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工业自动化系统制造报文规范的分析与实现 摘要 自动化系统的发展对智能设备的互连提出了更高的要求。制造 报文规范( m m s ) 就是国际标准组织( i s o ) 根据这种互连要求制定 的一个标准协议。本文根据对制造报文规范的分析，提出一种结构 设计方案并给出相应的实现。 在制造报文规范的分析阶段，文章采用p e t r i 网模型，对制造 报文规范服务中的上下文管理服务进行分析。( 通过分析，可以对协 、 议模型有更加深入的了解并对一些基本的概念加深认识。，) ， 本文讨论的制造报文规范的实现是在s o l a r i s 平台上进行的。 j 系统采用层次型结构，按照功能分为应用进程( a p ) 模块、应用实 f 体( a e ) 模块和设备接口模块。应用实体模块主要提供系统的通信 功能，应用进程中接口模块实现各种服务的接口。系统采用共享内 存机制实现应用进程模块和应用实体模块间的通信。共享内存机制 的采用不仅保证了系统的实时性，还使系统的实现具有开放性和可 扩展性。设备接口的功能是实现实际设备的接入，并通过一个统一 的接口来保证系统的通用性。 同时，针对制造报文规范在实际应用中遇到的困难，文章也进 行了分析并提出解决方案。 l r， 关键字：s jp e t r i 网，o s i 协议栈jm m s 应用网关：共享内存 ， a n a l y s i sa n d i m p l e m n e t a t i o no f i n d u s t r i a la u t o m a t i o n s y s t e m a n u f a c t u r i n g m e s s a g e s p e c i f i c a t i o n t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o ns y s t e m b r i n g sm o r er e q u i r e m e n t so ni n t e l l i g e n t d e v i c e i n t e r c o n n e c t i n g i n d u s t r i a l a u t o m a t i o n s y s t e mm a n u f a c t u r i n gm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ( m m s ) d e v e l o p e db yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ( i s o ) i sa s t a n d a r dp r o t o c o lm e e t i n gt h e s er e q u i r e m e n t s i nt h i st h e s i s ，t h ep r o t o c o li s a n a l y z e d a n dam m s s y s t e m s t r u c t u r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni sp r o p o s e d t oa n a l y z em i sp r o t o c o l 。p e t r in e tm o d a li si n t r o d u c e da n dt h ec o n t e x t m a n a g e m e n ts e r v i c eo fm m s i sc h o s e na sa ne x a m p l e i n - d e p t hu n d e r s t a n d i n g so f m m s p r o t o c o la n d s o m eb a s i cc o n c e p t sc a l lb ea c h i e v e d t h r o u g h t h i sa n a l y s i s t h e i m p l e m e n t a t i o n d i s c u s s e di nt h i st h e s i si sd e v e l o p e do nt h es o l a r i s p l a t f o r m a h i e r a r c h ys t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h ef l a m ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n s ，t h e s y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ，n a m e da p p l i c a t i o np r o c e s s ( a p ) m o d u l e ， a p p l i c a t i o ne n t i t y ( a e ) m o d u l ea n dd e v i c ei n t e r f a c em o d u l e t h ea p p l i c a t i o nm o d u l e s u p p l i e sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n so f t h i ss y s t e m ，t h ei n t e r f a c em o d u l ei na p p l i c a t i o n p r o c e s sp r o v i d e s a l ls e r v i c ei n t e r f a c e s t ob ea b l et o p e r f o r mt h ei n t e r - p r o c e s s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ea p p l i c a t i o np r o c e s sa n dt h ea p p l i c a t i o ne n t i t y , as h a r e d - m e m o r y i n t e r f a c ei sd e s i g n e d t h ei n t r o d u c i n go f s h a r e d - m e m o r yi n t e r f a c en o to n l y a s s u r e st h er e a l - t i m ea b i l i t yo ft h i ss y s t e m ，b u ta l s ob r i n g so p e n i n ga n d e x p a n d a b i l i t y t h ef u n c t i o no ft h ed e v i c ei n t e r f a c em o d u l ei st o m a pr e a l d e v i c e si n t om m s e n v i r o n m e n t t h eu s i n go f d e v i c ei n t e r f a c eg n a r a n t e c st h eu n i v e r s a l i t yo f t h i ss y s t e m w i t hr e g a r dt os o m ei m p e d i m e n t si nt h es p r e a d i n go fm m s ，s o m es o l u t i o n sa r e d i s c u s s e di nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，p e t r in e t ，o s is t a c k ，m m s a p p l i c a t i o ng a t e w a y , s h a r e d m e m o r y j 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的原因与意义 1 1 1 制造报文规范简介 制造报文规范( m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，m m s ) ，是个用于在 互连的设备或计算机应用间进行实时数据和监控信息交换的标准化的报文规范 口】【”。该规范独立于以下各个因素： 1 应用功能的具体实现 2 设备或应用的制造商 m m s 提供了一整套通用的报文服务，这些服务适用于各种类型的设备、应 用和行业。例女 i m m s 的读服务允许一个应用或设备从其它应用或设备中读取变 量。无论设备是可编程控制器( p l c ) 或是一个机器人，m m s 的服务和报文是 一致的。因此尽管m m s 的设计初衷是为了解决制造系统中的设备互连问题，由 于其通用性，无论面对的应用是原料处理、错误诊断、能量管理、电力调度还 是外层空间的雷达定位，无论这些应用在汽车、化工、航天或是电力行业，m m s 都大有用武之地。 八十年代早期，一些在电子工业协会( e i a ) 所属i e 3 1 委员会赞助下工作 的数字控制器( n c ) 厂商、机器制造商和用户草拟了一份名为“制造环境数据 编码信息双向传输的用户级格式和协议”的群1 3 9 3 a 提议。当通用汽车公司在1 9 8 0 年开始它们的制造自动化协议( m a p ) 研究时，采用了e a 1 3 9 3 a 标准草案作 为实现一种更通用的报文协议的基础，这种报文协议可用于n c ，可编程控制器 ( p l c ) ，机器人和其它在制造环境下常用的智能设备。这项研究的成果就是制 造报文格式标准( m m f s ) ，m m f s 在1 9 8 4 年出版m a p 的第二版本中被使用。在 m m f s 的初期应用中就显示出其不足，因为实际应用需要的是一种更严格的报 文标准。在设备和应用开发商方面，m m f s 提供了太多的选择，这导致了多种 互不兼容的m m f s 实现。而且，m m f s 没有为连续过程工业的过程控制系统 ( p c s ) 提供足够丰富和实用的功能支持。因此，为了开发一种通用的用于智 能设备通信的报文系统，国际标准化组织( i s o ) 分管工业自动化系统的第1 8 4 技术委员会( t c l 8 4 ) 开始了研究，并提出了一个基于开放系统互连模型 ( i s o 0 s i ) 的标准i s o i e c9 5 0 6 ，也就是制造业报文规范( m m s ) 。 1 1 2 制造报文规范特点 工厂设备的互连是计算机集成制造( c i m ) 的基本要求。制造报文规范 ( m m s ) 的提出就是为了支持c 1 m 环境中智能制造设备间的通信。这些智能 制造设备主要是一些可编程设备，如可编程控制器，c n c 和工业机器人。即使 在一个由多厂商设备组成的环境中，m m s 也能对分布制造设备提供有效的通信 上海交通大学硕士学位论文 支持，因此，m m s 对制造企业具有十分重要的作用。大部分的制造企业对提供 一个m m s 协议的统一实现有迫切的要求。 m m s 在制造系统中的应用具有很多优点。m m s 使自动化系统开发和使用 的成本大大降低。它适用于那些需要一种通用通信机制来完成多种通信功能的 系统，这些功能包括过程数据的实时访问、分发和监控。m m s 的使用在某一系 统的开发和使用中获得的益处可以从以下三个方面衡量： 1 互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ：互操作性是指多个互连的应用间可以进行 信息交换而无需应用的用户进行通信环境的设置。尽管许多通信协议可 以提供某些层次上的互操作性，它们大多过于专用( 与应用、设备、网 络或功能相关) 或过于通用( 为网络应用的开发者提供了太多的选择) 。 2 独立性( i n d e p e n d e n c e ) ：独立性使互操作与以下因素无关： 应用的开发商：许多通信规约只能应用于特定范围的应用或设备。而 m m s 是由许多工业界处于领导地位的专家和厂商参与实现的独立的 国际标准。 网络连接m m s 是应用访问网络的标准接口，它把网络中非m m s 的方 面以及网络传输的具体细节同应用分离。 实现功能：m m s 提供的通用的通信环境，与具体功能的实现没有关 系。 3 数据访问( d a t aa c c e s s ) ：数据访问是指互连应用通过提供的相关接口 实现数据信息的访问。尽管几乎所有通信机制在某种方式都实现了数据 访问，它们缺少m m s 的其它优点，特别是独立性。 m m s 的定义十分具体，它使具有相同或近似功能的应用间的差异尽可能 小；同时它又十分通用，因此适用于不同的应用和设备。一种通信机制不够具 体将导致功能相同或相近的系统在实现上大相径庭，从而造成这些系统间无法 通信，因为实现者做出了不同的选择。与许多通信规约仅仅提供了通过网络传 输一个比特流( 报文) 的机制不同，m m s 还提供了报文的定义，结构及意义， 这大大增加了两个独立开发的应用间互操作的可能性。m m s 拥有一系列的特性 使实时数据和监控功能可以在基于客户机月务器模型的网络上依据应用需求进 行简单或复杂的分布。 1 1 3 制造报文规范应用中存在的问墨 尽管m m s 的优点和标准化的重要性已被广泛认同，在实际应用中，m m s 的推广存在很多障碍f 4 】： 1 m m s 产品普遍十分昂贵。许多m m s 产品只针对特定厂商的高端计算 机系统和特定厂商的o s i 网络。 2 现存的制造设备大多不支持m m s 。那些设备在m m s 标准提出之前已 存在了很长时间。而且，由于m m s 的结构十分复杂，只有少数十分昂 贵的制造设备符合m m s 的要求。 第一个制约因素说明需要一种非私有的解决方案。很多m m s 的实现是基 于o s i 协议栈，由于o s i 栈没有获得广泛的支持，这些实现只能作为研究之用， 很难推广。第二个因素说明如果不能将非兼容的设备集成进来，m m s 也不能获 得广泛的应用。 4 上海变通大挚硕士学位论文 1 1 4 解决方案 本文的重点是提出一种m m s 系统整体结构的设计方案。同时对上述存在 的问题的解决进行尝试。 为了解决o s i 协议栈的问题，本文介绍了一种在t c p h p 协议栈上实现m m s 的解决方案。这种方案比在m a p 或m i n i m a p 上实现的m m s 要便宜很多，因 为m a p 和m i r a m a p 十分昂贵而且o s i 协议没有被广泛使用。t c p h p 是替换 o s l 支持m m s 的最好的解决方案，因为t c p h p 已经成为计算机通信的事实标 准。 对于非m m s 兼容对象接入m m s 环境的问题，采用m m s 网关机来解决。 本文通过一个m m s 系统模块设备接口模块，来实现不同设备的接入。 上述两个问题的解决将有助于m m s 系统在实际应用中的推广。 1 2 本文的内容提要 论文共分六章，内容提要如下： 第一章，绪论：从m m s 的特点入手，阐述了对一种通用的、有使用价值 的m m s 的实现的迫切要求，说明了m m s 实现的原因与意义。 第二章，制造报文规范服务介绍：本章将对m m s 的结构和功能进行大致 的介绍。通过m m s 规范介绍，可以对m m s 的目的和功能有一定了解，对以 后章节内容的理解有一定帮助。 第二章，m m s 协议的p e n u 网分析。以p e t r j 网为工具对m m s 的上下 文管理服务进行分析。分析的目的在于加深对协议的理解。 第四章，整体结构设计：由于o s i 协议栈没有被广泛使用，因此m m s 的 实现不仅涉及应用层本身，还包括对下层的些讨论。同时由于m m s 本身庞 大的体系结构，有必要设计一个整体结构以进行进一步的开发。本章介绍系统 的模块划分并讨论了一种在t c p i p 上实现传输服务的方法来解决m m s 需要的 o s i 协议栈的方案。 第五章，a e 模块及共享内存接口的设计和实现：本章是m m s 协议实现 的核心，内容涉及m m s 的a e 模块以及a p 模块中的m m s i 接口。a e 模块主 要提供m m s 的通信能力和确认服务支持。m m s i 接口向上层提供各种完整的 m m s 服务原语。从应用程序来看，a e 模块和m m s i 接口作为一个整体实现 了m m s 的通信功能和服务原语，应用通过调用m m s i 接口提供的函数来完成 这些功能。 第六章，v m d 模型的设计。提出一种v m d 模型的设计方案，用来表示 v m d 中的各种对象及对象间的关系。 第七章，结束语：首先对全文作一总结，然后提出了对未来发展的展望。 上海交通大学硕士学位论文 第二章制造报文规范服务介绍 制造报文规范( 删s ) 标准由多部分组成，其中第一和第二部分被成为核 心部分。第一部分是服务定义。服务规范包括了删s 中各种对象、服务和属性的 定义。第二部分是协议规范。协议规范定义了通信的规则，包括报文交互顺序、 报文格式以及m m s 层和其它o s i 模型层次问的关系。其它部分标准不是姗s 的核心 内容，是为m m s 在特定领域使用定义的，如第三部分是机器人伴同标准，第四部 分是数控伴同标准，第五部分是可编程控制器伴同标准。本文对m m s 提供的服务 作简要的介绍。 2 1 制造报文规范的整体结构 删s 是用于c i m s 环境中各类可编程设备间通信的应用层协议，它抽象出各类 实际制造设备的外部可见特性于虚拟制造设备( v m d ) 中，使得用户在网络上只需 针对统一的v m d 进行操作即可管理各种设备。设备问也能通过标准的m m s 服务进 行通信，而无需了解设备的内部特性，解决了过去每一套设备必须对应一种“翻 译”程序的传统通信方法的复杂性，这样工厂可以购买不同厂家的多种设备进行 优化组合，而不必局限于某个厂家的设备。 m m s 通信采用客户机服务器模型。客户机和服务器是两个相互通信的不对 等m m s 用户，其中服务器是为实现特定州s 服务起v m d 作用的通信实体，客户机通过 m m s 服务原语获取服务器提供的服务，一般为一个应用进程。客户机和服务器间 的原语交换通过s 服务提供者来实现。 i m s 服务提供者的核心为删p m ( 制造报文协议机) ，锄p m 根据用户发来的m m s 服务原语及参数构造相应的涮sp d u ( 协议数据单元) 并对其编码映射为a c s e ( 联 系控制服务元素) 或表示层服务原语的用户数据输入，对收到的m m sp d u 进行解码 向用户传递相应服务原语及参数，还进行差错处理。 m m s 提供1 0 大类8 0 多种服务，澜s 服务原语有4 种：请求、指示、响应和证实， 服务的请求方和响应方分别充当客户和服务器。 2 2 制造报文规范的上下文管理 s 提供了管理网络上两个i v l m s 节点间通信上下文的服务。这些服务对s 节点间建立、中止应用联系，处理协议错误十分有用。初始联系的节点被称为 呼叫节点，响应节点被称为被叫节点。在心s 环境中，两个应用程序间通过) 螂v l s 的i n i t i a t e 服务建立应用联系。这种建立应用联系的方式允许双方在建立联系 上海交通大学硬士学位论文 的过程中对其它选项进行协商。这些选项包括由一方确定的，但对双方都适用 的限制( 如：支持的删s 服务) 。被叫节点可以接受由呼叫节点提出的参数，也 可对参数进行修改( 如：最大报文大小) 。 呼叫应用程序发出一个i n i t i a t e 服务请求，请求中包含呼叫节点的限制情 况和一个提出供协商的参数集。被叫节点检查这些供协商的参数，为了满足自 己的需求，可能调整其中的部分参数。然后，把协商的结果和自己的限制条件 通过初始化响应进行应答。当呼叫节点收到初始化应答，应用联系就成功建立 了，其它m m s 服务就可以通过这条应用联系交换信息。 当应用联系建立后，双方节点中的任意一个可以担当客户机或服务器的角 色，与节点是呼叫节点和被叫节点无关。对任何i o i s 的服务集，一个应用是客户 机，另外一个应用是服务器。具体某一个应用程序是客户机，服务器或兼有两 者的功能，是由应用程序的设计者决定的。 多数人对网络连接( c o n n e c t i o n ) 和应用联系( a s s o c i a t i o n ) 的使用不 加以区分，它们是有差别的。连接是下层网络的一个属性，表示两个节点间的 虚拟电路。例如，电话网络需要在双方间通过拨号和应答建立连接，然后它们 才能进行通信。应用联系是在两个网络应用间的一个协议，这个协议控制两者 间的通信。 在一个面向连接的环境中( 例如：o s i 或t c p i p ) ，咖s 的初始化服务用来 告诉下层需要建立一条网络连接。初始化服务请求通过网络连接传送到目的节 点。然后目的节点返回初始化应答。因此，联系和连接在面向连接的环境中是 同时发生的。 在无连接的环境中，实际上在两个节点可以进行通信前不需要发送初始化 请求。在这种环境下，每个应用必须可以通过某种本地方式( 如：配置文件) 知道其它应用的通信和协商参数。从m m s 的观点来看，这种预先知道的关于其它 m m s 应用的信息就是应用联系。不管初始化服务请求是否使用，在两个m i s 应用 间能够通信前，应用联系必须建立。在某些非连接环境中( 如：m i n i m a p ) ，在 互相通信前，m m s 节点仍旧使用初始化服务请求建立应用联系。 上下文管理提供如下服务： 1 ) i n i t i a t e ：用来在两个m s 应用间交换和协商参数，以建立应用联系。 2 ) c o n c l u d e ：以正常的方式结束应用联系。c o n c l u d e 月 务允许服务器由于 某种原因拒绝结束请求，例如下装序列或文件传输正在进行。 3 ) a b o r t ：异常中止一个应用联系。服务器不能拒绝该服务请求。异常中 止可能导致数据丢失。 4 ) c a n c e l ：取消一个已发出，但是没有收到服务器响应的s 服务请求。 5 ) r e j e c t ：通知另外一个删s 应用，本应用收到一个不支持的服务或报文 编码错误。 j 上海交通大学硕士学位论文 2 3 虚拟制造设备模型 m m s 中最重要的部分是虚拟制造设备( v m d ) 。v m d 模型确定了删s 服务器 的外部特性。s 允许一个应用程序同时具有客户机和服务器的功能。v m d 对象 本身可以看成包含其它对象的一个对象，其中通常包含变量，域等其它对象。嘲s 提供了诸如状态，非请求状态，标识等服务用来获得v m d 的信息和状态。同时， j i i 骶提供服务来管理和获得d 中定义对象的信息。 v m d 模型为客户端应用访问和管理v m d 中包含的对象提供了一个精确定义的 一致接口。客户端通过这些唧s 服务存取和操作这些对象。为了实现服务的致 性，锄s 要求所有的服务器符合v m d 模型。 图2 2 、i d 模型 m m s 最基本的用途是为设备和计算机应用间提供一种标准的通信机制以获 得良好的互操作性。为达到这个目的，瞄s 不仅要定义相互交换的报文的格式。 通用的报文格式，或者说是协议，只是互操作性的一个方面。除了协议外，删s 还定义了如下内容： 对象( 0 b j e e t s ) ：删s 定义了一系列的通用对象( 例如：变量，程序， 事件) 和这些对象的网络可见属性( 如：名字，值，类型) 。 服务( s e r v i e e s ) ：m m s 定义了一系列的通信服务( 例如：读，写，删 除) 来存取和管理网络环境中的对象。 行为( b e h a v i o r ) ：删s 定义了设备处理这些服务时应当表现出来的可 见行为。 9 对象，服务和行为的定义是易于理解的，因为它体现了当姗s 调用v m d 模型 时设备和应用间通信的方式。v 泐模型仅定义了通信时的网络可见部分，而不关 心一个实际设备实现该模型的内部细节( 例如：编程语言，操作系统，c p u 类型， i o 系统) 。正是由于侧重于设备的网络可见部分，v m d 模型不仅十分规范地实现 了良好的互操作性，而且使具体的实现不受设备类型的限制。因此，m m s 广泛适 用于各类工业系统。 图2 3m m sv m d 模型 2 3 1 客户机朋爱务器关系和确认服务 m m s 通过应用联系进行各种服务，提供服务的网络应用或设备间符合客户 机服务器关系。拥有v m d 和v m d 所包含对象的应用或设备构成服务器。客户机则 是向服务器请求数据或操作的网络应用或设备，即客户机是向服务器发出请求的 网络实体。 m m s 提供的服务大部分是确认服务。m m s 客户机和服务器间通过在网络上交 换请求，指示，响应和确认服务原语实现交互完成确认服务。图2 - i 描述了m m s 确认服务在客户机和服务器间的交互。非确认服务没有应答和确认过程。 许多m m s 应用和m m s 兼容的设备同时提供了客户机和服务器的功能。这些应 用中的v m d 模型只定义了其中的服务器功能。任何提供慨s 服务器功能的应用必 须遵循v m d 模型，而删s 客户机只要遵守报文规范就可以了。 上海交通大学硕士学位论文 图2 - i 确认服务的交互 2 3 2 实际、虚拟设备及对象 v m d 是实际制造设备的资源和功能集合的抽象表示，以及抽象表示和实际 装置的物理和功能方面的映射。在实际设备( 例如：p l c ，c n c ，机器人) 及它 们包含的对象( 如：变量，程序) 和虚拟设备及v m d 模型定义的对象间存在一定 差异。实际设备和对象包含它们特有的属性，而虚拟设备和对象符合v m d 模型， 因此与厂商、语言、操作系统等无关。 每个删s 的实现者必须通过一个执行功能隐藏设备或对象的细节。当同删s 客户端通信时，执行功能将实际的设备映射为通过v m d 模型定义的虚拟设备。由 于客户端只与虚拟设备和根据v m d 模型定义的虚拟对象交互，实际设备与客户端 之间被v m d 模型隔离开了。所以，个精心设计的m i , f s 客户应用可以和不同的设 备用相同的方式进行通信，因为m m s 服务器端的实际设备和对象已经被隐藏了。 这种描述服务器端行为的方法对设备的更新和改进并没有限制，删s 只对虚拟设 备和对象的网络可见部分有限制。图2 - 3 描述了执行功能提供了实际设备对象同 m m s 模型定义的虚拟对象间的映射。 执行功能的实现者必须决定如何为实际的对象建立v m d 模型。实际对象建 立模型的方式对不同实现者实现的客户机和服务器之间的互操作性有决定性影 响。不恰当或不正确的模型将使实现难以使用或难以同其他实现相互操作。 2 3 3 虚拟制造设备对象的描述 m m s 按照实际设备和应用的实时通信需求，定义了很多对象。每个对象都 上海交通大学硬士学位论文 有相关的m m s 服务，客户机可以通过这些服务访问和管理这些对象。v m d 必须 包含一个执行功能和零个或多个其它m m s 对象。下面是这些对象的列表。 域( d o m i n ) z 代表v m d 内的一种资源 程序调用( p r o g r 衄i n v o c a t i o n ) ：由一个或多个域组成的可执行程序 变量( v a r i a b l e ) 有类型的数据 类型( t y p e ) ：变量数据格式的描述 命名变量列表( n a m e dv a r i a b l el i s t ) ；以列表命名的一组变量 、 信志( s e m p h o r e ) , 用来控制共享资源访问的对象 操作站( o p e r a t i o ns t a t i o n ) , 操作员使用的监视器和键盘 事件条件( e v e n tc o n d i t i o n ) , 表示事件状态的对象 事件动作( e v e n ta c t i o n ) t 事件条件变化时执行的动作 事件登记( e v e n te n r o l l m e n t ) ：事件条件变化时通知的网络应用 日志( j o u r n a l ) , 事件和变量基于时间的记录 文件( f i l e ) ：文件存储或服务器上的文件 每个对象都拥有很多属性来描述这个对象。m m s 对象都有一个名字属性。 不同的对象还拥有其它不同的属性。例如变量的属性包括名字，值，类型等， 而程序调用包括状态属性。 从属对象只能在其它对象的范围内存在。这种属性叫做作用域。对象的作 用域反映了对象的生命期。姗s 中，对象的生命周期有三种： 1 ) v m d 特定：在整个v m d 中有意义，与v m d 的生命期一致。 2 ) 域特定：存在于特定的域中，只有该域存在，对象才存在。 3 ) 应用联系特定：由m m s 客户在一个特定的应用联系上建立，只能由该用 户使用。只有该应用联系存在，对象才存在。 在一个给定的作用域中，名字必须是唯一的。很多变量可以在上述的三个 域中定义，有些对象的作用域是有限制的，例如信志不能定义为应用联系特定 的，而操作站对象只能定义为w d 特定的。当一个对象删除时，所有从属于该 对象的对象必须被删除。 v m d 中很多对象的讨论涉及其它m m s 模型。例如事件条件对象涉及m m s 中 事件处理模型，因此事件对象的讨论将放在事件模型中进行描述。下面将介绍 v m d 中最基本的内容。 2 3 4 虚拟制造设鲁对象 v m d 是一个带有很多属性的对象，它的一些网络可见属性如下： 能力( c a p a b i l i t i e s ) v m d 的能力是由实际设备定义的资源或功能。v m d 可以包含多个能力，由一个字符串序列表示。能力由v m d 的实现者定义，提供了 实际设备和应用的相关信息。 逻辑状态( l o g i c a ls t a t u s ) , 逻辑状态指的是v m d 的m m s 通信系统的状态。 上海交通大学硪士学位论文 包括：s t a t e c h a n g e s a l l o w e d n o s t a t e c h a n g e s a l l o w e d 或o n l y s u p p o r t s e r v i c e s a l l o w e d 。 物理状态( p h y s i c a ls t a t u s ) , 物理状态指的是所有功能的状态。包括： o p e r a t i o n a l ，p a r t i a l l y o p e r a t i o n a l ，i n o p e r a b l e 或n e e d s c o m m i s s i o n i n g 。 v m d 提供的服务包括： 1 ) s t a t u s ：客户端通过本服务获得v m d 的逻辑和物理状态。 2 ) u n s o l i c i t e d s t a t u s ：服务器通过本非确认服务相向客户端报告状态。 3 ) g e t n a m e l i s t ：客户端通过本服务获得v m d 中的命名对象列表。 4 ) i d e n t i f y ：客户端通过本服务获得m m s 实现的具体信息，例如：制造商， 型号等。 2 3 5 虚拟制造设备执行模型 v m d 模型提供了一种灵活的执行模型，使客户机可以通过服务器控制程序 的执行。在这个模型中最核心的是域对象和程序调用对象。 2 3 5 1 域f 理 m m s 的域是一个命名对象，用来表示实际设备中的一种资源。域可以是任 何可以用一块连续的无类型数据表示的资源。在很多应用中，域被用来表示设 备中的一块内存。例如，p l c 梯形图程序的内存通常用一个域来表示。m m s 对域 中的具体内容没有任何限制，它的内容是由d 的实现者决定的。除了名字，域 还具有如下属性： 能力( c a p a b i l i t i e s ) ：每个域都有一系列的能力，用来表示实际设备的 信息。例如：内存分配，输入输出等。这些能力由字符串表示。 状态( s t a t e ) ：域的状态主要是l o a d i n g ，c o m p l e t e ，i n c o m p l e t e ，r e a d y ， i n u s e ，还包括一些中间状态。 可删除( d e l e t a b l e ) ：是否可以通过d e l e t e d o m a i n 服务删除这个域。可下 装的域总是可删除的。不能删除的域包括预先存在的域和v m d 预先定义的域。 可共享( s h a r a b l e ) ：这个域是否可以在多个程序调用间共享。 m m s 提供了很多进行域管理的服务，这些服务不能对域的一部分进行上装、 下装，也不支持域内部对象的访问。 1 ) i n i t i a t e d o w n l o a d s e q u e n c e ，d o w n l o a d s e g m e n t ，t e r m i n a t e d o w n l o a d s e q u e n c e ：这些服务用来下装一个域。 2 ) i n i t i a t e u p l o a d s e q u e n c e ，u p l o a d s e g m e n t ，t e r m i n a t e u p l o a d s e q u e n c e ： 这些服务用来向删s 客户上装一个域。 3 ) d e l e t e d o m a i n ：客户端通过本服务删除一个域。 4 ) g e t d o m a i n a t t r i b u t e s ：客户端通过本服务获得域的属性。 上海交通大学硕士学位论文 5 ) r e q u e s t d o m a i n d o w n l o a d ，r e q u e s t d o m a i n u p l o a d ：v m d 通过本服务要求客 户端进行上装或下装。 2 3 5 2 程序调用 s 客户通过程序调用管理v m d 中程序的执行。程序调用是由多个域组成的 执行序列。简单的设备可能只包含一个程序调用，程序调用只包含一个域，复 杂的设备可能包含多个程序调用，而每个程序调用可能包含多个域。 下面以p c 机为例，对程序调用进行解释。当p c 机加电启动后，向内存下装 它的第一个域操作系统并开始执行。当用户在命令窗口敲入一个命令后， 系统从文件中加载另外一个域，然后建立一个程序调用( 进程) ，这个程序调用 包含两个域：从文件加载的域和操作系统。可以看出，程序文件本身是不能执 行的，只有把它加载后，并通过程序调用同操作系统结合在一起才能执行。 除了名字外，程序调用还包括其它属性： 状态( s t a t e ) ：程序调用的状态主要包括n o n e x i s t e n t ，i d l e ，r u n n i n g ， s t o p p e d 和u n r u n n a b l e ，还有其它一些中间状态。 域列表( l i s to fd o m a i n s ) t 程序调用包含的所有域。 可删除( d e l e t a b l e ) ：是否可以通过删除服务删除此程序调用。 可重用( r e u s a b l e ) ：可重用的程序调用在执行结束后自动进入i d l e 状态， 而不可重用的程序调用要经过s t o p ，r e s e t 后才能进入i d l e 状态。 监控( m o n i t o r e d ) ：监控的程序调用在离开r u n n i n g 状态后自动通知用户 状态的改变。监控的程序调用包括事件条件对象。 执行参数( e x e c u t i o na r g u m e n t ) t 程序启动时传递的参数。 程序调用提供的服务： 1 ) c r e a t e p r o g r a m i n v o c a t i o n ：客户端通过此服务建立一个程序调用。 2 ) d e l e t e p r o g r a m i n v o c a t i o n ：客户端通过此服务删除一个程序调用。 3 ) g e t p r o g r a i l l i n v o c a t i o n a t t r i b u t e s ：获得程序调用属性。 4 ) s t a r t ，s t o p ，r e s e t ，r e s u m e ，z i l l ：控制程序调用状态的改变。 2 4 事件管理模型 在现实中，事件或报警是容易定义的。大部分人可以根据自己领域内的经 验对事件给出直观的解释。例如，在一个过程控制的应用中，当过程变量超过 一个预定的限制时，控制系统通常产生一个报警。在电力调度系统中，当线路 中电流和电压波形的相位差超过一定角度时，系统也会产生报警。 m m s 的事件管理模型为通过网络访问和管理这种事件提供了一个框架。m m s 通过定义三个命名对象完成事件管理的功能。这三个对象本别是： 1 4 1 ) 事件状态( 事件条件) 2 ) 当事件发生时通知谁( 事件登记) 3 ) 事件发生时v m d 需要执行的动作( 事件动作) 带宥一个布尔变量的监控事件 1 v m d 修改变 2 v m d 定期检蠢变获得事件状态 3 通过事件登记。謇户可以得到事件通知 4 事件动作执行髂服务请求并获得响应 5 带有事件动作的事件通知包括 应数据 6 无事件动作的事件通知不包含响应数据 图2 4 事件管理模型 在许多应用中，报警的传送可以通过非事件管理服务的其它s 服务完成。 例如，一个简单系统可以通过i n f o r m a t i o n r e p o r t 服务将过程变量传送给客户 端，通知m m s 客户本变量超过了预先设定值。其它服务也可完成类似的功能。但 是当应用十分复杂，需要对事件管理进行更加严格的定义，以确保互操作性时， 应当采用m m s 的事件管理模型。 2 4 1 事件条件对象 m m s 事件条件对象是一个命名对象，代表v m d 中某个实际条件的当前状态。 上海交通大学硕士学位论文 m m s 并没有定义可以改变事件条件的v m d 动作。在上面给出的过程控制的例子中， 如果过程变量没有超过预先设定的值，事件条件为i d l e 状态：否则，事件条件 为a c t i v e 状态。m s 并没有精确定义报警限制条件和事件状态间的映射关系。在 m m s 的观点看来，事件条件的状态变化是由v m d 中一些没有被m m s 定义的自治的动 作产生的。m m s 事件管理模型定义了两种类型的事件条件： 网络触发事件：网络触发事件条件只有在m s 客户通过t r i g g e r e v e n t 服务 请求时才能触发。网络触发事件没有状态( 状态总是d i s a b l e d ) 。这种事件使m m s 客户可以控制事件动作的执行和事件登记的通知。 监控事件：监控事件条件带有状态属性，该属性v m d 通过自治的动作设 置。监控事件可以和一个布尔类型的变量相联系，v m d 可以通过该变量获得状态。 v m d 定期检查变量的值。当变量值为t r u e 时，v m d 将事件条件的状态设为a c t i v e ， 当变量的值为f a l s e 时，v m d 将事件条件的状态设为i d l e 。监控事件条件通过 c r e a t e p r o g r a m i n v o c a t i o n 请求建立，要将m o n i t o r e d 属性置为真。 除了事件条件的名字，类型外，还定义了以下两种类型都具有的属性： 可删除( d e l e t a b l e ) , 本事件条件是否可以通过d e l e t e e v e n t c o n d i t i o n 服 务请求删除。 状态( s t a t u s ) , 事件条件的状态，值为i d l e ，a c t i v e 或d i s a b l e d 。网络触 发事件总为d i s a b l e d 。 、 优先级( p r i o r i t y ) , 本事件条件相对于其它事件条件对象的优先级。优 先级代表w d 处理事件登记和衡量状态变化的先后。o 代表最高优先级，1 2 7 是最 低优先级，6 4 代表普通优先级。 严重性( s e v e r i t y ) ：本事件条件相对于其它事件条件对象的严重性。严 重性表示事件条件变化对v m d 可能造成的影响。0 代表最高严重性，1 2 7 是最低严 重性，6 4 代表普通严重性。 除了以上的公共属性，监控事件还有如下属性： 监控变量：对一个布尔变量的引用，v m d 通过衡量该变量的值决定事件条 件状态的变化。可以是一个命名或非命名的变量。如果是一个命名变量，则必 须存在一个相同名字的变量。如果事件条件对象是本地创建的或通过将 m o n i t o r e d 属性置为t r u e 的c r e a t e p r o g r a m i n v o c a t i o n 请求定义的，监控变量的 引用应该设成u n s p e c i f i e d 。如果被应用的监控变量被删除，监控变量应答被设 为u n d e f i n e d ，v m d 应当禁止此事件条件的通知过程。 使能：监控变量值的变化是否引起v m d 对事件通知的处理。客户可以通过 a l t e r e v e n t c o n d i t i o n m o n i t o