所謂MES系統(tǒng)架構(gòu)，是指MES系統(tǒng)的基礎(chǔ)組織，包含各個構(gòu)件、構(gòu)件互相之間與環(huán)境的關(guān)系，以及指導其設(shè)計和演化的原則。MES系統(tǒng)架構(gòu)主要指MES的軟件架構(gòu)或IT架構(gòu)。MES作為大型軟件系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)對于MES系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)、應(yīng)用部署以及升級維護等均具有十分重要的影響?；谙冗M架構(gòu)的MES系統(tǒng)具有開放式、客戶化、可配置、可伸縮、易集成等特性，可支持針對企業(yè)業(yè)務(wù)流程的變更或重組進行系統(tǒng)重構(gòu)和快速配置，以適應(yīng)現(xiàn)代制造環(huán)境的變化。

　　1.基于改進C/S結(jié)構(gòu)與組件技術(shù)的三層系統(tǒng)架構(gòu) 

　　MES軟件系統(tǒng)一般由三大部分組成，即用戶界面部分、業(yè)務(wù)邏輯部分和數(shù)據(jù)儲存部分。對于早期的專用MES系統(tǒng)而言，上述三大部分是緊密結(jié)合、密不可分的;對于集成化MES系統(tǒng)，為了保障系統(tǒng)各功能之間的數(shù)據(jù)集成性，將數(shù)據(jù)集中到服務(wù)器上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，形成了具有兩層結(jié)構(gòu)的C/S架構(gòu);發(fā)展到可集成MES階段，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的可集成性與可重構(gòu)性，將三部分獨立開來，并進一步與組件技術(shù)相結(jié)合，形成了如圖1所示的基于改進C/S結(jié)構(gòu)與組件技術(shù)的MES三層系統(tǒng)架構(gòu)。其中，表示層用于界面引導，接受用戶輸入，并向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請求，顯示處理結(jié)果;業(yè)務(wù)邏輯層用于執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，向數(shù)據(jù)庫發(fā)送請求;數(shù)據(jù)存儲層用于執(zhí)行數(shù)據(jù)邏輯，運行SQL或存儲過程。

　　圖1 基于改進C/S結(jié)構(gòu)與組件技術(shù)的MES三層體系統(tǒng)架構(gòu)

　　上述基于改進C/S結(jié)構(gòu)與組件技術(shù)的MES三層系統(tǒng)架構(gòu)的顯著優(yōu)點是實現(xiàn)了MES業(yè)務(wù)邏輯與表示層的分離，并可實現(xiàn)功能組件的重用，從而大大提高了MES系統(tǒng)的開發(fā)效率?；诮M件技術(shù)開發(fā)的MES具有良好的可配置性、可重用性、可擴展性和可集成性，可以較好滿足現(xiàn)代制造企業(yè)對MES的需求。但上述C/S架構(gòu)也有其明顯的局限性。首先，該系統(tǒng)架構(gòu)下的MES組件是面向功能的，粒度較小，不能實現(xiàn)系統(tǒng)與制造業(yè)務(wù)的良好對應(yīng)。其次，MES系統(tǒng)客戶端與服務(wù)器端的實現(xiàn)必須采用相同的構(gòu)件體系，且組件須是同構(gòu)技術(shù)，從而制約了系統(tǒng)自由擴充的實現(xiàn)。第三，基于該系統(tǒng)架構(gòu)的MES系統(tǒng)往往只能部署在局域網(wǎng)中，無法跨網(wǎng)運行，限制了異地制造協(xié)同的實現(xiàn)。最后，基于該架構(gòu)的MES系統(tǒng)雖然更新業(yè)務(wù)邏輯或數(shù)據(jù)變得容易，不需要在客戶端機器上重新安裝新版本的用戶界面，但是客戶端跟業(yè)務(wù)邏輯的關(guān)系仍較緊密，如果表示層軟件發(fā)生變動，仍需要重新安裝客戶端?；谏鲜霾蛔悖霈F(xiàn)了基于B/S結(jié)構(gòu)的MES分布式系統(tǒng)架構(gòu)。

　　 2.基于B/S結(jié)構(gòu)的MES分布式系統(tǒng)架構(gòu) 

　　B/S結(jié)構(gòu)(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式)，是WEB興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，WEB瀏覽器是客戶端主要的應(yīng)用軟件。在某些制造業(yè)的生產(chǎn)車間，生產(chǎn)現(xiàn)場條件相對比較惡劣，如果采用C/S結(jié)構(gòu)的MES系統(tǒng)，對系統(tǒng)硬件的配置要求較高，成本會大幅度增加。因為相比C/S結(jié)構(gòu)而言，采用B/S架構(gòu)MES不用像C/S結(jié)構(gòu)的MES那樣在安裝和升級時，需要到每一臺客戶端進行客戶端的配置，只需在服務(wù)器上進行一次安裝升級即可。在客戶端只需瀏覽器，無需額外的配置，對客戶端計算機配置要求低，客戶無需再投入資金購買配置高的計算機。這樣使得軟件的維護和升級較為方便，可實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫升級，大大降低了系統(tǒng)的維護成本。此外，由于B/S架構(gòu)操作性強，用戶可以在任何一臺裝有瀏覽器的主機上使用系統(tǒng)，而不需要專門的客戶端軟件，克服了傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)安裝和維護困難的不足。而且，B/S實現(xiàn)了C/S結(jié)構(gòu)不能實現(xiàn)的很多功能，如遠程操作和分布式操作等。如此，用戶可在外網(wǎng)訪問到MES系統(tǒng)而不局限于只能在內(nèi)網(wǎng)，從而大大提高辦公效率。

　　基于B/S結(jié)構(gòu)的MES分布式系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。該架構(gòu)亦由三層組成：第一層是表示層，由基于Web瀏覽器的標準客戶端和基于專用軟件的專業(yè)客戶端組成，用于實現(xiàn)用戶請求與人機對話;第二層是應(yīng)用邏輯層，是由Web服務(wù)器采用HTTP協(xié)議來處理表示層發(fā)送過來的用戶請求，由相應(yīng)的功能組件來實現(xiàn)客戶的具體應(yīng)用要求。在應(yīng)用邏輯層，MES的功能組件以軟構(gòu)件的形式集成在系統(tǒng)框架(軟總線)中，并通過應(yīng)用服務(wù)器對外提供MES應(yīng)用服務(wù);第三層是數(shù)據(jù)庫層，包括存儲歷史數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫和存儲實時數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)庫。該層也可以是一個抽象的數(shù)據(jù)層，包括各種數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)庫文件、XML文件，以及圖標程序文件等。應(yīng)用邏輯層在執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯的過程中，向數(shù)據(jù)庫層發(fā)送數(shù)據(jù)請求，由數(shù)據(jù)庫層執(zhí)行數(shù)據(jù)邏輯，運行SQL或存儲過程。

　　圖2 基于B/S結(jié)構(gòu)的MES分布式系統(tǒng)架構(gòu)

　　上述基于B/S結(jié)構(gòu)的MES系統(tǒng)架構(gòu)具有如下特點：(1)基于Web技術(shù)，采用HTTP與HTML，使得表示層得以集中控制，并使用客戶端來顯示數(shù)據(jù)、與用戶互動，軟件變更時只需在服務(wù)器上進行一次升級安裝即可，而不需要重新安裝整個客戶端應(yīng)用軟件。(2)允許更靈活地部署表示層、業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)存取層。允許將業(yè)務(wù)邏輯跨不同服務(wù)器分布，將表示層與業(yè)務(wù)邏輯層混合在一起，或?qū)I(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)層相結(jié)合。(3)系統(tǒng)可擴展性好。(4)系統(tǒng)硬件成本低。(5)支持外網(wǎng)訪問、遠程操作、分布式操作。

　　但B/S架構(gòu)存在通信開銷較大、安全性差和響應(yīng)速度慢等不足。隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和服務(wù)器性能的顯著提高，B/S結(jié)構(gòu)的性能速度有了很大改善，從而使得這種MES架構(gòu)的應(yīng)用也越來越廣泛。

　　3.基于SOA面向服務(wù)的MES系統(tǒng)架構(gòu) 

　　SOA(service oriented architecture，面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu))是一種企業(yè)應(yīng)用體系架構(gòu)，該架構(gòu)提供了一種編程模型，使得分布部署在網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)組件能夠被其他應(yīng)用程序或服務(wù)發(fā)現(xiàn)和調(diào)用。如圖3所示，SOA中的服務(wù)需求者是一個應(yīng)用程序、一個軟件模塊或需要服務(wù)的另一個服務(wù)。它發(fā)起對注冊中心中服務(wù)的查詢，通過傳輸綁定服務(wù)，并且執(zhí)行服務(wù)功能。服務(wù)使用者根據(jù)接口契約來執(zhí)行服務(wù)。服務(wù)提供者是一個可通過網(wǎng)絡(luò)尋址的實體，它接受和執(zhí)行來自使用者的請求，它將自己的服務(wù)和接口契約發(fā)布到服務(wù)注冊中心，以便服務(wù)使用者可以發(fā)現(xiàn)和訪問該服務(wù)。服務(wù)注冊中心則是是服務(wù)發(fā)現(xiàn)的支持者，它包括一個可用服務(wù)的存儲庫，并允許感興趣的服務(wù)使用者可以發(fā)現(xiàn)和訪問該服務(wù)。

　　圖3 面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)

　　“服務(wù)”是SOA中的關(guān)鍵概念，成功實現(xiàn)SOA的關(guān)鍵是為可重用庫中的每個服務(wù)確定正確的設(shè)計與功能，且確?？芍赜玫能浖?wù)與業(yè)務(wù)流程完全一致。SOA是基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)和組件技術(shù)之上更高級別的抽象?；赟OA的系統(tǒng)將系統(tǒng)功能打包成一個可互操作的服務(wù)套件，這種服務(wù)套件可用于多個不同的系統(tǒng)或多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。服務(wù)之間具有松耦合、粗粒度、位置和傳輸協(xié)議透明的特性。

　　SOA的實現(xiàn)可以基于CORBA、Web Services等技術(shù)，目前Web Services是實現(xiàn)SOA的重要手段，其信息可以被不同形式的客戶端所使用。Web Services是基于網(wǎng)絡(luò)的、分布式的模塊化組件，它執(zhí)行特定的任務(wù)，遵守具體的技術(shù)規(guī)范，這些規(guī)范使得Web Services能與其他兼容的組件進行交互操作。Web Services建立在開放標準和獨立于平臺的協(xié)議之上，通過HTTP(超文本傳輸協(xié)議)使用SOAP(簡單對象使用協(xié)議)，以便在服務(wù)提供者和消費者之間進行通信。服務(wù)通過WSDL(Web服務(wù)描述語言)定義的接口來公開，WSDL的語義用XML來定義。UDDI(一種用于描述、發(fā)現(xiàn)、集成Web Service的技術(shù))是一種與語言無關(guān)的協(xié)議，用于和注冊中心進行交互和查找服務(wù)，通過Web服務(wù)的組合和編排可以實現(xiàn)企業(yè)的業(yè)務(wù)流程。

　　圖4所示為基于 SOA 面向服務(wù)的MES系統(tǒng)架構(gòu)?；赟OA的架構(gòu)設(shè)計以服務(wù)為關(guān)注點，在傳統(tǒng)的MES三級分層架構(gòu)模型的基礎(chǔ)上主要增加了服務(wù)層，通過服務(wù)化的封裝把MES系統(tǒng)內(nèi)部具體的業(yè)務(wù)邏輯進行屏蔽，僅以服務(wù)的形式暴露出用戶可用的業(yè)務(wù)活動的集合，從而提高服務(wù)及服務(wù)內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯的重用，可以通過對粗粒度松散耦合的服務(wù)進行組合和部署就能構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)邏輯。結(jié)合MES系統(tǒng)功能模塊的定義，將MES各功能模塊封裝成系統(tǒng)服務(wù)放置于系統(tǒng)應(yīng)用層，每個服務(wù)均由服務(wù)層、邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層組成。

　　圖4 基于SOA面向服務(wù)的MES系統(tǒng)架構(gòu)

　　綜上所述，基于SOA面向服務(wù)的MES系統(tǒng)架構(gòu)具有如下特點：

　　(1)服務(wù)化。在SOA架構(gòu)下，服務(wù)是構(gòu)建MES的基本單元，服務(wù)的請求、發(fā)布、查找、組合運作是MES系統(tǒng)的基本運作模式。車間所有制造資源、軟硬件條件、制造知識都被封裝成服務(wù)。車間生產(chǎn)運作或MES運行過程具體體現(xiàn)為制造服務(wù)的匹配、選擇、組合、執(zhí)行、監(jiān)控和重構(gòu)。

　　(2)集成化?；谡Z義Web服務(wù)，采用基于語義網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)集成框架，消除系統(tǒng)之間集成對象在語法結(jié)構(gòu)和語義層面的異構(gòu)性，實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫集成。

　　(3)功能擴展。MES系統(tǒng)的應(yīng)用范圍從單一車間擴展為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多車間制造過程的協(xié)同運作管理。(支持網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造)

　　(4)開放性。MES系統(tǒng)的構(gòu)建基于面向服務(wù)技術(shù)，服務(wù)之間的松散耦合性使系統(tǒng)具有良好的可擴展性，各類制造服務(wù)和功能能夠方便地按需加入到MES系統(tǒng)。

　　基于SOA面向服務(wù)的MES系統(tǒng)的物理架構(gòu)及系統(tǒng)部署方案如圖5所示，它描述了系統(tǒng)中軟件和硬件的物理架構(gòu)。

　　圖5 基于SOA面向服務(wù)的MES系統(tǒng)的物理架構(gòu)

　　(1)客戶計算機：部署客戶端應(yīng)用程序，提供用戶訪問系統(tǒng)服務(wù)的界面接口，用戶通過預裝瀏覽器訪問遠程服務(wù)器上的Web應(yīng)用，或者使用智能客戶端應(yīng)用程序與遠程應(yīng)用服務(wù)器進行交互。

　　(2)Web 服務(wù)器：該服務(wù)器用于部署Web應(yīng)用或Web Services。Web服務(wù)器是可以向發(fā)出服務(wù)請求的瀏覽器提供文檔的程序。當Web瀏覽器(客戶端)連到服務(wù)器上并請求文件時，服務(wù)器將處理該請求并將文件反饋到該瀏覽器上，附帶的信息會告訴瀏覽器如何查看該文件(即文件類型)。服務(wù)器使用HTTP(超文本傳輸協(xié)議)與客戶機瀏覽器進行信息交流。

　　(3)應(yīng)用服務(wù)器：系統(tǒng)的服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層都部署在該節(jié)點服務(wù)器之上，用于處理核心業(yè)務(wù)邏輯。

　　(4)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：使用獨立的數(shù)據(jù)服務(wù)器部署數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的存儲功能，保存系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。

　　 4.MES微服務(wù)架構(gòu) 

　　傳統(tǒng)的服務(wù)應(yīng)用的開發(fā)方式是將整個服務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫、接口、頁面等進行分層設(shè)計、統(tǒng)一開發(fā)，然后逐層實現(xiàn)。在這些模塊或接口中，只要有一個沒有完成開發(fā)，那么整個應(yīng)用系統(tǒng)將無法正常運行。SOA提出在對軟件進行架構(gòu)設(shè)計時，把整個應(yīng)用服務(wù)根據(jù)業(yè)務(wù)細化成多個獨立的小的服務(wù)，即低耦合及面向服務(wù)流程的思想。但是在SOA的架構(gòu)中，企業(yè)服務(wù)總線(EBS)仍處于非常重要的位置，致使整個系統(tǒng)的SOA架構(gòu)仍很難實現(xiàn)完全的面向服務(wù)以及完全的組件化，SOA的應(yīng)用存在一定的局限性。

　　微服務(wù)架構(gòu)(micro service architecture，MSA)是在2012年被提出的，其思想本質(zhì)上和SOA一脈相承，是SOA的變體，它把SOA的理念進行了進一步的升華。MSA的核心思想是在系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)階段，將單個應(yīng)用劃分為一系列微小服務(wù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能。MSA是一種云原生架構(gòu)方法，其中單個應(yīng)用程序由許多松散耦合且可獨立部署的較小組件或服務(wù)組成。這些服務(wù)通常有自己的堆棧，包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)模型;通過REST API，事件流和消息代理的組合相互通信;它們是按業(yè)務(wù)能力組織的，分隔服務(wù)的線通常稱為邊界上下文。相比于SOA，MSA有如下特點：

　　(1)MSA強調(diào)去ESB、去中心化、分布式，所以MSA能帶來更大的靈活性，為開發(fā)系統(tǒng)提供更加輕量級、效率更高的設(shè)計模式。而SOA還是以ESB服務(wù)總線為核心，MSA則使用輕量級協(xié)議，如HTTP、REST等。數(shù)據(jù)存儲層面，SOA是共享數(shù)據(jù)存儲，MSA則是每個微服務(wù)有獨立的數(shù)據(jù)存儲。

　　(2)從劃分服務(wù)粒度而言，MSA側(cè)重于服務(wù)劃分的細粒度、可重用性，每個方法都可以成為一個獨立的微服務(wù)，每個微服務(wù)負責明確的任務(wù)，并且將處理任務(wù)的結(jié)果以輕量級API的形式返回給外部;相比之下，SOA對服務(wù)的劃分沒有這么細致，主要是根據(jù)MES的業(yè)務(wù)功能來劃分服務(wù)，以減少服務(wù)數(shù)量，簡化服務(wù)調(diào)用以及服務(wù)管理。

　　(3)在軟件開發(fā)模式上，SOA注重共同治理和標準，MSA則更注重團隊協(xié)作和自由選擇，團隊可以為不同的組件使用不同的堆棧，可以更輕松地更新代碼。SOA的目標應(yīng)用程序服務(wù)的可重用性，重點關(guān)注業(yè)務(wù)功能重用，當系統(tǒng)改變時需要修改程序;MSA則專注于解耦，更關(guān)注邊界上下文，系統(tǒng)的改變是創(chuàng)建一個新的服務(wù)。MSA的組件可以彼此獨立地進行縮放，從而減少了因必須縮放整個應(yīng)用程序而產(chǎn)生的浪費和成本。

　　(4)從部署方式上，MSA應(yīng)用Docker技術(shù)不依賴于任何服務(wù)器和數(shù)據(jù)模型，是一個可自動化部署的全棧應(yīng)用，每個微服務(wù)都運行在自己的進程里。而SOA則通過不同層進行打包，比如展現(xiàn)層打包war包，業(yè)務(wù)層打包為jar包等。

　　MES微服務(wù)架構(gòu)如圖6所示。該架構(gòu)主要由表示層、微服務(wù)管理層、微服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫層組成。

　　圖6 MES微服務(wù)架構(gòu)

　　(1)微服務(wù)層：主要提供MES業(yè)務(wù)功能所需要的所有獨立的微服務(wù)，包括制造過程管理微服務(wù)、文檔管理微服務(wù)、日志管理微服務(wù)等。每個微服務(wù)可能有自己的數(shù)據(jù)庫或者多個微服務(wù)公用一個數(shù)據(jù)庫。每個微服務(wù)需要對外提供輕量級API接口。

　　(2)微服務(wù)管理層：通過微服務(wù)管理層來完成對微服務(wù)的管理以及處理邏輯，包括微服務(wù)網(wǎng)關(guān)、微服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)、微服務(wù)接口與微服務(wù)代理等。當微服務(wù)啟動時，會自動將其信息注冊到服務(wù)注冊表中，比如每個服務(wù)的IP和端口。當微服務(wù)客戶端表示層發(fā)出請求時，將請求發(fā)送到微服務(wù)網(wǎng)關(guān)中，微服務(wù)網(wǎng)關(guān)讀取請求數(shù)據(jù)，并從服務(wù)注冊表中獲取對應(yīng)服務(wù)的信息(IP與端口)。最后微服務(wù)網(wǎng)關(guān)主動去調(diào)用下面對應(yīng)的微服務(wù)。

　　(3)微服務(wù)客戶端表示層：主要是通過微服務(wù)管理層中相應(yīng)MES業(yè)務(wù)模塊的服務(wù)代理向微服務(wù)服務(wù)端發(fā)送請求，經(jīng)過微服務(wù)管理層內(nèi)部處理后再將請求傳遞給相應(yīng)模塊服務(wù)的服務(wù)接口進行MES服務(wù)端處理，完成后將相應(yīng)信息按照相反順序依次傳遞給MES客戶端，這種傳遞一般都是通過調(diào)用API來實現(xiàn)的。

　　相比于傳統(tǒng)的單體架構(gòu)，基于微服務(wù)架構(gòu)的MES實現(xiàn)功能服務(wù)化，在系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)、應(yīng)用與維護等方面具有明顯優(yōu)勢，其設(shè)計開發(fā)模式是對現(xiàn)有復雜大型單體應(yīng)用架構(gòu)以業(yè)務(wù)為單元進行拆分，每個拆分的微服務(wù)應(yīng)用都可以單獨部署和測試，可以采用單獨的技術(shù)架構(gòu)、獨立的數(shù)據(jù)存儲、獨立的開發(fā)運營團隊支撐，快速以微服務(wù)應(yīng)用為單位進行彈性擴展，通過降低各個業(yè)務(wù)單元之間的耦合關(guān)系以簡化開發(fā)過程，降低開發(fā)成本。此外，MES微服務(wù)架構(gòu)支持工業(yè)云商業(yè)新模式，并提供廣泛的移動化支持。