一、前言
制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在第二產(chǎn)業(yè)中占據(jù)中心地位。伴隨中國加入WTO和經(jīng)濟全球化，中國正在成為世界制造業(yè)的中心。中國的制造業(yè)企業(yè)面臨日益激烈的國內(nèi)外競爭，如何迅速提高企業(yè)的核心競爭力，很重要的一點，就是以信息化帶動工業(yè)化，加快信息化進程，走新型工業(yè)化道路，實現(xiàn)全社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展。
縱觀我國制造業(yè)信息化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，建設(shè)的重點普遍放在ERP管理系統(tǒng)和現(xiàn)場自動化系統(tǒng)（Shop Floor Control System, SFC）兩個方面。但是，由于產(chǎn)品行銷在這一、二十年間從生產(chǎn)導(dǎo)向快速地演變成市場導(dǎo)向、競爭導(dǎo)向，因而也對制造企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的管理和組織提出了挑戰(zhàn)，僅僅依靠ERP和現(xiàn)場自動化系統(tǒng)往往無法應(yīng)付這新的局面。
工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）恰好能填補這一空白。工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)MES是近10年來在國際上迅速發(fā)展、面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實時信息系統(tǒng)。MES可以為用戶提供一個快速反應(yīng)、有彈性、精細化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企業(yè)減低成本、按期交貨、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和提高服務(wù)質(zhì)量。適用于不同行業(yè)（家電、汽車、半導(dǎo)體、通訊、IT、醫(yī)藥），能夠?qū)我坏拇笈可a(chǎn)和既有多品種小批量生產(chǎn)又有大批量生產(chǎn)的混合型制造企業(yè)提供良好的企業(yè)信息管理。目前國外知名企業(yè)應(yīng)用MES系統(tǒng)已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，國內(nèi)許多企業(yè)也逐漸開始采用這項技術(shù)來增強自身的核心競爭力。
1制造執(zhí)行系統(tǒng)MES及其功能
MES的定義
MES是美國管理界90年代提出的新概念。美國先進制造研究機構(gòu)AMR(Advanced Manufacturing Research)通過對大量企業(yè)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)普遍由以ERP/MRPII為代表的企業(yè)管理軟件，以SCADA、HMI(Human Machine Inteface)為代表的生產(chǎn)過程監(jiān)控軟件和以實現(xiàn)操作過程自動化，支持企業(yè)全面集成的MES軟件群組成。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，AMR于1992年提出三層企業(yè)集成模型（如圖一）。
MESA International (MES國際聯(lián)合會)是以宣傳MES思想和產(chǎn)品為宗旨的貿(mào)易聯(lián)合會，它為了幫助其成員組織在企業(yè)界推廣MES制定了一系列研究、分析和開發(fā)計劃。MESA協(xié)會白皮書（MESA White Paper No.6，1997）對MES 系統(tǒng)作如下之定義：
•MES 系統(tǒng)在產(chǎn)品從工票發(fā)出到成品、半成品產(chǎn)出的過程中，扮演生產(chǎn)活動最佳化的信息傳遞者。
•當事件發(fā)生變異時，借著實時正確的信息、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)規(guī)范、原始工作情況、資料反應(yīng)及回饋，作出快速的響應(yīng)以減少無附加價值之生產(chǎn)活動，提升工廠生產(chǎn)的效率。
•MES 改善生產(chǎn)條件及準時出貨、庫存周轉(zhuǎn)、生產(chǎn)毛利及現(xiàn)金流量效益，MES 并且也在企業(yè)與供應(yīng)鏈之間提供一個雙向的生產(chǎn)信息流。
MESA協(xié)會白皮書（MESA White Paper No.3，1997）中提出說明企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、MES與控制系統(tǒng)間的作業(yè)互動與信息流模式，如圖二所示。
圖中左邊ERP等系統(tǒng)需隨時注意產(chǎn)品庫存量、客戶訂單狀況與材料需求，然后將這些信息傳送至MES，由執(zhí)行系統(tǒng)進行生產(chǎn)或安排庫存以滿足客戶訂單需求。對MES而言，這一層就是生產(chǎn)的計劃層。
中間部分為MES系統(tǒng)，負責(zé)完成產(chǎn)品制造工作，產(chǎn)品的規(guī)格、型號、參數(shù)等相關(guān)資料儲存于此系統(tǒng)中，MES將此產(chǎn)品相關(guān)資料轉(zhuǎn)化為作業(yè)程序提供給控制系統(tǒng)之作業(yè)人員或機器設(shè)備來使用。
2.MES的功能
由MES的定義可見，MES為一系列管理功能，它完全可以是各種生產(chǎn)管理的功能軟件集合。MESA通過其各成員的實踐歸納了十一個主要的MES功能模塊，包括：
工序詳細調(diào)度
資源分配和狀態(tài)管理
生產(chǎn)單元分配
過程管理
人力資源管理
維護管理
質(zhì)量管理
文檔控制
產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理
性能分析和數(shù)據(jù)采集
MES的各功能模型與企業(yè)其它信息化系統(tǒng)的關(guān)系如圖三所示。實際的MES產(chǎn)品可能同時包含了其中一個或幾個功能模塊。
二、XX股份制冷車間MES系統(tǒng)的需求分析
XX制冷機廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)已經(jīng)運行將近兩年時間，相關(guān)的生產(chǎn)計劃系統(tǒng)、倉庫系統(tǒng)、采購系統(tǒng)等已經(jīng)完成。目前已經(jīng)到了建立MES系統(tǒng)的時候。建立企業(yè)的MES可以解決企業(yè)目前存在的以下問題：
1．分廠管理人員，無法及時知道車間目前的加工狀況；分廠的管理無法做到實時控制；
2．無法及時統(tǒng)計生產(chǎn)線每一臺設(shè)備的加工情況：待加工件、正加工件、已完成件等信息；
3．無法及時統(tǒng)計車間的設(shè)備利用率，設(shè)備空轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)、運行的時間，分析和統(tǒng)計形成的原因；
4．產(chǎn)品因質(zhì)量出現(xiàn)用戶產(chǎn)品投訴的時候，能否根據(jù)產(chǎn)品號碼追溯這批產(chǎn)品的所有生產(chǎn)過程信息？能否立即查明它的：原料供應(yīng)商、操作機臺、操作人員、經(jīng)過的工序、生產(chǎn)時間日期和關(guān)鍵的工藝參數(shù)？
5．無法及時統(tǒng)計和監(jiān)控車間每一個零件的質(zhì)量信息。對于出現(xiàn)質(zhì)量異常情況的零件，及時提供監(jiān)控和控制。
6.同一條生產(chǎn)線需要混合組裝多種型號產(chǎn)品的時候，能否自動校驗和操作提示以防止工人部件裝配錯誤、產(chǎn)品生產(chǎn)流程錯誤、產(chǎn)品混裝和貨品交接錯誤？
7．不能及時統(tǒng)計分析車間加工過程中，出現(xiàn)的質(zhì)量問題，精確區(qū)分產(chǎn)品質(zhì)量的隨機波動與異常波動，將質(zhì)量隱患消滅于萌芽之中；
8．無法及時提供設(shè)備的運行態(tài)勢情況；
9．無法實時統(tǒng)計車間的關(guān)鍵零件的運行情況。比如機體、轉(zhuǎn)子等。
10．無法實時監(jiān)控每一個訂單的運行情況，并且以圖形的方式顯示出來。
11．如何對輔料進行分類處理，同時對每一輔料成本的分攤方式進行定義。
12．如何利用信息技術(shù)進行車間的二級成本核算和成本詳細列表。
總之，建立企業(yè)實時的MES系統(tǒng)，不僅可以提高車間的管理水平，而且可以大大提高企業(yè)的管理水平。在同行業(yè)的管理水平始終處于領(lǐng)先地位。
三、XX股份制冷機廠車間加工流程圖
下面描述制冷機廠生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)流程圖：
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車間加工過程流程圖
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車間現(xiàn)場調(diào)度流程圖
該流程圖反應(yīng)車間主要的加工過程，這些過程有的地方需要細化。具體的功能在以后的功能描述中，均已經(jīng)體現(xiàn)。
三、車間MES系統(tǒng)的功能描述
MES系統(tǒng)功能很多，我們前一期的車間系統(tǒng)，已經(jīng)有了許多的重疊功能。本方案將給出MES系統(tǒng)需要增加的功能。
3.1 工藝管理系統(tǒng)的改進
引言
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序4部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
不管是在科研設(shè)備中還是在家用微波爐中，都可以看到嵌入式控制技術(shù)的影子，嵌入式控制技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，并且越來越廣泛的進入到人們的生活中。
在控制電路的設(shè)計中，數(shù)據(jù)的輸入/輸出端口是控制器完成數(shù)據(jù)輸出和接收功能的關(guān)鍵部分，因此這一部分電路設(shè)計的好壞關(guān)系到控制器能否正常工作。
1 數(shù)字輸入端口邏輯設(shè)計分析
以控制器為中心，按照數(shù)據(jù)的流向分，控制器的端口分為數(shù)字輸入端和數(shù)字輸出端兩種，其中最簡單的一種I/O形式是數(shù)字輸入。下面從最簡單的數(shù)字輸入端設(shè)計來討論在輸入端口設(shè)計中遇到的實際問題和解決方法。由于控制器的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳數(shù)量少，并且在使用時要分時復(fù)用，因此一般控制器和外部設(shè)備之間使用緩沖器或鎖存器連接。如圖1所示，緩沖器74HC244放置在處理器和外部器件之間，當處理器要讀取連接在外部接口上的設(shè)備信號時，處理器通過READ引腳使74HC244輸出引腳有效。這樣，外部設(shè)備數(shù)據(jù)就能夠通過74HC244的A0~A3和B0~B3引腳傳輸?shù)?4HC244的緩沖器中，然后被送到數(shù)據(jù)總線上，微控制器就能夠讀入設(shè)備的數(shù)據(jù)了。
圖1
圖1所示的接口方式適合于輸入端少的情況，而對于現(xiàn)在面向便攜式設(shè)備的SoC設(shè)計，不僅要求性能高、體積小，更要求功耗低。一般而言，SoC的靜態(tài)功耗很小，而對負載電容充放電的動態(tài)功耗很大。如果總線上掛著很多功能設(shè)備，那么會導(dǎo)致總線的電容負載很大。如果總線與片外設(shè)備聯(lián)系，那么控制器還要驅(qū)動很長的片外連線以及片外設(shè)備。如果系統(tǒng)設(shè)計有許多數(shù)字輸入端，那么采用74HC244這種輸入方案就會有些問題。這是由于74HC244三態(tài)輸出端的最小電容值為20 pF，比SoC內(nèi)部各節(jié)點的電容負載0.05 pF高出三個量級，過多的74HC244連接會使處理器數(shù)據(jù)總線上的電容負載值比較大，使得數(shù)據(jù)總線無法接收數(shù)據(jù)。
為了減小電容對數(shù)據(jù)輸入的影響，可以對圖1所示的方案改進成如圖2所示的方案，采用數(shù)據(jù)選擇器來替代74HC244，比如用74HC257。74HC257輸出端的最大電容值為15 pF，比74HC244的輸出端電容稍小一些。從圖2中可以看到，采用74HC257可以使控制器的一條數(shù)據(jù)總線連接兩條輸入端，這就相當于一條數(shù)據(jù)總線的輸入電容值只有7.5 pF。當然，也可以采用8選1的數(shù)字邏輯電路，比如74LS138或74HC151，但是它們沒有三態(tài)功能，因此要與74HC244結(jié)合使用，來提供數(shù)字輸入功能。這樣能使處理器每條數(shù)據(jù)總線的輸入電容降為只使用74HC244時的1/8。
圖2
如果系統(tǒng)設(shè)計中不需要對多于數(shù)據(jù)總線數(shù)量的數(shù)字輸入端進行同時取樣，以上的74HC244和74HC257方案就完全可以適用。如果在系統(tǒng)設(shè)計中，要求必須同時取樣大量的數(shù)字輸入端，就必須在電路設(shè)計中使用鎖存器來鎖存數(shù)據(jù)。在電路設(shè)計中，經(jīng)常使用的鎖存器是74HC374和74HC574，這兩種鎖存器的功能相當。由于74HC574的輸入引腳和輸出引腳分列在集成塊的兩邊，這樣的排列使制作印刷電路板時的布線比較簡單；另一方面，74HC574的輸出電容值為15 pF，這個值與74HC244的輸出電容值幾乎一樣，因此在設(shè)計中一般選用74HC574，電路連接如圖3所示，使用鎖存器可以同時取樣大量的數(shù)據(jù)輸入端。
數(shù)據(jù)選擇器可以降低每條總線的負載電容值，而不能同時取樣數(shù)據(jù)輸入端。使用數(shù)據(jù)鎖存器，會增大數(shù)據(jù)總線的電容負載，這樣就必須在取樣數(shù)據(jù)線的數(shù)量和采用數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)量之間找到一個恰當?shù)狞c。
圖4給出了一個較好的解決方案。在電路中，移位寄存器74HC597被級聯(lián)在一起，并且與控制器的總線相連接， 這樣可以給處理器提供大量的數(shù)字輸入引腳，同時每條總線上的電容負載值又可以達到最小。
74HC597是移位寄存器，它有8個觸發(fā)器與輸入引腳相連，這些觸發(fā)器是邊沿觸發(fā)的輸入鎖存器；同時，74HC597有另外的8個邊沿觸發(fā)的鎖存器串聯(lián)在一起，構(gòu)成移位寄存器。在圖4中，當膠粘邏輯一個上升沿信號給RCLK時，數(shù)據(jù)輸入引腳的信號被同時取樣，接下來處理器通過膠粘邏輯傳送一個信號給SRLOAD，使取樣得到的數(shù)據(jù)從輸入鎖存器移入移位寄存器。在移位寄存器內(nèi)，處理器通過SRCLK使數(shù)據(jù)每一時鐘周期移動一位，數(shù)據(jù)在READ端允許讀出時，由D0引腳送到數(shù)據(jù)總線上。
還可以對這個電路進行簡單變形，將74HC597的QH信號引腳通過一個多路緩沖器連接到每一條數(shù)據(jù)總線上,比如采用74HC244，這樣改進后，減少了處理串行數(shù)據(jù)的時間，并且可以一次讀出。
2 數(shù)據(jù)輸入端口保護設(shè)計分析
前面已經(jīng)討論了多種解決微處理器數(shù)據(jù)總線和外部設(shè)備接口的方法，下面將從實踐的角度討論避免系統(tǒng)外部干擾的方法。
在電路設(shè)計中，使CMOS器件的輸入端懸空是一種不良的設(shè)計習(xí)慣，因為CMOS器件是電壓控制，而未被連接的輸入端有靠近CMOS門檻電壓輸入的趨勢，使得芯片內(nèi)部的三極管作不必要的開關(guān)動作，這既增加了噪聲干擾，又耗費了系統(tǒng)的功率。一般，使用上拉電阻或下拉電阻，把未被連接的輸入引腳與電源或接地點連接，使它們有一個確定的電壓值。CMOS輸入引腳的最大輸入電流非常小，只有1 μA左右，因此選用1 MΩ作為上拉電阻或下拉電阻。
在許多嵌入式系統(tǒng)中，輸入引腳的有效電壓一般是5 V以上或為負值（對地），在這種情況下，使用幾個電阻就可以防止輸入引腳過壓。如圖5所示，CMOS集成塊內(nèi)部的2個二極管可以把電壓鉗位在CMOS器件輸入電壓值，這2個二極管是高速CMOS器件（74HC系列）靜電保護措施的一部分。
如圖6所示，在輸入端連接2個肖特基二極管，這樣可以更安全的保護輸入端口，但是成本會高一些。前端電壓降到集成塊內(nèi)部2個二極管導(dǎo)通電壓的1/3，內(nèi)部的2個二極管不會導(dǎo)通，電流全部通過前端正向偏壓的肖特基二極管。這種電壓保護電路在有些應(yīng)用設(shè)計中是必須的。在一般設(shè)計中，沒有輸入引腳需要這樣的額外保護，因為這樣的外部電壓保護需要使用非常講究的印刷電路板，并且往電路板上安裝這些元件也需要一些制造成本，對于只采用無源元件的設(shè)計來說，這個安裝成本是不能忽略的。
圖3
圖4
圖5 圖6
圖7給出了另外一種保護方法，它有兩種作用：一是電容和電阻構(gòu)成一個低通濾波器，用來減小輸入信號的尖脈沖，而低頻信號能夠通過；二是低通濾波器還有靜電保護的功能。
下面討論這種設(shè)計，如果是理想電容器，1個0.1 μF的電容串聯(lián)一個22 kΩ電阻就能夠提供靜電保護。但是實際器件是不會工作在理想狀態(tài)下的，在電路中，有等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感存在，如圖8所示。
圖7
圖8
電容生產(chǎn)商通常會給出圖表，用來描述他們生產(chǎn)的電容器的典型ESR（等效串聯(lián)電阻）和ESL（等效串聯(lián)電感），方便設(shè)計者建立適當?shù)碾娐纺Ｐ停治鲭娐返墓ぷ髟?。但是建立這樣的模型還是很困難，因為電路模型中有些器件的參數(shù)是不好確定的。解決這一困難的方法只有通過實驗去驗證，這要增加試驗設(shè)備的成本。
電路中的防靜電保護裝置還有瞬態(tài)電壓抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor），它是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)kW的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于計算機、數(shù)碼相機等精密電子設(shè)備的保護電路中。如圖9所示，是一個在實踐中被很好保護的輸入引腳，其中L1是電感線圈，用來減少射頻干擾。
圖9所示電路對于大多數(shù)設(shè)計來說顯得過分復(fù)雜，但如果不使用光電隔離器件，對于精密的設(shè)計或者條件要求嚴格的設(shè)計來說，圖9所示電路是最好的。在這樣的設(shè)計中，元件價格和電路板元件位置的排列也是要考慮的要素。
由于在制造金屬膜電阻時，金屬線中插入了一些絕緣層來改變金屬線的幾何結(jié)構(gòu)以達到一個準確的電阻值，而這使得靜電容易從絕緣面滲入金屬層。使用這種類型電阻構(gòu)成的電路有兩種后果：第一，當有靜電電壓時，實際有效電阻值會比其標稱值小；第二，容易形成電離通道，改變電阻的實際值。表面貼片電阻有另外一個問題，那就是當有靜電電壓時，它們與金屬層的焊接點會形成發(fā)熱點，這是由于金屬表面不均勻的電流密度引起的。這樣會造成貼片電阻被靜電電流燒毀，在電路中選用電阻時，普通的炭膜電阻是最好的選擇。
圖9光電隔離器件也可以用于數(shù)字輸入引腳靜電保護和防干擾，它們可以用來隔離幾kV的電壓，而輸入設(shè)備必須提供比CMOS門電路需要的電流大1000倍的輸入電流給光電隔離器件。光電隔離器件轉(zhuǎn)換速度比較慢，并且在設(shè)計中還要考慮如何保護光電隔離器件中的LED不受靜電的破壞，設(shè)計中，要根據(jù)設(shè)計的需要進行合適的選擇。
結(jié)語
輸入接口設(shè)計是嵌入式控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因為嵌入式控制器外部數(shù)據(jù)的接收，外部設(shè)備狀態(tài)的反饋都要通過接口才能交給處理器。設(shè)計輸入端口時主要考慮兩個方面的實際情況：一是負載能力，即輸入信號能否被控制器接收，二是靜電的防護，現(xiàn)在很多處理器采用CMOS工藝封裝，這能夠滿足低功耗的要求，同時對靜電防護要求更高。
