失去令牌又得到令牌的现象，这个库 所就起到所谓的催化剂的作用。 2 若帆，y x ：j 。_ y x = ) ，= ，毒= y ，则| 为简单网。 定义i 2 4 ： 1 k ：s - - - ) 1n u c o 称为n 的容量函数。 2 给定的容量函数l ( m ：s - - i n 称为的一个表示的条件是： v s s ：m j k 5 ， 3 矿：f i n 称为n 上的权函数，对( 工，y ) f ，w ( x , y ) = 形( o ，y ) ) 称为( x ，y ) 上的权。 定义1 2 5 ：p e t r i 网的六元组形式定义为 = ( s ，r ；f ，k ，j | l “) ，其成立条件为： l n = - ( s , t , - 用构成有向网，称为的基网， 2 k w , m o 分别为n _ k 的容量函数，权函数和初始标识。肘。称为的初始标识。 定义1 2 6 ： 1 并发：如果两个变迁是因果独立的，那么就称这两个变迁是并发的。如图1 1 的t 1 t 2 。 2 冲突：如果两个事件e l 和e 2 能够发生但不能同时发生，就称事件e 1 和e 2 是冲突的。如图1 - 2 d p 的t l 和t 2 。在实际系统中，两个具有冲突性质的事件的发生由物理系统的运行规律确定。 图1 - 2 冲突变迁 2 ) 基本p e t r i 网的建模特点 p e t r i 网作为一种异步并发系统建模与分析的重要工具，现已在全世界许多国家得到重视，成为 计算机界和自动化界的热门研究课题。 p e ( z i 网从组织结构、控制和管理的角度模拟系统不涉及系统所依赖的物理和化学原理。p e t r i 网能精确描述系统中事件的依赖关系与不依赖关系，不依赖于观察的关系。p e t r i 网适于描述以有规 则行为为特征的系统。p c t r i 网用统一的语言描述系统结构和行为。p c t r i 网系统具有与应用环境无关 的动态行为。 p e t r i 网系统可以在不同应用领域得到不同解释。p e l x i 网系统适于描述同步并发系统。p e c a i 网以 其对于离散事件动态系统的强大描述和建模能力，被广泛应用于制造系统、工作流、物流、人工智 能、离散系统、计算机网络和通讯协议等领域的研究吼 p e t r i 网作为一种图形和数学工具，为离散事件系统的模型化、性能分析和设计提供了一个统一 的环境t 可直观地系统地表达离散事件各种关系和行为，如顺序关系、并发关系、同步关系、异步 关系、资源共享及冲突关系等。 p e t r i 网是一种能够准确表达制造自动化系统的动态行为的理想工具i ，它可以准确地描述系统 的资源情况以及系统的活动和约束，同时便于设计者理解和表达调度问题。p e t r i 网用于调度过程是 把资源分配或任务排序作为一个状态演化过程处理，监测调度过程中共享资源( 主要是加工设备) 的冲 突使用和任务排序的逻辑约束问题。p e l r i 网作为系统模型的最大特点在于其并发- 陛( c o n c u r r e n c y ) ， 4 第一章绪论 而调度问题的目标就是提高非顺序任务间的并发度，而且p e t r i 网结构是一种有向图对描述偏序任 务间次序关系是较为合适的，所以采用p e t r i 网作为调度模型在直观上是易于接受的。 因此用p e t r i 网模型化一个过程较为直观易懂。而且其分析工具有关联矩阵、状态方程，可达图 等，对模型性质的分析很方便。所以它在解决并发和资源共享中的冲突问题上有很大的优势，被广 泛地用于生产调度、生产制造、软件编程、智能交通等领域。 随着基本p e t r i 网在实际中的不断应用，其逐渐暴露出节点语义的单义性、携带的信息量不够丰 富、重用性差等问题。研究者在基本p e t r i 网的基础上提出了许多关于p e t r i 网的新理论，对p e t r i 网 进行了扩展，弥补了基本p e t r i 网的缺陷并充实了p e t r i 网的理论、增强了p e t r i 网的建模能力。如时 间p e t r i 网、面向对象p e l r i 网、着色p e t r i 网、赋时p e t r i 网、层次p e t r i 网、批次p e t r i 网、混合p e t r i 网等。 3 ) 高级p e t r i 网 时间是系统物理层上一个重要参数。建立含时间因素的系统分析模型对实际系统来说是非常必 要的。r a m c h a n 血提出时延p e t r i 网【l “。时延p e t r i 网规定每个变迁都具有有限的引发时延：每一个 引发变迁都有和一个时延过程；一个变迁一旦使能就必须立即引发。 对于实际系统，只在离散事件的逻辑时间层次或连续对象的连续时间层次上研究是不够的，必 须综合考虑系统的连续时间动态和离散事件动态，这就引入了混合系统的建模、分析与控制问题。 k u r tj e n s e n 在文献“中提出了着色p e t r i 网( c p n ) ，将p e t r i 网中的t o k e n 拓展为颜色集，以表 达复杂的对象。丹麦的a r h u s 大学推出的c p n 设计软件c p n t o o l s ，加入了对s t a n d a r d m l ( s m l ) 编程语言的支持，极大增加了c p n 的建模仿真能力。越来越多的研究者将c p n 应用于各种领域的 研究或建模之中。 4 ) 着色p e t r i 网运用于生产调度的优点 着色p e t r i 网可以简化复杂的系统，它给t o k e n ( 令牌) 赋予某种属性，这样着色p e t r i 网可以表 达更多的信息。这样一个着色p e t r i 网模型，既描述了系统的静态结构，又描述了系统的动态特性， 可以很好地对系统进行建模与分析，可以准确地表达出系统的动态行为。 1 3 课题的主要研究任务 本论文的主要研究目标是针对江苏长电科技股份有限公司实际生产的需要研究基于p e t r i 网的 半导体封装调度系统的需求分析、体系架构、建模方法、数据库设计以及调度系统的实现，从而建 立一个生产调度的系统，以满足现代化半导体封装企业的生产要求。 课题的研究与开发主要完成如下四个方面的工作和内容： ( 1 ) 系统的需求分析 对半导体封装生产的实际流程进行详细分析，主要分析业务流程以及数据流程。同时结合国内 半导体封装企业生产的共性，总结长电公司半导体封装生产调度系统的实际需求，并明确调度系统 的具体实现目标。 ( 2 ) 系统总体架构设计 针对调度系统实际需求，提出系统的总体概念模型和功能模型。分析与研究功能模型的各个组 成部分以及相互之间的功能联系，并由此提出系统的硬件架构和软件架构。研究采用n e tr e m o t i n g 分布式系统通信技术。 ( 3 ) 系统调度模型的实现 研究总结现有的着色p e t r i 网理论，采用已有的着色p e t r i 网理论与建模方法，对实际生产调度 系统建模。实现调度系统在功能上能够及时的、动态的、人机交互的对全生产线进行调度的目标。 ( 4 ) 调度系统数据库设计 针对半导体生产调度系统具有产品信息量大，产品批次多，加工设备多等特点，提出系统数据 库的相关需求。对系统数据库进行概念设计、逻辑设计以及物理设计。 ( 5 ) 系统的开发与实现 在对系统进行需求分析、架构设计、数据库设计的基础上，本文采用v c # n e t 实现系统的客 户端与服务器端，明确和实现用户端与服务端的不同功能。客户端通过r e m o t i n g 与服务端以及数据 库通讯，服务端采用a d o n e t 作为与数据库的接口从而简化了数据库系统与服务端程序的通讯。 大大提高数据的交互速度。 东南大学硕士学位论文 第二章生产调度系统总体架构设计 本章将首先提出封装生产调度的实际需求，并在分析需求的基础上提出系统的概念模型和功能 模型。提出系统的硬件和软件架构，并在此架构上提出n e tr e m o t i n g 的分布式系统的通信技术。 2 1 生产调度系统的需求分析 封装对于半导体芯片来说是至关重要的。封装不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且 还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁，并起到保证规格通用的作用“”。 半导体封装是半导体生产的后道生产，其特点为产品种类多产量大、生产流程基本固定、生产 设备繁多、生产目标多样化。因此半导体封装调度对于半导体封装生产具有十分明显的作用。 生产调度主要是根据己下达的主生产计划、生产线上的在制品情况以及现有设备的运行状况和 能力对主生产计划进行分解，制定各分厂的生产进度，同时分析生产效率。图2 - 1 所示的是针对本 系统生产调度需求提出的具体分析列表。 生产调度管理 月生产计划 周生产计划 生产工作令 原料配置表 设备产能表 设备状况p 1 ) 设备生产效率情况( 屹) 总厂调度生产计划的制定、修改9 3 ) 分厂的生产进度的制定、修改 图2 1 生产调度管理的具体分析 1 ：生产设备状况是指设备的运行状态，如待修、待料。 2 ：生产设备生产效率是指设备的上一天的每台设备的产量、生产效率及效率原因分析。 3 ：总厂调度制定生产计划是将生管科的生产工作令分解到到生产天数、生产机台数。分厂调 度的生产进度安排是将总厂的生产计划安排到机台。 由上图可以看出，整个生产调度管理包括主生产计划、设备情况以及生产调度安排。首先总厂 管理层制定主生产计划，包括月生产计划，将月生产计划进一步分解为周生产计划，由周生产计划 生成生产工作令，并根据生产计划调用相应的生产原料，生成原料配置表。 生产计划以及原料配置表制定完成以后需要将与生产相关的生产设备联系起来，这就需要了 解当前设备的使用状况以及可以投入使用设备的相关情况，包括设备产能表、设备状况以及设备生 产效率等情况。 上图分析了生产调度管理的具体流程，下面给出生产调度的业务数据流程。图2 - 2 所示的是生 产调度业务数据流程图。 首先，封装总厂的调度员根据月生产计划以及周生产计划确定加工的生产批次产品。然后查询 生产现场的设备运行情况确认是否有可用的设备；原材料配置表与原材料库存情况确认是否有足够 的原材料。最后根据这些信息确定下达生产指令，分配到具体的机器和人员进行投料生产。 由于半导体封装的产能需要，多个产品批次在生产线上是并行加工的。每当有批次完成加工入 库后立即就会有新的批次投入生产线加工。半导体封装调度时必须考虑生产线上己加工批次的情 况 在一般情况下，半导体封装生产调度系统不仅要实现调度参数的选择以及调度队列的计算，而且 还要能够对调度数据进行获取以及对调度结果的取舍。 半导体生产产品信息多，设备状况复杂以及原材料库存情况等信息是非常庞大而且复杂的，这 6 第二章生产调度系统总体架构设计 就需要设计满足实际需要的数据库，该数据库必须与人工交互平台以及生产线模型实现无缝连接， 从而实现系统调度的实时化，快速化，准确化。 半导体封装生产与成本密切相关的因素是产品的加工周期和在制品数。当考虑产品是否能在交 货期之内完成加工，或是对下一周期生产线的在制品数进行预测时，必须首先制订出全生产线的精 确调度计划，然后按调度计划对加工周期与在制品数进行推算。全生产线的精确调度计划应包含产 品批次以什么样的次序进入生产线、批次在各工序上开始加工时间与完工时间和批次安排在各工序 上的哪台设备上加工等。 图2 2 生产调度业务数据流程图 由于半导体封装生产流程、设备和产品的复杂性全生产线的调度计划的计算量非常巨大，依 靠人的大脑无法得到准确的结果，所以必须借助于合理的调度算法与高性能的计算机系统。 生产调度的动态性表现在两个方面： ( 1 ) 调度信息的动态性。半导体封装的生产周期较长，批次的投料显现出连续性。按照调度类 型的分类，半导体封装的调度属于动态调度； ( 2 ) 生产线结构的动态性。由于半导体器件的更新换代速度非常快，封装企业经常需要购入新 的加工设备、淘汰陈旧的设备型号。半导体封装的生产线结构经常处于动态变化之中。 半导体封装的动态性要求调度系统能够及时地适应生产线结构的变化，实时地跟踪生产线在线 情况变化，及时地对调度计划做出调整。 针对以上的分析，该调度系统必须能够实现调度队列的计算，调度数据的获取以及调度结果的 获得与取舍。同时必须对订单信息、设备信息和原材料库存信息进行实时的监控。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 生产调度系统的概念模型与功能模型 2 2 1 调度系统的概念模型 根据对半导体封装生产调度的需求分析，调度系统在功能上需要能够及时的、动态的、人机交 互的对全生产线进行调度。作者据此提出了调度系统的概念模型如图2 3 所示。 概念模型分为四个组成部分：数据交换部分、人机交互部分、调度计算部分和生产线模型( p e t r i 网模型) 。数据交换负责调度系统与数据库系统的数据交换。生产线模型包含生产线上所有工序与所 有加工设备的信息。调度计算部分包含针对生产线模型的调度算法。人机交互部分提供人工参与的 接口。 图2 - 3 调度系统的概念模型 概念模型的核心思想是以对生产线的建模为中心。概念模型的特点是用生产线模型来连接数据 交换、人机交互与调度算法。生产线模型与三个部分之间各有一个接口。调度算法只与生产线模型 通信，而人机交互平台与生产线模型以及数据库实现叔向通信，以便及时与生产线交换信息，获取 数据结果等。与数据库的连接能够及时实现从数据库获得各方面的生产信息。在系统的实施过程中， 如果需要对调度系统的数据接口进行调整，或是更换一种调度算法，或是根据用户的需要修改人机 界面，设计人员仅需要对其中一个部分进行更新，而不会影响到系统的其余部分。保证了维护工作 量的最小化。 2 2 2 调度系统的功能模型 根据半导体封装生产的特点对概念模型进行细化，可以得到封装调度系统的功能模型如图2 - 4 所示。 人机交互部分具有四个功能模块： ( 1 ) 调度参数的选择，根据调度人员的实际经验选取合适的调度参数： ( 2 ) 预排序队列，根据选择的调度参数对投料排序队列进行预排序； ( 3 ) 调度交互生成调度模型输入以及获取调度模型计算的结果。 调度算法分为三个功能模块： ( 1 ) 排序算法，计算批次进入生产线的顺序： ( 2 )缓冲区排序算法，计算批次进入下一个工序的顺序； ( 3 ) 设备分配规则，计算批次在各工序上的加工设备。 数据交换的内容主要包含三个部分： ( 1 ) 生产工作令，记录了加工产品的批次、型号、数量和封装等； ( 2 ) 设备信息，记录了生产线各工序加工设备的编号、型号、加工类型和加工能力等信息； ( 3 )原材料信息，记录了当前库存的原材料的类型和数量。 8 - 第二章生产调度系统总体架构设计 图2 _ 4 调度系统的功能模型 2 3 生产调度系统的架构设计 2 3 1 调度系统的硬件架构 系统的硬件由调度系统服务器、调度系统服务端以及调度系统客户端组成。客户端与服务器通 过企业网连接在一起它们之间的通讯采用c s 模式，即客户端服务器端模式。 客户端，且务器端系统是典型的分布式系统，具有容错性好、扩展性好以及管理方便等诸多优点。 具体架构如图2 5 所示。 姆匡 j 系统服防端调度系 a 图2 5 调度系统的硬件架构 调度系统客户端可以选择调度参数并进行调度队列的预排序，产生调度模犁的输入以及获取相 应的调度结果。生产线模型运行在调度系统服务器，数据库也存放于调度系统的服务器。调度系统 服务端通过服务端程序对数据库的操作以及与客户端的操作进行交互。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 2 调度系统的软件架构 通过上文给出的调度系统的功能模型以及硬件架构，要实现调度系统的功能，在软件架构上主 要采用以下的结构：客户端( 客户端程序) 基于n e t r e m o t i n g 的通讯层 应用服务器端( p e t n 网模型。 服务端程序) 数据库。从系统的安全性和扩展性考虑客户端不能直接访问数据库。客户端的一切 操作应抽象为对服务器端的调用操作。通过创建数据库的远程对象来实现客户端对数据库的访问。 并且客户端产生的调度模型的输入以及调度结果的输出，都将通过n e tr e m o t i n g 来实现。 n e tr e m o t i n g 的优点在于设计系统时，不用特别考虑如何来传递数据。只要将需要传输的数据 封装到类中，然后将其r e m o i n g 化，系统就会自动完成数据的输送。软件架构如图2 - 6 所示。 g 图2 - 6 调度系统的软件架构 正如前文所言，该调度系统的客户端以及服务器端属于典型的分布式系统，客户端和服务器端 之间的通讯通过n e t r e m o t i n g 实现。n e t r e m o t i n g 具有速度快的特点，可以很好地用于开发分布 式系统，它易于使用，可以缩短开发周期，互操作性好，而且开发出的系统速度也很快。 2 3 3 n e tr e m o t i n g 分布式处理 m i c r o s o f t n e tr e m o t i n g 提供了一种允许对象通过应用程序域与另一对象进行交互的框架。 在w i n d o w s 操作系统中，是将应用程序分离为单独的进程。这个进程形成了应用程序代码和数据周 围的一道边界。如果不采用进程间通信( r p c ) 机制，则在一个进程中执行的代码就不能访问另一 进程。这是一种操作系统对应用程序的保护机制。然而在实际应用下，经常需要跨过应用程序域， 与另外的应用程序域进行通信即穿越边界【1 “。 1 0 第二章生产调度系统总体架构设计 图2 7r e m o t i n g 中两个应用程序域之间对象的通信 在r m n o t i n g 中是通过通道( c h a n n e l ) 来实现两个应用程序域之间对象的通信的。如图2 7 所示。 首先，客户端通过r e m o t i n g ，访问通道以获得服务端对象，再通过代理解析为客户端对象。这 就提供一种可能性，即以服务的方式来发布服务器对象。远程对象代码运行在服务器上，此即服务 器激活的对象然后客户端再通过r e m o t i n g 连接服务器，获得该服务对象并通过序列化在客户端运 行。 在r e m o t i n g 中，对于要传递的对象，设计者除了需要了解通道的类型和端口号之外，无需再了 解数据包的格式。但必须注意的是，客户端在获取服务器端对象时，并不是获得实际的服务端对象， 而是获得它的引用。这既保证了客户端和服务器端有关对象的松散耦合，同时也优化了通信的性能。 ( 1 ) r e m o t i n g 的两种通道 r e m o t i n g 的通道主要有两种：t o p 和h t t p 。在n e t 中，s y s t e m r u n t i m e r e m o t i n g c h a n n e l 中定义 了i c h a n n e l 接口。i c h a n n e l 接口包括了t a p c h a n n e l 通道类型和h t t p 通道类型。它们分别对应r e m o t i n g 通道的这两种类型。 t c p c h a m e l 类型放在名字空间s y s t e m r t m t i m e r e m o f i n g c h a n n e l t c p 中。t a p 通道提供了基于 s o c k e t 的传输工具，使用t c p 协议来跨越r e r a o t i n g 边界传输序列化的消息流。t a p c h a n n e l 类型默认 使用二进制格式序列化消息对象因此它具有更高的传输性能。h t t p c h a r m e l 类型放在名字空间 s y s t e m r u n t i r a e r e m o t i n g c h a n n e l h t t p 中。它提供了一种使用h t c p 协议，使其能在i n t e r a c t 上穿越防 火墙传输序列化消息流。默认情况下，h t t p c h a n n e l 类犁使用s o a p 格式序列化消息对象，因此它具 有更好的互操作性。对于本系统所在局域网内，我们更多地使用t c p c h a n n e l 。 ( 2 ) 远程对象的激活方式 在访问远程类型的一个对象实例之前，必须通过一个名为a c t i v a t i o n 的进程创建它并进行初始 化。这种客户端通过通道来创建远程对象，称为对象的激活。在r e m o t i n g 中，远程对象的激活分为 两大类：服务器端激活和客户端激活。对于本系统而言，将采用服务器端激活方式。 服务器端激活，又叫做w e l l k n o w