PCB数控钻孔综合管理信息系统的开发

陈海斌

（深圳市金洲精工科技股份有限公，广东 深圳 518116）

0 引言

越来越多的PCB企业正在实施或已经实施全制程智能工厂项目。智能工厂在追溯及产品质量监管上提供切实的帮助。现大多数PCB工厂数控钻孔车间（以下称“钻房”）作为一个工序，仅仅实现了机台与加工批号对应追溯，其它管理功能甚少。智能工厂的设计者们不可忽略PCB孔加工过程中使用的微型刀具钻头（以下称“钻针”）的可追溯管理，数控钻孔加工制造环节有自身的特点，对信息系统有迫切需要。深入研究需求，并开发相应的系统，有助于钻房管理的数字化，实现钻针可追溯管理，提升钻房物料管理水平，为钻房的智能化奠定基础，相关工作有重要的现实意义。

1 研究的基础

PCB数控钻孔综合管理信息系统的研究建立在现有信息基础之上，主要包括ERP（Enterprise Resource Planning）系统、MES（Manufacturing Execution System）系统、WMS（Warehouse Management Systems）系统等。

1.1 ERP系统

ERP是企业资源计划的简称，主要包括：财务、供应链、生产制造等模块。其中，生产制造模块通常会含生产定单和工序管理等功能。目前，中大规模PCB企业大部分都拥有ERP系统并包含上述模块和功能。

1.2 MES系统

MES系统又称生产制造执行系统[1]，它上承ERP，本身带有工序级人机料物环的管理，生成生产加工、人员操作以及品质与可追溯等数据。标准功能的MES管理的对象主要为PCB、加工机台以及看机人员；不包含钻针的管理。

1.3 WMS系统

WMS是仓库管理系统简称[2]。中大规模PCB企业通常会使用简单功能的WMS，其功能类似超市收费用系统，仅管理物流的进和出，不涉及库内业务，且不与生产MES系统对接。据了解，部分微钻生产专业厂家也在使用简单功能的WMS。

PCB用精密微型钻头制造商金洲公司现在使用的WMS是全流程数字化仓库管理系统（Full Process Digital WMS，FPDWMS）。FPDWMS能够对仓库全流程进行管理，包括人的操作及指引、物资的移转、拆零、装箱、进出货位，批次管控和全过程追溯等功能。该系统由作者率团队自主研发而成，具有自主知识产权。系统已在公司稳定运行多年，并进行了三次大升级，确保了基础架构与功能的与时俱进。

2 钻房管理个性化信息系统需求

2.1 钻房钻针仓库管理的难点

（1）钻针仓库管理难度较大。与专业钻针厂家的新针管理不同，钻房的钻针管理的维度多，涉及到钻针的品种、型号规格、磨次及数量。除此之外，还需要对钻针状态进行管理，钻房的钻针仓库通常会存在新针、返磨钻针、待返磨钻针、报废钻针等四种状态。在此基础上，叠加钻针批次管理则是难上加难。

（2）存在钻针库存数量不准，仓库员找货难。钻针品种多，磨次多，零头多，加上钻针辨识度小，钻房钻针仓库管出现差错和找货难是大概率事件。

2.2 钻房计划员的需求

钻房计划员主要工作是做好PCB钻孔定单的机台排产计划、钻针及其它耗材的备货计划。他们通常会根据PCB的加工要求，计算钻针及其它耗材的需求，根据库存的信息进行备货。发现缺货，则需要提请补充。钻房数据查询和计划的工作量巨大。钻房计划员迫切地希望钻房管理系统具有计划和备货功能，通过信息化手段减少工作量，提高劳动效率。

2.3 钻针可追溯管理

实现钻针的批次管理，不仅需要新针的追溯信息，而且需要返磨针的追溯信息。返磨针追溯信息要与包括新针或上一磨次钻针的追溯信息相关联，才会形完整的追溯信息链。

3 数控钻孔综合管理信息系统设计

3.1 综合管理系统整体框架

根据以上需求分析，设计了数控钻孔综合管理信息系统整体框架，如图1所示。

图1 数控钻孔综合管理信息系统整体框架

3.2 FPDWMS

（1）FPDWMS系统模块如图2。

（2）FPDWMS实施场所为数控钻孔车间和钻针返磨车间，由于管理重点不完全一致功能略有差异。

图2 FPDWMS系统模块

钻房FPDWMS主要功能包括：来料入库、生产领料、生产退料、补针、非备料的补料、拆盒并盒、料品（直径、磨次）查询、待研磨仓入库、杂收、杂发、货位调整、货位盘点、期初盘点、调拨、新增货位、创建盒标签及相关ERP的接口服务、自动导入销售订单。另外，需提供操作日志可追溯查询。研磨车间条码系统的主要功能包括：客户来料入库、生产领料、生产领料（整箱）、合格品入库、销售出库、销售出库（整箱）、货位调整、调拨、存货数据查询、及相关ERP的接口服务。

通过PDA扫码进行钻针的收、发、退、补，有效保证了库存数量准确，实现了钻针的全流程可追溯管理。通过PDA的物料查询功能，指引仓管找到相关物料所在货位，提升了仓库的找货效率。

（3）整个FPDWMS应用体系包括四个部分：服务器端软件、无线网络、终端设备、手持终端系统。

①服务器端软件（包括无线通讯）：功能实现无线终端与服务器端进行无线通讯等；

FPDWMS：实现与ERP、MES 管理系统的接口应用的条码应用系统。

②无线网络：使用基于WLAN主流协议。

③无线终端：无线手持终端。

④手持终端系统：是一套嵌入在无线终端设备中的条码系统，与服务器端软件进行数据交互。

（4）钻房FPDWMS难点与解决方案。

钻房FPDWMS难点比较突出的两点：钻针零头处理与PDA网络环境的稳定性。

钻针出入库过程中，不可避免会出现大量的零头，处理不当，就会造成操作效率屏颈，影响使用。为了提高员工操作效率，系统引入了可变数量二维码；可变数量二维码进的变动均会产生日志，以便日后审计。

仓库员移动范围较大时，PDA会出现断网或服务中断的情况，为了解决此问题，采用多个AP实现了大区域PDA的无缝漫游，同时AP之间互为备份，在个别AP出现故障，不影响PDA的高频使用。

3.3 钻孔排单系统

在库存精确的基础上，钻孔排单系统通过导入ERP销售订单及各项加工参数、钻针寿命、机台参数实现对钻刀用量及磨次由高到低的自动运算，在钻针使用效率最大化的同时进行快速的生产排单。钻孔排单系统输入输出如图3所示。

图3 排单系统输入输出

相关单据可以设置为自动打印，根据需要设置库存预警点。

通过图2可知，排单系统运行在ERP与FPDWMS的基础上，可以实现自动查找数据，自动或辅助排单、自动或辅助编制备料计划。

排单算法是整个排单系统的关键所在。这里采用基于Hopfield神经网络与遗传算法的排序算法，建立了网络和数学模型，给出了基于排序原则的参数化表达式，通过仿真计算实例验证了算法的可行性。该方法不仅可实现对加工活动的自动排序，而且考虑到其它排序原则、工艺约束条件和物料约束条件，可提高算法的实用性和工序排序解的满意度。

3.4 ERP

ERP包含的业务模块主要有：基础设置、生产管理、销售管理、采购管理、仓库管理、总账、应收、应付、票据管理、固定资产、成本管理、人力资源等。

ERP为多组织、SOA架构，方便组织之间实现单据抛转，各异构系统数据交互。将FPDWMS与生产排单系统数据通过服务调用传入ERP系统，在ERP系统生成相应的单据来实现ERP相应部分的快速化操作，精简单据录入操作，减少工作量。

3.5 MES

MES主要用于实现生产过程数据的收集、质量数据的收集、设备运行、维护与保养数据的收集、看板管理。MES的生产定单数据来自于ERP，收集的数据发送给ERP、FPDWMS等系统。

3.6 数据中心

FPDWMS及MES系统产生的实时数据来自于员工PDA和机器，输出数据用于实时指导员工的操作和机器的操作，对系统和数据安全的要求较高。为了保证系统和数据安全，选用的是双活数据容灾中心。双活数据容灾中心具有以下优点。

支撑的应用系统在两个站点间计划内、计划外、故障、灾害时自由迁移而无需人工干预切换即业务系统不中断运行[3]；

具有数据同步镜像功能，所有虚拟机及系统数据库均保存在不同机房的两个存储设备上，且数据同步无差异，应用系统数据可同时更新至两个存储设备中；

双活数据容灾中心架构灵活，开发人员可根据后续需要在线更新、扩展服务器节点或存储节点，并实现后续计划内硬件增加时保证应用系统不中断运行；

本地数据采用CDP保护[4]，提供I/O级别保护，实现业务系统数据任意时间点备份数据回滚。

4 系统的实施和结论

PCB数控钻孔综合管理信息系统设计开发完成后，首次在金洲公司数控钻孔分公司和针尖磨尖中心落地投入使用。从系统测试到正式上线过程中，项目团队逐步完善系统功能，对问题逐一改进、并对新需求进行开发。截至目前，访系统已交付使用三年时间，功能基本完善，满足钻孔中心业务发展的需求。通过实施PCB数控钻孔综合管理信息系统，金洲数控钻孔分公司实现了钻针的可追溯性管理；提升了员工劳动效率，减少了工作差错，精简了人员8人，降低了人工成本；提高的物料周转率。数控钻孔综合管理信息系统有较好的经济性。

数控钻孔车间迫切希望通过信息系统提高管理效率和工作质量。通过深入挖掘钻房的需求，开发了适用于钻房管理的FPDWMS，实现钻针仓库的全流程数字化和追溯管理。在FPDWMS、ERP、MES等系统的基础上，基于Hopfield神经网络与遗传算法的排序算法开发了高效钻孔排单系统，该系统具备钻孔排产和备料计划的功能，全面提升了数控钻孔加工环节的管理水平，构成了PCB数控钻孔综合管理信息系统。系统已在金洲公司得到成功应用，应用前景看好。