數據集成是實施MES的基礎 將生產管理層的生產運行，產品質量、原料和產品輸送、動力能耗等數據進行匯總和處理 ，使下層生產過程的實時信息和上層企業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化控制、優化調度和優化決策等調度或指令。?

基于ERP/MES/PCS三層架構的現代集成制造系統模型如圖所示。其中ERP系統以財務分析/決策為核心的整體資源優化的技術，強調企業的計劃性；MES系統以生產綜合指標為目標的生產過程優化控制、生產運行優化操作的技術，強調計劃的執行；PCS系統以設備綜合管理控制為核心的技術，強調設備的控制。要實現企業綜合自動化(即管控一體化)，處于中間層的生產執行系統MES是不可或缺的。

ERP/MES/PCS三層架構集成制造系統

應用程序訪問過程控制設備方法

（1）驅動程序法，如圖所示，使用M個應用軟件，N個設備，則驅動程序數目為M×N。缺點在于結構復雜，開發人員花費大量精力開發驅動程序。

驅動程序法

（2）DDE方法，如圖所示，結構不太復雜，但需要專用DDE導出鏈表。缺點在于數據的傳送速度較慢，功能缺乏柔韌性，可靠性難以令人滿意，不適應分布式應用。

DDE方法

（3）OPC方法，如圖所示，任何一種設備只需要提供一種驅動就可以供任何軟件系統使用。與其他兩種方法相比，優勢在于結構簡單，開發工作量小，數據傳送速度快，可靠性高。

OPC方法

OPC UA 服務器與客戶主要的交互實現

(1)客戶發送服務請求，經底層通信實體發送給OPC UA通信棧，并通過OPC UA服務器接I3調用請求/響應服務，在地址空間的一個或多個節點上執行指定任務之后，返回一個響應；

(2)客戶發送發布請求，經底層通信實體發送給OPC UA通信棧，并通過OPC UA服務器接口發送給預定，當預定指定的監視項探測到數據變化或者事件/警報發生時，監視項生成一個通知發送給預定，并由預定發送給客戶。

另外，一個服務器可作為一個客戶與另一個服務器進行交互，通過服務器之間的交互可以實現：服務器之間基于P2P的信息交換；鏈接服務器形成一個分層體系。

基于OPC UA的企業不同屢次應用間的交互

因此，通過OPC UA服務器，企業容易實現現場控制層到企業層的數據訪問。而MES作為OPC UA服務器的一個客戶，同時又可以作為OPC UA服務器為ERP系統提供OPC UA服務從而實現控制層到企業層數據訪問和交互，在各個網絡層次之間均設有防火墻來保證整個企業應用系統的安全。

MES信息集成新需求

傳統MES已經成功地運用OPC COM/DCOM進行了車間局域網過程信息集成，但隨著企業信息化的進一步深化，現代MES對OPC產生了以下4個方面的新需求：

(1)基于Internet的信息集成傳統的MES都是在企業的局域網內進行集成，但隨著Internet的發展，企業要求MES可以穿越企業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，從而構建基于,Internet集成的企業應用。

(2)多操作環境的信息集成由于歷史的“遺留系統”以及企業信息化實施的差異，在企業內部普遍存在多操作環境并存的現象，在一定的程度上束縛了企業過程信息集成的進程成為企業實現信息連通的巨大障礙。

(3)在線資產管理需求隨著DCS系統的應用和發展，客戶越來越希望通過對設備的在線狀態進行實時管理，從而可以優化生產設備，提高生產效率，并提早對現有設備進行維護，避免重大事故發生。而傳統的OPC只能提供簡單數據的獲取，而不能實現設備的工程數據描述，即缺乏現場設備的語義信息，而這些信息對于MES系統中的資產管理模塊十分重要。目前基于OPC的資產管理模塊，對于現場設備里面的數據，供應商在進行開發時往往不能對現有的設備描述進行重用，而是要去讀設備開發指南，開發過程較慢，且準確率較低。

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

通過MES的上述4個新需求，結合OPC UA的規范特點，對OPC UA對象模型進行研究，創建適用于OPC UA的設備描述，使得這種描述不僅能為MES系統所用，而且能為ERP系統使用，同時提出了針對現有的OPC服務器重用，提出了切實可行的基于OPC UA的MES信息集成框架。

MES與OPC UA的設備信息描述

如前所述，由于OPC UA具有優良的結構化信息模型，客戶端不僅可以獲得數據，也可獲得與該數據相關的描述信息，因而這種機制不僅為MES系統提供了統一的程序調用接口(WSDL，SOAP)也為MES系統提供了通用的數據模型，從而為MES系統與控制系統實現真正的無縫連接創造了條件。

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OPC UA的設備信息描述

OPC UA服務器的地址空間是由一系列節點經過組織而構成的，客戶端通過OPC服務來訪問它。地址空間里的節點是用于表現真實對象、對象的定義以及對象問的引用(reference)。在現有OPC規范中，各個規范單獨定義自己的地址空間和服務，而OPC UA把這種模型統一為一個集成的地址空間。這種結構包含3個部分：對象、類型和視點。由于這種結構是以層次的方式組織的，對象之間的關系是通過層次結構中不同對象問的關聯來實現的，如圖所示。

UA地址空間模型

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OPC UA的設備描述

在MES系統中的應用通過在OPC UA服務器的地址空間中對控制層物理設備進行描述，MES作為客戶端軟件則可通過調用設備描述提供的方法和命令來實現對物理設備進行諸如設備參數的在線讀取、設備參數的配置以及故障診斷信息獲取等，從而可以實現MES系統對現場設備的在線監控和遠程控制，具體實現結構如圖所示。

基于OPC UA的設備描述在MES系統中的應用架構

基于OPC UA的MES信息集成框架

根據上述OPC UA不但在體系結構上為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有的OPC不可克服的問題(不包含數據的語義信息)。然而，由于現有的OPC規范在工業界具有廣泛地應用，如果在支持OPC UA規范的前提條件下，又能對現有的OPC服務器進行重用，并在此基礎上開發基于OPC UA的MES系統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

現有的基于COM的OPC服務器應用接口來獲取工業網絡中設備內的數據。因此，要想能夠對原有的基于COM的OPC服務器方案進行重用，則需要對現有的服務器進行包裝。包裝的過程主要是在不同的OPC COM服務器最上層構建一個基于Web服務的包裝器。該包裝器將COM服務器中的不同的方法轉化為Web服務。當然，該包裝過程不僅僅包含將COM方法轉化為Web服務，同時也對原有的OPC設備模型進行轉換，使設備的參數帶有工程單位、設備類型等描述。通過使用這種方法，既能對現有的基于COM的OPC解決方案進行重用，又能充分利用OPC UA服務器在信息模型、安全、技術以及互操作性方面的優勢。