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)集成是實施MES的基礎(chǔ) 將生產(chǎn)管理層的生產(chǎn)運行，產(chǎn)品質(zhì)量、原料和產(chǎn)品輸送、動力能耗等數(shù)據(jù)進行匯總和處理 ，使下層生產(chǎn)過程的實時信息和上層企業(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)以財務(wù)分析/決策為核心的整體資源優(yōu)化的技術(shù)，強調(diào)企業(yè)的計劃性；MES系統(tǒng)以生產(chǎn)綜合指標為目標的生產(chǎn)過程優(yōu)化控制、生產(chǎn)運行優(yōu)化操作的技術(shù)，強調(diào)計劃的執(zhí)行；PCS系統(tǒng)以設(shè)備綜合管理控制為核心的技術(shù)，強調(diào)設(shè)備的控制。要實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化(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)用程序訪問過程控制設(shè)備方法

（1）驅(qū)動程序法，如圖所示，使用M個應(yīng)用軟件，N個設(shè)備，則驅(qū)動程序數(shù)目為M×N。缺點在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)人員花費大量精力開發(fā)驅(qū)動程序。

驅(qū)動程序法

（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)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，開發(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現(xiàn)

(1)客戶發(fā)送服務(wù)請求，經(jīng)底層通信實體發(fā)送給OPC UA通信棧，并通過OPC UA服務(wù)器接I3調(diào)用請求/響應(yīng)服務(wù)，在地址空間的一個或多個節(jié)點上執(zhí)行指定任務(wù)之后，返回一個響應(yīng)；

(2)客戶發(fā)送發(fā)布請求，經(jīng)底層通信實體發(fā)送給OPC UA通信棧，并通過OPC UA服務(wù)器接口發(fā)送給預(yù)定，當預(yù)定指定的監(jiān)視項探測到數(shù)據(jù)變化或者事件/警報發(fā)生時，監(jiān)視項生成一個通知發(fā)送給預(yù)定，并由預(yù)定發(fā)送給客戶。

另外，一個服務(wù)器可作為一個客戶與另一個服務(wù)器進行交互，通過服務(wù)器之間的交互可以實現(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OPC UA服務(wù)器，企業(yè)容易實現(xiàn)現(xiàn)場控制層到企業(yè)層的數(shù)據(jù)訪問。而MES作為OPC UA服務(wù)器的一個客戶，同時又可以作為OPC UA服務(wù)器為ERP系統(tǒng)提供OPC UA服務(wù)從而實現(xiàn)控制層到企業(yè)層數(shù)據(jù)訪問和交互，在各個網(wǎng)絡(luò)層次之間均設(shè)有防火墻來保證整個企業(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)成功地運用OPC COM/DCOM進行了車間局域網(wǎng)過程信息集成，但隨著企業(yè)信息化的進一步深化，現(xiàn)代MES對OPC產(chǎn)生了以下4個方面的新需求：

(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)的防火墻來傳遞車間過程信息，可以通過Internet來進一步擴展其能力，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)過程信息集成的進程成為企業(yè)實現(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，客戶越來越希望通過對設(shè)備的在線狀態(tài)進行實時管理，從而可以優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，并提早對現(xiàn)有設(shè)備進行維護，避免重大事故發(fā)生。而傳統(tǒng)的OPC只能提供簡單數(shù)據(jù)的獲取，而不能實現(xiàn)設(shè)備的工程數(shù)據(jù)描述，即缺乏現(xiàn)場設(shè)備的語義信息，而這些信息對于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，對于現(xiàn)場設(shè)備里面的數(shù)據(jù)，供應(yīng)商在進行開發(fā)時往往不能對現(xiàn)有的設(shè)備描述進行重用，而是要去讀設(shè)備開發(fā)指南，開發(fā)過程較慢，且準確率較低。

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

通過MES的上述4個新需求，結(jié)合OPC UA的規(guī)范特點，對OPC UA對象模型進行研究，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，同時提出了針對現(xiàn)有的OPC服務(wù)器重用，提出了切實可行的基于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)實現(xiàn)真正的無縫連接創(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)點經(jīng)過組織而構(gòu)成的，客戶端通過OPC服務(wù)來訪問它。地址空間里的節(jié)點是用于表現(xiàn)真實對象、對象的定義以及對象問的引用(reference)。在現(xiàn)有OPC規(guī)范中，各個規(guī)范單獨定義自己的地址空間和服務(wù)，而OPC UA把這種模型統(tǒng)一為一個集成的地址空間。這種結(jié)構(gòu)包含3個部分：對象、類型和視點。由于這種結(jié)構(gòu)是以層次的方式組織的，對象之間的關(guān)系是通過層次結(jié)構(gòu)中不同對象問的關(guān)聯(lián)來實現(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)用通過在OPC UA服務(wù)器的地址空間中對控制層物理設(shè)備進行描述，MES作為客戶端軟件則可通過調(diào)用設(shè)備描述提供的方法和命令來實現(xiàn)對物理設(shè)備進行諸如設(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，從而可以實現(xiàn)MES系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的在線監(jiān)控和遠程控制，具體實現(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不可克服的問題(不包含數(shù)據(jù)的語義信息)。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，又能對現(xiàn)有的OPC服務(wù)器進行重用，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)基于OPC UA的MES系統(tǒng)則成為目前迫切解決的一個課題。

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)器方案進行重用，則需要對現(xiàn)有的服務(wù)器進行包裝。包裝的過程主要是在不同的OPC COM服務(wù)器最上層構(gòu)建一個基于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)。當然，該包裝過程不僅僅包含將COM方法轉(zhuǎn)化為Web服務(wù)，同時也對原有的OPC設(shè)備模型進行轉(zhuǎn)換，使設(shè)備的參數(shù)帶有工程單位、設(shè)備類型等描述。通過使用這種方法，既能對現(xiàn)有的基于COM的OPC解決方案進行重用，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。