基于ERP/MES/PCS三層架構(gòu)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)集成是實(shí)施MES的基礎(chǔ) 將生產(chǎn)管理層的生產(chǎn)運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量、原料和產(chǎn)品輸送、動(dòng)力能耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理 ，使下層生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)信息和上層企業(yè)資源管理等的各類信息都在MES層中融合，并通過(guò)信息集成形成優(yōu)化控制、優(yōu)化調(diào)度和優(yōu)化決策等調(diào)度或指令。?

基于ERP/MES/PCS三層架構(gòu)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)模型如圖所示。其中ERP系統(tǒng)以財(cái)務(wù)分析/決策為核心的整體資源優(yōu)化的技術(shù)，強(qiáng)調(diào)企業(yè)的計(jì)劃性；MES系統(tǒng)以生產(chǎn)綜合指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化控制、生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化操作的技術(shù)，強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行；PCS系統(tǒng)以設(shè)備綜合管理控制為核心的技術(shù)，強(qiáng)調(diào)設(shè)備的控制。要實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合自動(dòng)化(即管控一體化)，處于中間層的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES是不可或缺的。

ERP/MES/PCS三層架構(gòu)集成制造系統(tǒng)

應(yīng)用程序訪問(wèn)過(guò)程控制設(shè)備方法

（1）驅(qū)動(dòng)程序法，如圖所示，使用M個(gè)應(yīng)用軟件，N個(gè)設(shè)備，則驅(qū)動(dòng)程序數(shù)目為M×N。缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)人員花費(fèi)大量精力開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

驅(qū)動(dòng)程序法

（2）DDE方法，如圖所示，結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，但需要專用DDE導(dǎo)出鏈表。缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的傳送速度較慢，功能缺乏柔韌性，可靠性難以令人滿意，不適應(yīng)分布式應(yīng)用。

DDE方法

（3）OPC方法，如圖所示，任何一種設(shè)備只需要提供一種驅(qū)動(dòng)就可以供任何軟件系統(tǒng)使用。與其他兩種方法相比，優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)工作量小，數(shù)據(jù)傳送速度快，可靠性高。

OPC方法

OPC UA 服務(wù)器與客戶主要的交互實(shí)現(xiàn)

(1)客戶發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，經(jīng)底層通信實(shí)體發(fā)送給OPC UA通信棧，并通過(guò)OPC UA服務(wù)器接I3調(diào)用請(qǐng)求/響應(yīng)服務(wù)，在地址空間的一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行指定任務(wù)之后，返回一個(gè)響應(yīng)；

(2)客戶發(fā)送發(fā)布請(qǐng)求，經(jīng)底層通信實(shí)體發(fā)送給OPC UA通信棧，并通過(guò)OPC UA服務(wù)器接口發(fā)送給預(yù)定，當(dāng)預(yù)定指定的監(jiān)視項(xiàng)探測(cè)到數(shù)據(jù)變化或者事件/警報(bào)發(fā)生時(shí)，監(jiān)視項(xiàng)生成一個(gè)通知發(fā)送給預(yù)定，并由預(yù)定發(fā)送給客戶。

另外，一個(gè)服務(wù)器可作為一個(gè)客戶與另一個(gè)服務(wù)器進(jìn)行交互，通過(guò)服務(wù)器之間的交互可以實(shí)現(xiàn)：服務(wù)器之間基于P2P的信息交換；鏈接服務(wù)器形成一個(gè)分層體系。

基于OPC UA的企業(yè)不同屢次應(yīng)用間的交互

因此，通過(guò)OPC UA服務(wù)器，企業(yè)容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制層到企業(yè)層的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。而MES作為OPC UA服務(wù)器的一個(gè)客戶，同時(shí)又可以作為OPC UA服務(wù)器為ERP系統(tǒng)提供OPC UA服務(wù)從而實(shí)現(xiàn)控制層到企業(yè)層數(shù)據(jù)訪問(wèn)和交互，在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次之間均設(shè)有防火墻來(lái)保證整個(gè)企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的安全。

MES信息集成新需求

傳統(tǒng)MES已經(jīng)成功地運(yùn)用OPC COM/DCOM進(jìn)行了車間局域網(wǎng)過(guò)程信息集成，但隨著企業(yè)信息化的進(jìn)一步深化，現(xiàn)代MES對(duì)OPC產(chǎn)生了以下4個(gè)方面的新需求：

(1)基于Internet的信息集成傳統(tǒng)的MES都是在企業(yè)的局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行集成，但隨著Internet的發(fā)展，企業(yè)要求MES可以穿越企業(yè)的防火墻來(lái)傳遞車間過(guò)程信息，可以通過(guò)Internet來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展其能力，從而構(gòu)建基于,Internet集成的企業(yè)應(yīng)用。

(2)多操作環(huán)境的信息集成由于歷史的“遺留系統(tǒng)”以及企業(yè)信息化實(shí)施的差異，在企業(yè)內(nèi)部普遍存在多操作環(huán)境并存的現(xiàn)象，在一定的程度上束縛了企業(yè)過(guò)程信息集成的進(jìn)程成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息連通的巨大障礙。

(3)在線資產(chǎn)管理需求隨著DCS系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，客戶越來(lái)越希望通過(guò)對(duì)設(shè)備的在線狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，從而可以優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，并提早對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，避免重大事故發(fā)生。而傳統(tǒng)的OPC只能提供簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)的獲取，而不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的工程數(shù)據(jù)描述，即缺乏現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的語(yǔ)義信息，而這些信息對(duì)于MES系統(tǒng)中的資產(chǎn)管理模塊十分重要。目前基于OPC的資產(chǎn)管理模塊，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備里面的數(shù)據(jù)，供應(yīng)商在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)往往不能對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備描述進(jìn)行重用，而是要去讀設(shè)備開(kāi)發(fā)指南，開(kāi)發(fā)過(guò)程較慢，且準(zhǔn)確率較低。

(4)安全性要求由于整個(gè)MES系統(tǒng)是在Internet環(huán)境下運(yùn)行，因此整個(gè)系統(tǒng)的安全性尤為重要。

通過(guò)MES的上述4個(gè)新需求，結(jié)合OPC UA的規(guī)范特點(diǎn)，對(duì)OPC UA對(duì)象模型進(jìn)行研究，創(chuàng)建適用于OPC UA的設(shè)備描述，使得這種描述不僅能為MES系統(tǒng)所用，而且能為ERP系統(tǒng)使用，同時(shí)提出了針對(duì)現(xiàn)有的OPC服務(wù)器重用，提出了切實(shí)可行的基于OPC UA的MES信息集成框架。

MES與OPC UA的設(shè)備信息描述

如前所述，由于OPC UA具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)化信息模型，客戶端不僅可以獲得數(shù)據(jù)，也可獲得與該數(shù)據(jù)相關(guān)的描述信息，因而這種機(jī)制不僅為MES系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的程序調(diào)用接口(WSDL，SOAP)也為MES系統(tǒng)提供了通用的數(shù)據(jù)模型，從而為MES系統(tǒng)與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)縫連接創(chuàng)造了條件。

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OPC UA的設(shè)備信息描述

OPC UA服務(wù)器的地址空間是由一系列節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)組織而構(gòu)成的，客戶端通過(guò)OPC服務(wù)來(lái)訪問(wèn)它。地址空間里的節(jié)點(diǎn)是用于表現(xiàn)真實(shí)對(duì)象、對(duì)象的定義以及對(duì)象問(wèn)的引用(reference)。在現(xiàn)有OPC規(guī)范中，各個(gè)規(guī)范單獨(dú)定義自己的地址空間和服務(wù)，而OPC UA把這種模型統(tǒng)一為一個(gè)集成的地址空間。這種結(jié)構(gòu)包含3個(gè)部分：對(duì)象、類型和視點(diǎn)。由于這種結(jié)構(gòu)是以層次的方式組織的，對(duì)象之間的關(guān)系是通過(guò)層次結(jié)構(gòu)中不同對(duì)象問(wèn)的關(guān)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖所示。

UA地址空間模型

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OPC UA的設(shè)備描述

在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用通過(guò)在OPC UA服務(wù)器的地址空間中對(duì)控制層物理設(shè)備進(jìn)行描述，MES作為客戶端軟件則可通過(guò)調(diào)用設(shè)備描述提供的方法和命令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行諸如設(shè)備參數(shù)的在線讀取、設(shè)備參數(shù)的配置以及故障診斷信息獲取等，從而可以實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的在線監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖所示。

基于OPC UA的設(shè)備描述在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用架構(gòu)

基于OPC UA的MES信息集成框架

根據(jù)上述OPC UA不但在體系結(jié)構(gòu)上為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現(xiàn)有的OPC不可克服的問(wèn)題(不包含數(shù)據(jù)的語(yǔ)義信息)。然而，由于現(xiàn)有的OPC規(guī)范在工業(yè)界具有廣泛地應(yīng)用，如果在支持OPC UA規(guī)范的前提條件下，又能對(duì)現(xiàn)有的OPC服務(wù)器進(jìn)行重用，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)基于OPC UA的MES系統(tǒng)則成為目前迫切解決的一個(gè)課題。

基于OPC UA的MES信息集成架構(gòu)

現(xiàn)有的基于COM的OPC服務(wù)器應(yīng)用接口來(lái)獲取工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)。因此，要想能夠?qū)υ械幕贑OM的OPC服務(wù)器方案進(jìn)行重用，則需要對(duì)現(xiàn)有的服務(wù)器進(jìn)行包裝。包裝的過(guò)程主要是在不同的OPC COM服務(wù)器最上層構(gòu)建一個(gè)基于Web服務(wù)的包裝器。該包裝器將COM服務(wù)器中的不同的方法轉(zhuǎn)化為Web服務(wù)。當(dāng)然，該包裝過(guò)程不僅僅包含將COM方法轉(zhuǎn)化為Web服務(wù)，同時(shí)也對(duì)原有的OPC設(shè)備模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使設(shè)備的參數(shù)帶有工程單位、設(shè)備類型等描述。通過(guò)使用這種方法，既能對(duì)現(xiàn)有的基于COM的OPC解決方案進(jìn)行重用，又能充分利用OPC UA服務(wù)器在信息模型、安全、技術(shù)以及互操作性方面的優(yōu)勢(shì)。