基于Silverlight、WCF和OPC UA的2級系統(tǒng)B/S架構(gòu)

王 威，王海濤，孫明軍

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所 機(jī)器人中心，北京 100120）

0 引言

2級系統(tǒng)（Level 2 system）是制造業(yè)實現(xiàn)信息自動化的基礎(chǔ)平臺，可用于實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)實時監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、工藝配方管理、能耗管理、實驗室及倉庫信息管理等功能。2級系統(tǒng)能有效地提高生產(chǎn)率，降低操作工勞動強(qiáng)度。2級系統(tǒng)是一種較為典型的分布式系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)實施。C/S體系結(jié)構(gòu)雖然能夠利用客戶端的計算能力，但由于每個客戶端都需要安裝客戶端軟件，并且C/S結(jié)構(gòu)的軟件需要針對不同的操作系統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)不同版本的軟件，所以C/S結(jié)構(gòu)代價高， 效率低。

B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶圖形界面是通過WWW瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分業(yè)務(wù)邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，主要業(yè)務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實現(xiàn)。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本。

雖然B/S結(jié)構(gòu)有種種結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，但傳統(tǒng)的Web應(yīng)用程序?qū)τ谌绾呜S富用戶體驗還存在問題。技術(shù)的限制使得Web應(yīng)用程序無法像客戶端應(yīng)用程序一樣，提供豐富、多樣化且快速響應(yīng)的用戶體驗。Silverlight技術(shù)有效的彌補(bǔ)了這個不足。

MicroSoft Silverlight是微軟公司在.NET Framework平臺上實現(xiàn)的一個跨平臺、跨瀏覽器的插件。主要用于創(chuàng)建和分發(fā)用于Web和移動設(shè)備的下一代多媒體應(yīng)用，以及具有豐富交互式的應(yīng)用程序。Silverlight是一種表現(xiàn)層技術(shù)，通過結(jié)合音視頻、 動畫、交互性以及眩目的用戶界面，為Web應(yīng)用程序提供精彩的多媒體創(chuàng)意和豐富的交互式環(huán)境（RIA）。

圖1 B/S結(jié)構(gòu)圖

2級系統(tǒng)B/S基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。2級客戶端圖形用戶界面（GUI）完全采用Silverlight設(shè)計編寫，2級服務(wù)端為采用C#設(shè)計編寫的WPF應(yīng)用程序。該服務(wù)端應(yīng)用程序負(fù)責(zé)實現(xiàn)所有需要的業(yè)務(wù)邏輯。

2級客戶端使用的silverlight頁面寄宿在2級服務(wù)器的IIS中，每當(dāng)有客戶端瀏覽器申請調(diào)用該頁面時，IIS將用戶請求的頁面發(fā)送至該客戶端瀏覽器中。用戶使用該界面處理日常業(yè)務(wù)。

2 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

所有的業(yè)務(wù)邏輯都在2級服務(wù)端處理，2級客戶端silverlight作為用戶界面采用WCF（Windows Communication Foundation）技術(shù)與2級服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

Windows 通信基礎(chǔ)（Windows Communication Foundation）是基于Windows 平臺下開發(fā)和部署服務(wù)的軟件開發(fā)包（Software Development Kit，SDK）。WCF 為服務(wù)提供了運(yùn)行時環(huán)境（Runtime Environment），使得開發(fā)者能夠?qū)LR 類型公開為服務(wù)，又能夠以CLR 類型的方式使用服務(wù)。理論上講，創(chuàng)建服務(wù)并不一定需要WCF，但實際上，使用WCF 卻可以使得創(chuàng)建服務(wù)的任務(wù)事半功倍。WCF是微軟對一系列產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義的實現(xiàn)，包括服務(wù)交互、類型轉(zhuǎn)換、封送（Marshaling）以及各種協(xié)議的管理。正因為如此，WCF 才能夠提供服務(wù)之間的互操作性。WCF 還為開發(fā)者提供了大多數(shù)應(yīng)用程序都需要的基礎(chǔ)功能模塊，提高了開發(fā)者的效率。WCF的第一個版本為服務(wù)開發(fā)提供了許多有用的功能，包括托管、服務(wù)實例管理、異步調(diào)用、可靠性、事務(wù)管理、離線隊列調(diào)用以及安全性。WCF服務(wù)類不能憑空存在。每個WCF服務(wù)都必須托管。此處采用的是自托管方式，即由開發(fā)者提供和管理宿主進(jìn)程的生命周期。WCF服務(wù)有3種模式：單調(diào)服務(wù)、會話服務(wù)和單例服務(wù)。單調(diào)服務(wù)會為每次方法調(diào)用重建實例狀態(tài)，這必然影響系統(tǒng)的性能，但換來的卻是良好的系統(tǒng)可伸縮性。一般而言，單調(diào)服務(wù)是最佳的服務(wù)實例管理模式（Instance-ContextMode = InstanceContextMode.PerCall）。

在工業(yè)生產(chǎn)中，2級系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)其來源是多種多樣的：有來自1級的數(shù)據(jù)需要監(jiān)控，有來自3級的數(shù)據(jù)需要接收（如生產(chǎn)計劃），同時2級服務(wù)端還需響應(yīng)2級客戶端的操作以決定是否向3級發(fā)送數(shù)據(jù)。由于操作員使用的是基于silverlight的2級客戶端用戶界面而不是直接操作2級服務(wù)端，因此數(shù)據(jù)交互分為兩種操作模式：

1）采用請求應(yīng)答操作模式

這與C/S編程類似：首先客戶端發(fā)送請求，隨后客戶端進(jìn)程等待，服務(wù)端收到該請求后根據(jù)具體的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理，然后返回操作結(jié)果。如果在指定的時間之后服務(wù)仍然沒有應(yīng)答，客戶端就會獲得一個超時的異常。該模式主要用于處理一般性業(yè)務(wù)邏輯。客戶根據(jù)需求主動向服務(wù)端提交請求，服務(wù)端被動處理。

例如鋼卷上開卷機(jī)操作可使用請求應(yīng)答模式。首先定義服務(wù)契約：

在2級服務(wù)端應(yīng)用程序中開啟該服務(wù)：

這樣，當(dāng)2級服務(wù)端應(yīng)用程序啟動后，就開啟了OperatorService服務(wù)。接下來在服務(wù)端程序的配置文件（App.config）的 ＜system.serviceModel＞節(jié)點中加入OperatorService服務(wù)對應(yīng)的終結(jié)點：

2級客戶端通過終結(jié)點獲取該服務(wù)信息后，可異步調(diào)用該服務(wù)：

2）采用事件訂閱-發(fā)布模式

WCF支持回調(diào)（CallBack）操作，所謂回調(diào)就是服務(wù)端調(diào)用客戶端的操作。如圖2所示，在回調(diào)時：服務(wù)端成為客戶端，客戶端成為服務(wù)端。

圖2 回調(diào)示意圖

利用回調(diào)操作，服務(wù)端可以主動向某指定客戶端發(fā)送該客戶端感興趣的數(shù)據(jù)：客戶端（訂閱者）向服務(wù)端（發(fā)布者）提出訂閱某服務(wù)的請求，服務(wù)端對該客戶端進(jìn)行登記。當(dāng)有滿足該服務(wù)的事件發(fā)生時，服務(wù)響應(yīng)所有對該服務(wù)登記的客戶端，并通過回調(diào)客戶端上的操作來通知各個客戶端。該操作模式可用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)實時監(jiān)控等功能的實現(xiàn)。該模式與以往的輪詢模式相比，效率更高，整個系統(tǒng)包括帶寬開銷更小。

2級服務(wù)端與2級客戶端連接的心跳可采用事件訂閱-發(fā)布模式實現(xiàn)。首先定義服務(wù)契約：

2級服務(wù)端通過終結(jié)點獲取L2EventsPubService服務(wù)。定時調(diào)用該服務(wù)后，該服務(wù)得以發(fā)布：

2級客戶端通過終結(jié)點獲取L2EventsSubService服務(wù)并訂閱L2Events：

需要注意的是，當(dāng)服務(wù)端為silverlight提供服務(wù)時，其對應(yīng)的綁定類型只能是“customBinding”綁定類型。使用net.tcp通訊協(xié)議。

2級系統(tǒng)除內(nèi)部服務(wù)端與客戶端存在通訊外，與1級PLC和ERP也必須進(jìn)行通訊。與1級采用Opc UA進(jìn)行通訊。OPC UA有效地將現(xiàn)有的OPC規(guī)范 （DA、A&E、HDA、命令、復(fù)雜數(shù)據(jù)和對象類型） 集成進(jìn)來，成為現(xiàn)在的新的OPC UA規(guī)范。OPC UA提供了一致、完整的地址空間和服務(wù)模型，解決了過去同一系統(tǒng)的信息不能以統(tǒng)一方式被訪問的問題。運(yùn)用OPC UA，2級系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，如若需要也可對生產(chǎn)過程進(jìn)行干預(yù)。比如對生產(chǎn)配方的修改等等。與ERP采用Socket套接字進(jìn)行通訊。一般采用兩個通道：一個用于向ERP發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個用于接收ERP發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3 總體示例

完整的2級系統(tǒng)示意圖如下：

圖3 系統(tǒng)整體圖

如圖3所示結(jié)構(gòu)，當(dāng)4級有生產(chǎn)任務(wù)時，通過Socket通訊將PDI數(shù)據(jù)下發(fā)至2級，2級存儲該數(shù)據(jù)并通過OpcUA通訊下發(fā)至1級.若在生產(chǎn)過程中發(fā)覺該P(yáng)DI中有數(shù)據(jù)需修改，則可通過2級客戶端瀏覽器進(jìn)行修改。2級支持對未進(jìn)行生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。在生產(chǎn)過程中，2級通過OpcUA通訊持續(xù)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在生產(chǎn)結(jié)束時匯成PDO數(shù)據(jù)。2級將該類數(shù)據(jù)存儲至Oracle數(shù)據(jù)庫，同時通過Socket通訊將數(shù)據(jù)送至4級。Server App是2級系統(tǒng)的服務(wù)器端，該APP與2級客戶端采用Microsoft WCF進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

當(dāng)2級系統(tǒng)被用于全廠級信息化時，需要在系統(tǒng)中加入基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control）模塊，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)請求的權(quán)限管理。

[1]Juval Lowy.Programming WCF Services.United States:O'Reilly Media,2007.

[2]丁士鋒.精通Silverlight—RIA開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2008.