MES与PLC/SCADA的集成架构：OPC UA与MQTT的工业实践
【场景导入】
为一家精密零部件铸造厂实施MES。车间环境极其恶劣：高温、高湿、金属粉尘弥漫。网络状况不稳定，生产线上的老旧PLC型号繁多。最初的试点采用了MES直接通过OPC DA协议轮询（Polling）PLC的方案，结果问题频出：
- 性能瓶颈： 轮询频率过高导致PLCCPU负载过高，影响控制逻辑；频率过低则数据延迟严重，OEE计算不准。
- 稳定性差： 网络抖动或PLC忙时，采集线程经常阻塞或崩溃，需要人工重启。
- 协议兼容性： 新购的机器人支持OPC UA，而老旧的PLC只支持Modbus，协议转换混乱。
项目经理抱怨：“我的数据就像一条时断时续的溪流，根本无法支撑起MES这座大厦。”
【思考】
这个问题的核心在于OT与IT的范式冲突：
- OT世界（PLC/SCADA）： 关注确定性、实时性、可靠性。通信通常是周期性的、基于扫描的。
- IT世界（MES/云）： 关注可用性、扩展性、数据丰富性。通信通常是事件驱动的、基于请求/响应的。
传统的直接轮询方式简单粗暴地将IT模式强加给OT域，必然失败。我们需要一个中介层来化解这个冲突，这个层需要：
- 支持多种工业协议，并能将其转换为统一的IT友好型协议。
- 具备边缘计算能力，能在数据源头进行轻量处理，减轻网络和云端压力。
- 采用发布/订阅（Pub/Sub）模型，变“轮询”为“事件驱动”，只有变化时才上报数据。
【方案】
设计并实施了一套基于边缘网关和统一工业物联网平台的分层采集架构，完美解决了上述问题。
架构图如下所示：
对各组件的说明：
边缘网关 (Edge Gateway) - “协议转换器与安全前哨”：
- 职责： 部署在车间靠近设备的一端。它是架构的“瑞士军刀”。
- 南向接口（下行）： 配置多种驱动，同时与不同品牌、不同协议的PLC、机器人、CNC、传感器通信，轮询它们的数据。
- 北向接口（上行）： 将轮询到的数据在网关内进行预处理（如过滤、简单计算、格式标准化），然后转换为MQTT协议，以发布者的身份将数据发送到云端的MQTT Broker。关键是采用“变化上报”或“心跳上报”模式，极大减少了网络流量和PLC压力。
- 离线缓存： 当网络中断时，网关可将数据临时存储在本地，网络恢复后断点续传，保证了数据的完整性。
MQTT Broker - “消息中枢神经”：
- 职责： 作为MQTT协议的调度中心，负责接收所有网关的消息，并将其分发给订阅了这些消息的消费者（如MES、数据库、监控大屏）。
- 优势：
- 解耦： 数据生产者（网关）和消费者（应用）互不知晓对方，彼此独立，系统扩展性极强。
- 带宽高效： 基于TCP，轻量级，适合不稳定网络。
- 权限控制： 可基于Topic进行精细化的权限管理。
数据预处理模块 (Stream Processor) - “数据清洗站”：
- 职责： 订阅MQTT Broker中的原始数据流，进行更复杂的边缘无法完成的处理。
- 典型任务：
- 数据清洗： 过滤掉跳变、异常值。
- 计算： 基于原始IO信号，计算出设备状态（运行、停机、故障）、OEE等指标。
- 聚合： 将高频数据聚合成分钟级或小时级的统计值再存入数据库，节省存储空间。
- 告警判断： 实时判断数据是否超出阈值，并生成告警事件。
协议选择：OPC UA vs. MQTT？
这是一个常见问题，我们的原则是：
- 在车间内部（如SCADA与PLC之间）、高实时性要求的场景，优先采用OPC UA。因为它提供了丰富的信息模型、内置的安全性，是车间级互联的完美标准。
- 在跨网络、向IT系统（云、MES）传输数据的情景，优先采用MQTT。因为它更轻量、更适合远程通信、对防火墙更友好、生态与云原生应用结合更紧密。
- 在我们的架构中，边缘网关完美地扮演了“协议翻译官”的角色，它用OPC UA/Modbus等协议从设备“读”，然后用MQTT协议向云“写”，各取所长。
【结论与收益】
- 稳定性极大提升： 边缘网关隔离了不稳定的OT网络，MQTT的断线重连机制保证了通信链路的健壮性。
- 数据质量与实时性兼得： 高频采集在边缘完成，聚合后的结果和关键事件实时上报，满足了不同应用的需求。
- 真正实现了IT与OT的解耦： MES应用不再需要关心设备协议细节，只需从数据库或MQTT订阅标准化的数据Topic即可，开发效率大幅提升。