基于Silverlight、WCF和OPC UA的2級系統B/S架構

王 威，王海濤，孫明軍

（北京機械工業自動化研究所 機器人中心，北京 100120）

0 引言

2級系統（Level 2 system）是制造業實現信息自動化的基礎平臺，可用于實現生產數據采集、生產實時監控、生產調度、數據統計分析、工藝配方管理、能耗管理、實驗室及倉庫信息管理等功能。2級系統能有效地提高生產率，降低操作工勞動強度。2級系統是一種較為典型的分布式系統。

1 總體結構

傳統分布式系統采用C/S結構實施。C/S體系結構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結構的軟件需要針對不同的操作系統系統開發不同版本的軟件，所以C/S結構代價高， 效率低。

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

雖然B/S結構有種種結構上的優點，但傳統的Web應用程序對于如何豐富用戶體驗還存在問題。技術的限制使得Web應用程序無法像客戶端應用程序一樣，提供豐富、多樣化且快速響應的用戶體驗。Silverlight技術有效的彌補了這個不足。

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

圖1 B/S結構圖

2級系統B/S基本結構如圖1所示。2級客戶端圖形用戶界面（GUI）完全采用Silverlight設計編寫，2級服務端為采用C#設計編寫的WPF應用程序。該服務端應用程序負責實現所有需要的業務邏輯。

2級客戶端使用的silverlight頁面寄宿在2級服務器的IIS中，每當有客戶端瀏覽器申請調用該頁面時，IIS將用戶請求的頁面發送至該客戶端瀏覽器中。用戶使用該界面處理日常業務。

2 結構實現

所有的業務邏輯都在2級服務端處理，2級客戶端silverlight作為用戶界面采用WCF（Windows Communication Foundation）技術與2級服務端進行數據交互。

Windows 通信基礎（Windows Communication Foundation）是基于Windows 平臺下開發和部署服務的軟件開發包（Software Development Kit，SDK）。WCF 為服務提供了運行時環境（Runtime Environment），使得開發者能夠將CLR 類型公開為服務，又能夠以CLR 類型的方式使用服務。理論上講，創建服務并不一定需要WCF，但實際上，使用WCF 卻可以使得創建服務的任務事半功倍。WCF是微軟對一系列產業標準定義的實現，包括服務交互、類型轉換、封送（Marshaling）以及各種協議的管理。正因為如此，WCF 才能夠提供服務之間的互操作性。WCF 還為開發者提供了大多數應用程序都需要的基礎功能模塊，提高了開發者的效率。WCF的第一個版本為服務開發提供了許多有用的功能，包括托管、服務實例管理、異步調用、可靠性、事務管理、離線隊列調用以及安全性。WCF服務類不能憑空存在。每個WCF服務都必須托管。此處采用的是自托管方式，即由開發者提供和管理宿主進程的生命周期。WCF服務有3種模式：單調服務、會話服務和單例服務。單調服務會為每次方法調用重建實例狀態，這必然影響系統的性能，但換來的卻是良好的系統可伸縮性。一般而言，單調服務是最佳的服務實例管理模式（Instance-ContextMode = InstanceContextMode.PerCall）。

在工業生產中，2級系統需要處理的數據其來源是多種多樣的：有來自1級的數據需要監控，有來自3級的數據需要接收（如生產計劃），同時2級服務端還需響應2級客戶端的操作以決定是否向3級發送數據。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級服務端，因此數據交互分為兩種操作模式：

1）采用請求應答操作模式

這與C/S編程類似：首先客戶端發送請求，隨后客戶端進程等待，服務端收到該請求后根據具體的業務邏輯進行處理，然后返回操作結果。如果在指定的時間之后服務仍然沒有應答，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務邏輯。客戶根據需求主動向服務端提交請求，服務端被動處理。

例如鋼卷上開卷機操作可使用請求應答模式。首先定義服務契約：

在2級服務端應用程序中開啟該服務：

這樣，當2級服務端應用程序啟動后，就開啟了OperatorService服務。接下來在服務端程序的配置文件（App.config）的 ＜system.serviceModel＞節點中加入OperatorService服務對應的終結點：

2級客戶端通過終結點獲取該服務信息后，可異步調用該服務：

2）采用事件訂閱-發布模式

WCF支持回調（CallBack）操作，所謂回調就是服務端調用客戶端的操作。如圖2所示，在回調時：服務端成為客戶端，客戶端成為服務端。

圖2 回調示意圖

利用回調操作，服務端可以主動向某指定客戶端發送該客戶端感興趣的數據：客戶端（訂閱者）向服務端（發布者）提出訂閱某服務的請求，服務端對該客戶端進行登記。當有滿足該服務的事件發生時，服務響應所有對該服務登記的客戶端，并通過回調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數據采集、生產實時監控等功能的實現。該模式與以往的輪詢模式相比，效率更高，整個系統包括帶寬開銷更小。

2級服務端與2級客戶端連接的心跳可采用事件訂閱-發布模式實現。首先定義服務契約：

2級服務端通過終結點獲取L2EventsPubService服務。定時調用該服務后，該服務得以發布：

2級客戶端通過終結點獲取L2EventsSubService服務并訂閱L2Events：

需要注意的是，當服務端為silverlight提供服務時，其對應的綁定類型只能是“customBinding”綁定類型。使用net.tcp通訊協議。

2級系統除內部服務端與客戶端存在通訊外，與1級PLC和ERP也必須進行通訊。與1級采用Opc UA進行通訊。OPC UA有效地將現有的OPC規范 （DA、A&E、HDA、命令、復雜數據和對象類型） 集成進來，成為現在的新的OPC UA規范。OPC UA提供了一致、完整的地址空間和服務模型，解決了過去同一系統的信息不能以統一方式被訪問的問題。運用OPC UA，2級系統能夠對生產進行監控，如若需要也可對生產過程進行干預。比如對生產配方的修改等等。與ERP采用Socket套接字進行通訊。一般采用兩個通道：一個用于向ERP發送數據，另一個用于接收ERP發送的數據。

3 總體示例

完整的2級系統示意圖如下：

圖3 系統整體圖

如圖3所示結構，當4級有生產任務時，通過Socket通訊將PDI數據下發至2級，2級存儲該數據并通過OpcUA通訊下發至1級.若在生產過程中發覺該PDI中有數據需修改，則可通過2級客戶端瀏覽器進行修改。2級支持對未進行生產的數據進行修改。在生產過程中，2級通過OpcUA通訊持續對生產數據進行采集，并在生產結束時匯成PDO數據。2級將該類數據存儲至Oracle數據庫，同時通過Socket通訊將數據送至4級。Server App是2級系統的服務器端，該APP與2級客戶端采用Microsoft WCF進行數據交互。

當2級系統被用于全廠級信息化時，需要在系統中加入基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control）模塊，以實現對數據請求的權限管理。

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

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