基于ERP/MES/PCS三层架构的现代集成制造系统模型

数据集成是实施MES的基础 将生产管理层的生产运行，产品质量、原料和产品输送、动力能耗等数据进行汇总和处理 ，使下层生产过程的实时信息和上层企业资源管理等的各类信息都在MES层中融合，并通过信息集成形成优化控制、优化调度和优化决策等调度或指令。‍

基于ERP/MES/PCS三层架构的现代集成制造系统模型如图所示。其中ERP系统以财务分析/决策为核心的整体资源优化的技术，强调企业的计划性；MES系统以生产综合指标为目标的生产过程优化控制、生产运行优化操作的技术，强调计划的执行；PCS系统以设备综合管理控制为核心的技术，强调设备的控制。要实现企业综合自动化(即管控一体化)，处于中间层的生产执行系统MES是不可或缺的。

ERP/MES/PCS三层架构集成制造系统

应用程序访问过程控制设备方法

（1）驱动程序法，如图所示，使用M个应用软件，N个设备，则驱动程序数目为M×N。缺点在于结构复杂，开发人员花费大量精力开发驱动程序。

驱动程序法

（2）DDE方法，如图所示，结构不太复杂，但需要专用DDE导出链表。缺点在于数据的传送速度较慢，功能缺乏柔韧性，可靠性难以令人满意，不适应分布式应用。

DDE方法

（3）OPC方法，如图所示，任何一种设备只需要提供一种驱动就可以供任何软件系统使用。与其他两种方法相比，优势在于结构简单，开发工作量小，数据传送速度快，可靠性高。

OPC方法

OPC UA 服务器与客户主要的交互实现

(1)客户发送服务请求，经底层通信实体发送给OPC UA通信栈，并通过OPC UA服务器接I3调用请求/响应服务，在地址空间的一个或多个节点上执行指定任务之后，返回一个响应；

(2)客户发送发布请求，经底层通信实体发送给OPC UA通信栈，并通过OPC UA服务器接口发送给预定，当预定指定的监视项探测到数据变化或者事件/警报发生时，监视项生成一个通知发送给预定，并由预定发送给客户。

另外，一个服务器可作为一个客户与另一个服务器进行交互，通过服务器之间的交互可以实现：服务器之间基于P2P的信息交换；链接服务器形成一个分层体系。

基于OPC UA的企业不同屡次应用间的交互

因此，通过OPC UA服务器，企业容易实现现场控制层到企业层的数据访问。而MES作为OPC UA服务器的一个客户，同时又可以作为OPC UA服务器为ERP系统提供OPC UA服务从而实现控制层到企业层数据访问和交互，在各个网络层次之间均设有防火墙来保证整个企业应用系统的安全。

MES信息集成新需求

传统MES已经成功地运用OPC COM/DCOM进行了车间局域网过程信息集成，但随着企业信息化的进一步深化，现代MES对OPC产生了以下4个方面的新需求：

(1)基于Internet的信息集成传统的MES都是在企业的局域网内进行集成，但随着Internet的发展，企业要求MES可以穿越企业的防火墙来传递车间过程信息，可以通过Internet来进一步扩展其能力，从而构建基于,Internet集成的企业应用。

(2)多操作环境的信息集成由于历史的“遗留系统”以及企业信息化实施的差异，在企业内部普遍存在多操作环境并存的现象，在一定的程度上束缚了企业过程信息集成的进程成为企业实现信息连通的巨大障碍。

(3)在线资产管理需求随着DCS系统的应用和发展，客户越来越希望通过对设备的在线状态进行实时管理，从而可以优化生产设备，提高生产效率，并提早对现有设备进行维护，避免重大事故发生。而传统的OPC只能提供简单数据的获取，而不能实现设备的工程数据描述，即缺乏现场设备的语义信息，而这些信息对于MES系统中的资产管理模块十分重要。目前基于OPC的资产管理模块，对于现场设备里面的数据，供应商在进行开发时往往不能对现有的设备描述进行重用，而是要去读设备开发指南，开发过程较慢，且准确率较低。

(4)安全性要求由于整个MES系统是在Internet环境下运行，因此整个系统的安全性尤为重要。

通过MES的上述4个新需求，结合OPC UA的规范特点，对OPC UA对象模型进行研究，创建适用于OPC UA的设备描述，使得这种描述不仅能为MES系统所用，而且能为ERP系统使用，同时提出了针对现有的OPC服务器重用，提出了切实可行的基于OPC UA的MES信息集成框架。

MES与OPC UA的设备信息描述

如前所述，由于OPC UA具有优良的结构化信息模型，客户端不仅可以获得数据，也可获得与该数据相关的描述信息，因而这种机制不仅为MES系统提供了统一的程序调用接口(WSDL，SOAP)也为MES系统提供了通用的数据模型，从而为MES系统与控制系统实现真正的无缝连接创造了条件。

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OPC UA的设备信息描述

OPC UA服务器的地址空间是由一系列节点经过组织而构成的，客户端通过OPC服务来访问它。地址空间里的节点是用于表现真实对象、对象的定义以及对象问的引用(reference)。在现有OPC规范中，各个规范单独定义自己的地址空间和服务，而OPC UA把这种模型统一为一个集成的地址空间。这种结构包含3个部分：对象、类型和视点。由于这种结构是以层次的方式组织的，对象之间的关系是通过层次结构中不同对象问的关联来实现的，如图所示。

UA地址空间模型

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OPC UA的设备描述

在MES系统中的应用通过在OPC UA服务器的地址空间中对控制层物理设备进行描述，MES作为客户端软件则可通过调用设备描述提供的方法和命令来实现对物理设备进行诸如设备参数的在线读取、设备参数的配置以及故障诊断信息获取等，从而可以实现MES系统对现场设备的在线监控和远程控制，具体实现结构如图所示。

基于OPC UA的设备描述在MES系统中的应用架构

基于OPC UA的MES信息集成框架

根据上述OPC UA不但在体系结构上为MES信息集成提供了很好的支持，而且在信息模型的描述方面也克服了现有的OPC不可克服的问题(不包含数据的语义信息)。然而，由于现有的OPC规范在工业界具有广泛地应用，如果在支持OPC UA规范的前提条件下，又能对现有的OPC服务器进行重用，并在此基础上开发基于OPC UA的MES系统则成为目前迫切解决的一个课题。

基于OPC UA的MES信息集成架构

现有的基于COM的OPC服务器应用接口来获取工业网络中设备内的数据。因此，要想能够对原有的基于COM的OPC服务器方案进行重用，则需要对现有的服务器进行包装。包装的过程主要是在不同的OPC COM服务器最上层构建一个基于Web服务的包装器。该包装器将COM服务器中的不同的方法转化为Web服务。当然，该包装过程不仅仅包含将COM方法转化为Web服务，同时也对原有的OPC设备模型进行转换，使设备的参数带有工程单位、设备类型等描述。通过使用这种方法，既能对现有的基于COM的OPC解决方案进行重用，又能充分利用OPC UA服务器在信息模型、安全、技术以及互操作性方面的优势。