（系统工程专业论文）基于协同服务的底层设备的数据采集和标准化接口的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术地不断发展，现代工业正在向集成化、管控一体化等方向发 展。在信息技术的带动下，一大批工业设备日益集成化和智能化，现代工业的 服务模式也在不断地变革。协同服务是设备供应商或设备维护商通过网络远程 提供设备运行过程中的诊断和维护等一系列服务，让工业设备尤其是复杂设备 在运行中安全有效地运转。作为企业信息化的重要部分，协同服务以全新的服 务模式实现了工业服务链中的重要一环。 本文在研究协同服务的基础之上，对其底层工业设备运行的实时数据提取 及其标准化接口的实现做了深入地研究。在标准化接口的实现过程中，运用到 了o p c 技术，这种基于c o m 技术的标准化规范，实现了底层设备实时运行参 数的规范化接口。 本研究为协同服务平台提供了关键性的使能技术，主要分为两个部分。第 一个部分是对底层工业设备开发o p cd a 服务器，实现设备运行参数的标准化 接口。另外一个部分是实现工业设备网络化的标准接口，即如何实现o p cd a 服务器的x m l 接口，这罩探讨了o p cx m l - d a 中间件服务器的开发与研究。 最后，对原型系统做了一些论证及调试。 关键词：协同服务数据采集标准化接口o p cd a o p cx m l d a a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m o d e mi n d u s t r i e sa r er e a l i z i n g m a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a t i o n d r i v e db yt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , al o to f i n d u s t r ye n q u i p m e n t sw i l lb ei n t e g r a t e d ，i n t e l l i g e n t ，h u m a n i z e d t h es e r v i c em o d eo f m o d e mi n d u s t r yi sc h a n g i n gu n c e a s i n g c o l l a b o r a t i v es e r v i c ei sas e r v i c em o d e , w h i c he n q u i p m e n ts u p p l i e r sa n dm a i n t e n a n c ep r o v i d e r ss u p p l yt h ed i a g n o s i sa n d m a i n t e n a n c eo fr u n n i n ge n q u i p m e n to n l i n e a sa ni m p o r t a n tp a r to fi n t e g r a t i n gf o r e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，c o l l a b o r a t i v es e r v i c ei sr e a l i z i n gt h ec h a i no ft h e i n d u s t r i a ls e r v i c e i nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n go fc o l l a b o r a t i v es e r v i c e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ed a t a e x t r a c t i o na n ds t a n d a r di n t e r f a c eo fu n d e r l y i n gi n d u s t r i a l e n q u i p m e n t i nt h e s t a n d a r d i z a t i o np r o c e s so fi n t e r f a c e , w eu s et h eo p ct e c h n o l o g y b a s e do nt h ec o m , o p cr e a l i z et h es t a n d a r di n t e r f a c eo fr e a l t i m eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h eu n d e r l y i n g e q u i p m e n t a sak e yt e c h n o l o g yo fc o l l a b o r a t i v es e r v i c ep l a t f o r m ，t h e r ea r ei n c l u d i n gt w o p a r t s t h ef i r s tp a r ti sd e v e l o p i n go p cd as e r v e rf o rc a p i t a ln u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n et o o l s t h eo t h e rp a r ti sr e a l i z i n gw e bs t a n d a r di n t e r f a c eo fi n d u s t r i a l e n q u i p m e n t ，w h i c hi sh o wt or e a l i z et h ew e bs e r v i c ef u n c t i o no ft h ei n t e r f a c eo fo p c d as e r v e r t h er e s e a c ha n dd e v e l o p m e n to fo p cx m l d am i d d w a r es e r v e ri s d i s c u s s e di nt h i st h e s i s a tl a s t ，t h ev e r i f i c a t i o na n dd e b u g g i n go ft h ep r o t o t y p es y s t e mi sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v es e r v i c e s t a n d a r di n t e r f a c eo p cd a o p cx m i 。d a i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年 三久弓要 易日 2月 、叔三 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝储躲圳3 玛鲅 矽唧年三月f 知j 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 现代工业的发展都是随着信息技术的发展而不断加速。作为现代工业的基 础，信息技术在工业界起到了举足轻重的作用。在信息技术的带动下，一大批 工业设备日益集成化、智能化和人性化，现代工业的服务模式也在不断地变革。 大型复杂设备在其研发、供应、销售、使用和回收等整个生命周期内需要的各 种服务例如合作研发服务、零部件匹配供应服务、分包制造服务和售后服 务已形成了全球性的工业服务链。良好的技术服务有助于促进整个服务链 上产品的升级换代和创新，不管是用户还是供应商，对复杂设备的运行服务支 持都极为重视u 1 。 传统的工业服务模式是零部件厂商向设备制造商供货，当设备调试运行时 发现故障时，要求零部件厂商提供服务；同时设备制造商向其客户供货，在现 场的运行中发现问题后，再向其提供服务。这种“一条线 式的服务，是一种 效率低、实时性差的服务方式盟1 。传统的工业服务模式对于大型复杂设备的运行 维护变得十分困难。此时，一种新的服务模式协同服务应运而生，这是一 种全新的产品服务模式。 协同服务就是设备供应商或设备维护商通过网络远程提供设备运行过程中 的诊断和维护，让工业设备尤其是复杂设备在运行中安全有效地运转。作为企 业信息化的重要部分，协同服务以全新的服务模式实现了工业服务链中的重要 一环。协同服务主要是针对售后服务，直接面对业务客户和企业内部客户，它 以因特网技术为基础，系统用户将协同售后服务的请求提交到协同服务平台， 协同服务平台能够实现售后服务业务流程的一体化整合以及数据信息的集中管 理。协同服务模式强调的是将设备零部件厂商、设备制造商和用户整合在一起， 通过网络将整个实时运行情况集成到协同服务平台上，设备制造商可以实时监 控设备运行情况，当出现异常情况后，对其进行实时诊断和维护，同时设备零 部件供应商也可以在线实时提供其服务，用户也可以阐述具体情况及其改进要 求。这种高效实时的服务模式，提高了设备零部件供应商和设备制造商的核心 第1 章绪论 竞争力，也提高了用户单位的工作效率对设备异常运行的处理变得非常及时 有效。这种将设备零部件供应商、设备制造商和设备片j 户通过一定的协调和接 入机制连接在一起，前两者为后者提供全方位的服务，这样产品、服务、信息、 关怀和其它要素组成的“产品捆绑体”，提高了合作各方的竞争力，构建起了 种“多赢”的局面。协同服务网络如图11 所示。 。“汹威岂薹翟“f 劳 & * “进“ j 当h ，t h 嘲l i 协同服务州络 协同服务作为企q k 信息集成的一个重要部分，对于分布式异构平台的集成， 传统的c o r b a 、d c o m 、r m ! 技术等难以实现，而o p c 接口则能够很好适应 w e b 环境，从而对异构环境的集成提供了可能，并且增强了不同协议系统之间 的互通性，使数据通信能够穿越防火墙0 1 。因而通过实现各个分布式异构系统的 信息集成和整合，柬更好地实现企业的资源共享和协同服务。要实时高效地提 供服务现场设备的实时数据采集和数据通信成为及其重要的一部分，同时必 须把这些数据参数集成到海同服务平台上。 在国外，特别是德国和欧洲的其它大型科研机构及相关企业已经认识到了 工业服务的巨大意义。在审4 造领域的服务研究巾，欧盟和德国政府资助并组织 相关高等院校、研究所和企业对此进行合作研究。例如，在欧盟第七项框架的 第l 章绪论 制造领域项目中，从2 0 0 7 年起的5 个研究领域中有关服务和新的服务模式就占 了2 项。德意志研究联合会( d f g ) 从2 0 0 6 年5 月起到2 0 0 9 年将提供6 0 0 万 欧元实施“t r 2 旷设备与服务集成的捆绑工程研究专项，由波鸿鲁尔大学与 柏林工业大学等多个研究所合作研究生命周期的服务与设备的捆绑工程问题h 1 。 智能化、开放式、信息化成为当代工业制造设备发展的主要趋势，对于设 备使用商，工业制造设备的信息化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业 对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造 的要求的基础畸1 。工业底层设备的协同服务最重要的就是实现远程监控与维护功 能，是实现底层设备信息化的一个重要方面。国内外对工业现场设备的数据采 集的研究一直是个热点，串口通讯、无线传感等是数据采集的实现方式，但传 统的采集方式是针对不同的设备编写不同的驱动来提取数据。现在，国内外许 多的专家与学者都在研究统一的标准化接口。本研究中协同服务以o p c 技术作 为基础，来实现工业过程控制中的标准化接口。越来越多的数控系统、p l c 、大 型医疗器械、智能楼宇以及其它的一些大中型工业现场设备都支持o p c 技术， 在整个监控领域有不断普及之势，尤其在工业过程数据的控制方面。 o p c 技术在数控设备上的应用比较广泛，目前基本上所有的数控设备都在 努力实现o p c 接口。国内著名企业浙大中控对o p c 技术的运用研究较为成熟， 旗下的w e b f i e l d 控制系统家族均开发出了o p c 服务器，支持o p cd a 规范2 0 x 、 3 0 ，可以实现控制系统的过程参数的监控。国内的一些组态监控软件厂商对o p c 技术也有深入的研究，尤其对客户端的研究已经较为成熟。例如北京的昆仑通 态、三维力控和世纪星等企业都研究出了较好的客户端监控软件，支持o p c 接 口，很多厂商甚至把o p c 驱动作为唯一的驱动接口。 随着0 6 年底o p c 基金会推出的o p cu a 架构，很多的学者和企业也投入 到了相应的开发中。这个规范将o p c 的应用范围扩展到整个企业，定义了接口 的很多方面，包含复杂的数据模型，统一的信息语义，安全和冗余，重要的是 提供了一种标准的方法拓展信息模型，o p cu a 同时提供综合认证，确保实施过 程中的互可操作性。与早期的o p c 规范相对比，o p cu a 提出了更多的新特 点，如：支持复杂数据内置、增强的命名空间、跨平台( 不再唯一依赖 c o m d c o m ) 、支持大量通用服务功能等。因此，o p c 技术将走向标准化和统 一化引。 中国科技部和德国教育与研究部( b m b f ) 在新一轮的中德政府间科技合作 第1 章绪论 中，将支持“c o s e r v i c e 协同服务项目，目标是研究开发支持协同服务的方法、 过程和工具，优化高科技设备的使用和运行，进而提高合作企业的竞争力。本 课题研究就是其中极其重要的一部分。 1 2 工控领域数据采集和标准化接口通信的发展 作为实现协同服务的一个重要部分，底层工业设备的数据采集与通信实现变 得十分重要。现代工业控制领域当中，数据采集和通信技术已经应用得非常普 遍。但是一些传统的方式因为大型设备的不断发展需要而变得十分困难，于是 一些新的技术正在不断出现。 1 2 1 数据采集技术 计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平。在生产过程中， 应用这一系统可对现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、 降低成本提供信息和手段。数据采集系统的任务，具体地说，就是将采集到的 传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行 相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示 或打印，以便对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算 机控制系统用来控制某些物理量【_ 7 1 。 数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。从硬件方面来看，目前数据采 集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统，另一种是集 散型数据采集系统。数据采集系统软件由于具体应用的不同，其规模、功能及 所采用的技术也不相同。数据采集系统的软件一般由下面几个部分组成：模拟 信号采集与处理程序、数字信号采集与处理程序、脉冲信号处理程序、开关信 号处理程序、运行参数设置程序、系统管理( 主控) 程序和通信程序等等。 在计算机技术发展潮流的推动下，p c 机在工业测控领域得到了愈来愈广泛 地应用。为了满足p c 机用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各 种各样的数据采集板卡。这类板卡均参照p c 机的总线技术标准设计和生产，在 一块印刷电路板上集成了模拟多路开关、程控放大器、采样保持器、a d 和d a 转化器等部件，用户只要把这类板卡插入p c 机主板上相应的i 0 ( i s a 或p c i ) 4 第1 章绪论 扩展槽中，就可以迅速地、方便地构成一个数据采集与处理系统，从而大大节 省了硬件的研制时间和投资，又可以充分利用p c 机的软硬件资源，还可以使用 户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法进行研究、进行系统设计和开发 垒奎【8 】 寸。 在过程控制等工业现场，一般各个生产参数监控点分散，相距计算机较远， 且外界干扰较强，在这种情况下采用a d 板卡来采集数据，如果模拟信号的传 送线路太长，分布参数和干扰的影响容易引起模拟信号的衰减，从而直接影响 a d 转化的精度。采用串行端口采集数据，即在各个生产参数监测点分别设置数 据采集板块，使得模拟信号的传送线路不长，降低分布参数以及干扰的影响， 保证a d 转换的精度。由采集模块采集模拟信号并转换成数字信号，然后再通 过串行通信线、串行端口( r s 2 3 2 ) 传送到计算机，并较好地解决板卡采集数 据存在的问趔9 】。本研究中采用串行通信进行数据采集。 1 2 2 标准化接口技术的发展 随着自动控制、计算机、通信和网络等技术的发展，企业的信息集成系统 正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、经营管理的各个层次以及从 原料采购、生产加工的各个环节。并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地 市场的供销链全过程，以适应企业管理控制一体化的应用要求。企业信息系统 的发展对工业数据的开放性、扩展性都提出了更高的要求。各应用系统的互联 互通问题是企业信息化建设中的重要课题，虽然各应用系统都提供了专用的数 据访问接口，但由于受开放性制约，互联互通仍存在着较大的困难n 0 1 。 在传统的控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信 息共享是通过驱动程序来实现的，不同厂家的设备又使用不同的驱动程序，迫 使工业控制软件中包含了越来越多的底层通信模块。另外，由于相对特定应用 的驱动程序一般不支持硬件特点的变化，这样使得工业控制软硬件的升级和维 护极其不便。o p c 技术的出现则很好地解决了这些问题，o p c 使得这些软硬件 非常容易地组合在一起并能相互通信。为了适应工业数据交换的需要，实现不 同厂商生产的软硬件之间的系统集成与数据交换，o p c 迅速成为工业数据交换 的有效工具【l 。o p c 技术作为工控领域的数据交换和信息共享的一种通用的接 口规范，成为解决这个问题的有力工具和便捷方式。2 0 0 4 年底o p c 基金会推出 5 第1 章绪论 的o p cx m l - d a 新规范，可进一步提高应用系统的开放性。 1 3 协同服务体系架构及其关键设备的标准化接口 协同服务平台实现了复杂工业设备的远程监控和远程维护等功能，集成了企 业运行的很多信息孤岛，对于企业的安全有效运行提供了技术支撑，对企业的 有效管理也提供了保障。企业内复杂工业设备的安全有效运行是十分重要的， 这不仅关系到公司产品的生产效率，对于整个企业的有效运转都显得相当重要。 然而对于不同的复杂设备，要提取底层设备参数，独立开发驱动和数据接口显 得相当困难和繁琐，这个时候标准化的o p c 统一接口对于底层设备参数的提取 显得非常重要，省去了不少的开发时间，提升了开发和维护效率。本节就o p c 技术在协同服务中的应用做一些简单地介绍。 1 3 1 协同服务平台的体系架构 实现产品全生命周期的服务管理是制造业对客户服务的最高形式。在网络 化时代，协同服务及其支持系统是实现产品全生命周期服务的理想支持系统， 不论是在客户服务的方便性、服务内容的广泛性还是服务效率的高效性等方面， 都是其他任何一种传统的服务方式所无法比拟和实现的。协同服务体系架构如 图1 2 所示。 协同服务平台上总体分成表示层、业务逻辑层和数据层三层。其中业务逻辑 层又可扩展为基础层、核心层和功能层三层。 ( 1 )表示层 表示层为客户端界面及协议。客户端界面采用w e b 浏览器作为统一的用户 界面。客户端开发完成后后，然后融合到协同服务平台。由于底层参数的接口 为o p c 接口，所以客户端其实也就是一个o p c 客户端，然后融入到协同服务的 w e b 服务平台中，来供远程浏览。 ( 2 ) 业务逻辑层 该层是整个平台的核心所在，其中核心层是平台实现的目标，通过在线帮 助子系统、在线培训子系统、技术支持子系统、服务协同子系统和信息反馈子 系统，实现企业间的协同服务；功能层是平台的功能模块的划分，每一个功能 6 第1 章绪论 模块可能还会包含更小的子模块；基础层是平台功能实现的基础，平台要建立 个性化用户接口、权限与安全、应用服务配置和系统运行监控等管理。逻辑层 是向企业级用户提供设计、开发、部署、运行和管理的系统平台。按照逻辑业 务划分，基础层中的各项管理、功能层中各个功能模块都可以分别作为一个独 立的逻辑单元，通过应用服务器提供的各项标准服务实现。 业务 逻辑层 数据层 亟口臣固 至 n t e r n e v i n t r a n c t 浏览器 彳r彳产彳f z n l e m e 仉n t r a n c t 弋，弋夕弋乡 协同服务平台 j e接o p 口c 基础 1 个性化用户接口lf权限与安全li 运用服务配置li 系统运行监控 l 层 警l 黑l 禹禹禹离 功能 倒圆圆圆圈圈一一倒 层 彳 j 乡 之多 h t e r r 把仉n 仃a r 哦 i ，、il ，7 、-i ，、 陲圣兰三三习陲三三三三爿陲专三三习 l 主苎竺兰堡j【苎竺望堡jl 尘兰竺竺璺堡j 图1 2 协i 司服务体系架构 ( 3 ) 数据层 数据层是协同服务平台底层参数的数据集合，如p l c 、数控机床、纺机等 的实时运行参数、程序段等，通过数据库保存起来或者实时传递出去。本研究 主要是把大型机电设备的实时参数通过o p c 服务器实时传递到客户端，来提供 协同服务。 本研究主要集中在业务逻辑层和表示层之间，主要是研究如何通过o p c 技 术把复杂设备的实时参数通过标准化接口接入到协同服务平台中。o p c 技术在 7 第1 章绪论 协同服务平台中的应用为异构化的大型平台的集成提供了技术支撑，这样，对 于这个平台的开发效率和维护效率得到了大大提升。接下来就系统中o p cd a 服务器以及o p cx m l d a 中间件服务器在系统中的应用做一些简单的介绍。 1 3 20 p c 技术在协同服务中的应用 作为协同服务平台，非常重要的就是如何提取底层设备的参数，并将这些 参数如何连接到这个大的平台之中。对于大型的底层工业设备，要提取出实时 运行的参数信息，并通过因特网向远程客户端提供标准的数据接口，本研究使 用o p c 技术。本研究中的其中一组硬件设备开通数控的k t 5 0 0 系列机床，为了 将其原来本地的上位机监控系统的参数对外提供一个标准化的接口，为其开发 了o p cd a 服务器。而对于已经拥有o p cd a 服务器的设备，如西门子的p l c 、 8 4 0 d 数控系统，仅需要开发一个o p cx m l d a 中间件服务器对其原来的o p c d a 服务器的接口参数进行封装，形成一个w 曲服务器，对外提供x m l 数据接 口，来供远端的客户进行请求访问。o p c 服务器在协同服务中的应用及开发过 程如图1 3 所示。 a 型c n c 、p l c ，纺机为不含o p cd a 服务器的数控系统，需单独开发o p c x m l d a 服务器。这里采取开发o p cd a 服务器，然后通过已经开发的o p c x m l d a 中间件服务器进行封装的方式，为远程客户端提供x m l 格式的标准数 据接口。 b 型c n c 、p l c 为已开发出o p cd a 服务器的数控系统，对每一个数控设 备，仅须独立封装成o p cx m l - d a 服务器。然后对每一个o p cx m l - d a 服务 器，连接到i n t r a n e t ，组成w e b 服务器，并将其接入到因特网，供远端的客户访 问。 o p cd a 服务器要使远程的浏览器或者客户端能够通过因特网访问，就必须 对其进行x m l 封装并形成一个w e b 服务器，图中的w e bs e r v e r 其实就是将每 个底层设备的w e b 服务器集成到协同服务平台的系统。当然，这个协同服务平 台不仅仅是包括各个设备的o p cx m l d a 服务器，还包括图1 2 中的其它一些 服务内容。 协同服务中，客户通过因特网访问现场设备层的控制参数和状态信息，来 达到监控现场设备，提高现场设备层的执行水平。底层设备可能分布在不同的 8 第1 章绪论 工厂车间，若干个客户端可以并行地访问同一底层设备，每个客户端也可以同 时访问多个底层设备。 图1 3 协同服务中o p c 服务器的应用及开发过程 o p c 服务器连接到协同服务平台中的应用架构如图1 4 所示。在这个架构图 中，包含两个部分，已经有o p cx m l - d a 服务器的现场设备，直接接入到协同 服务平台中，对仅有o p cd a 服务器的现场设备，应用开发的o p cx m l - d a 中 间件服务器对其参数进行x m l 封装，形成一个w e b 服务器，并连接到协同服 务平台中，对外提供服务。 9 第1 章绪论 图1 4o p c 服务器连接到协同服务平台中的应用架构 1 4 本文的主要工作及内容安排 本研究在实现协同服务平台大的框架下，集中研究复杂设备底层实时运行 参数的提取和参数标准化接口的实现。协同服务平台包含了很多的大型数控机 床、p l c 和其它的一些设备，底层设备的参数标准化接口对于在协同服务平台 上的集成显得尤为重要。为了实现标准化接口，本研究采用了o p c 技术。本文 基于o p c 基金会的o p cd a 3 0 规范和o p cx m l d a l 0 1 规范提出了o p cd a 服务器和o p cx m l d a 中间件服务器( w r a p p e r ) 的设计及实现方法，为协同 服务平台的实现提供了很好的技术基础。 协同服务平台重在提供远程协同服务，那么如何实现实时参数的通信是一 个关键技术。本研究对于已经有o p cd a 服务器的设备，如针对西门子的8 4 0 d 等，开发了o p cx m l d a 中间件服务器封装o p cd a 接口参数，来对外提供 o p cx m l 接口；对于还没有o p cd a 服务器的设备，如开通数控机床等，则针 对其设备开发了o p cd a 服务器。本文结构如图1 5 所示。 1 0 第1 章绪论 课题 叫o 中间件服务器l 务骊俏头现卜 实现卜 研究平台 背景架构 及国及技 内外术路 研究 线 篇黯h 器广 硼”艿师j 动态 框架 总结 及原 与展 型实 望 现 图1 5 内容结构 第l 章中对本研究的课题背景及其基础技术的发展做了一些简单地概述， 并就协同服务平台架构和o p c 技术在其中的应用做了简单地介绍，同时还对技 术路线做了一些探讨。 第2 章：协同服务的实现，离不开底层设备参数标准化接口的实现和参数 集成。在本章中对于如何实现标准化接口的基础o p c 技术以及如何对外提供 参数接口的平台w 曲s e r v i c e 技术做了一些基础地分析。 第3 章：作为本研究的主体内容，具体探讨了o p cx m l d a 中间件服务器 的研究与开发，包含了总体架构与编码实现。 第4 章：这章讨论了本研究在开通数控o p cd a 服务器开发中所做的主要 工作，主要是开发o p cd a 服务器的过程中的平台移植以及实时参数的同步提 取。 第5 章：针对前面的开发工作，本章就原型系统做了一些概述，并对其做 了一些调试工作。 第6 章：针对已做的研究，做了一些总结，并且对于本研究的后续工作， 做了一些展望。 第2 章协同服务中标准化接口实现的技术基础 第2 章协同服务中标准化接口实现的技术基础 在纷繁众多的复杂设备中，标准化的统一接口实现对于系统集成显得非常 重要，协同服务平台中不同设备的实时信息集成也需要标准化的统一接口。本 研究中采用广泛应用的o p c 技术，来统一实现底层设备的实时运行参数接口。 o p c 技术最早是建立在c o m 基础之上的，而后来出现的o p cx m l d a 则是建 立在w e b 服务基础之上的。本章就o p c 发展中的技术基础c o m 及w e b 服务做 一一介绍后，对o p c 规范及其接口函数做一些简单介绍。 2 1 组件对象模型技术 2 1 1g o m 技术概述 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 是微软公司基于组件的软件解决方案的基 础。c o m 为基于组件的开发方式提供了简单、一致的模型，实践已经证明了这 一点。组件对象模型是与平台无关的、分布式的、面向对象的系统，该系统可 创建交互式二进制软件组件【l2 1 。c o m 是o l e 和a c t i v e x ( 基于网络的组件) 和微软其他技术的基础。 c o m 不是面向对象的编程语言而是一个标准。c o m 也不是构造应用程序 的技术。它将语言、结构和实现的细节留给编程人员去考虑。c o m 是明确地指 定一个对象模型和编程的必要条件，它能使c o m 对象( 也叫c o m 组件，有时 也简称对象) 与其他的对象进行交互。这些对象可以运行在同一进程内，也可 以运行在不同的进程上，也可运行在远程计算机上。它们可以用不同的编程语 言实现，结构可以完全不同。这就是称c o m 是一个二进制标准的原因，它是一 个可以在应用程序编译成二进制的机器语言后应用的标准【1 3 】。 c o m 是一种技术，它允许对象跨进程、跨机器边界交换信息就像对象在同 一线程内交换信息一样简单。一个c o m 组件可以包含多个c o m 对象，c o m 对象被很好地封装起来，客户无需知道对象内部实现细节，只需通过c o m 接口 访问c o m 对象就可以了。每个c o m 组件都必须实现i u n k n o w n 接口，而且其 1 2 第2 章协同服务中标准化接口实现的技术基础 他所有接口都必须从i u n k n o w n 接口派生，i u n k n o w n 接口用于查询其他接口【1 4 1 。 c o m 既提供了组件之间进行交互的规范，也提供了实现交互的环境，因为 组件对象之间交互的规范不依赖于任何特定的语言，所以c o m 也可以是不同语 言协作开发的一种标准。c o m 不仅提供了组件之间的接口标准，它还引入了面 向对象的思想。在c o m 规范中，把对象称为c o m 对象。组件模型为c o m 对 象提供了活动的空间，c o m 对象以接口的方式提供服务，图2 1 表明了c o m 组 件、c o m 对象和c o m 接口三者之间的关系。 c o m 接口1 c o m 接e 1 2 c o m 接k 1 3 图2 1c o m 组件、对象与接口 c o m 组件分为三种类型，进程内组件、本地组件和远程组件，即d c o m 组 件。d c o m 是带有长途载波的c o m ，是c o m 的无缝扩展，d c o m 组件与客户 程序可位于不同计算机上，这些计算机可以在局域网内、广域网上，也可通过 i n t e m e t 进行连接。它可以作为分布式应用系统的基本架构，客户程序与d c o m 组件对象之间形成了客户服务器关系，客户程序只负责接受用户的输入并把服 务器的响应结果反馈给用户，这种分布式结构不仅可以减轻客户程序的负担， 还可以提高系统的整体性能，对客户程序而言，组件程序所处的位置是透明的， 不必编写任何处理远程调用的代码，因为d c o m 已处理了底层网络协议的所有 细节。 2 1 2o o m 结构 接口是一组逻辑上相关的函数集合，其函数也被称为接口成员函数。按照习 惯，接口名常以“i 为前缀，如“i u n k n o w n ”。对象通过接口成员函数为客户提 供各种形式的服务。每一个c o m 接口都由一个1 2 8 位全局唯一标识符( g u i d ， g l o b a lu n i q u ei d e n t i f i e r ) 来标识。客户通过g u i d 获得接口的指针，再通过接口 指针，客户就可以调用其相应的成员函数。对象是某个类的一个实例，在c o m 第2 章协同服务中标准化接口实现的技术基础 模型中，对象通过接口及接口中的函数为客户提供服务，对于客户来说，它只 与接口打交道。每个c o m 对象也由一个1 2 8 位g u i d 来标识，称为c l s i d ( c l a s s i d e n t i f i e r ) ，用c l s i d 标识可以保证在全球范围内唯一性【1 5 】。客户成功地创建对象 后，它获得一个指向对象某个接口的指针，客户就可以调用该接口提供的所有 服务。客户如何获得接口指针如图2 2 所示。 虚拟函数表包含一组指向虚拟函数实现的指针，所有c o m 接口都是从 i u n k n o w n 继承，一个i u n k n o w n 包含三个函数：q u e r y i n t e r f a c e ，客户通过它来查 询某个组件是否支持某个特定的接口，若支持，它将返回一个指向此接口的指 针，否则返回一个错误代码。a d d r e f 和r e l e a s e 实现的是一种名为引用计数的 内存管理技术。引用计数是使组件能够自己将自己删除的最简单同时也是效率 最高的方法。c o m 组件将维护一个称作是引用计数的数值。当客户从组件取得 一个接口时，此引用计数值将增1 ，当客户使用完某个接口后，组件的引用计数 将减1 ，当引用计数值为0 时，组件即可将自己从内存中删除。a d d r e f 使值增 l ，而r e l e a s e 使值减1 。组件通过使用连接点来获得客户的情况，c o m 提供四 个接口来实现它，即i c o n n e c t i o np o i n tc o n t a i n e r ；i e n u mc o n n e 砸o np o i n t s ； i c o n n e c t i o np o i n t 和i e n u mc o 皿e c t i o n s l l 6 1 。 客户接口继承接口的类 | 被请求篓接口对 一 、，k 坦针l j 象广 、，t b i t 茸f i f 、7q u e r y i n t e r f a e eq u e r y i n t e r f a c e a d d r e fa d d r e f r e l e a s er e l e a s e 接口方法接口方法 虚拟函数表 2 1 3c o m 工作原理及特性 图2 2 接口方法 当一个组件或普通程序( 即组件的客户程序) 调用组件的功能时，它首先创 建一个c o m 对象或者通过该对象所实现的c o m 接口调用它所提供的服务。当 1 4 第2 章协同服务中标准化接口实现的技术基础 所有的服务结束后，如果客户程序不再需要该c o m 对象，那么应该释放掉该对 象所占有的资源，包括对象自身。c o m 规范说明，c o m 定义的每一个接口都 必须提供两个非常重要的特征：生存期控制和接口查询。每个接口都引入了“引 用计数”( r e f e r e n c ec o u n t i n g ) 方法，可以有效地控制对象的生存周期。另一方 面，这个接口可以通过使用“接口查询”( q u e r y i n t e r f a c e ) 的方法来完成接口之 间的跳转n7 1 。c o m 具有语言无关性、进程透明性和可重用性等特性。 2 2x m lw e b 服务模型 w e b 服务是创建可互操作的分布式应用程序的新平台，其主要目标是跨平 台的可互操作性。为此，w e b 服务完全基于x m l 等独立于平台及软件供应商的 标准。新一代的w e b 编程通过广泛采用x m lw e bs e r v i c e s 定义，而x m lw e b s e r v i c e s 以w 3 c 的x m l 标准及未来的w 3 cx m l 协议( w 曲服务) 标准为基 础。从核心来看，n e t 建立在w e b 服务之上，并服务于w e b 服纠1 8 】。w e b 服 务是封装为单个实体并发布到网络上供其他程序使用的功能集合，是用于创建 开放分布式系统的构件，可以使公司和个人迅速且廉价地向全世界提供其数据 服务。 w e b 服务是下一代的w w w ，允许在w e b 站点上放置可编程的元素，可实 现基于w 曲的分布式计算和处理。w e b 服务的发展非常迅速，其新规范( s o a p ， w s d l 和u d d d 的构建模块出现不久，就已经对设计、开发和部署基于w e b 的应用产生了巨大的影响。当前有多种创建应用程序的平台，但每种平台均使 用其自身的协议( 本质上通常是二进制代码) 来实现设备间的集成，因此跨平 台的应用程序在数据共享方面的能力相当有限。认识到这些限制后，人们一直 在致力于建立有关数据格式和数据交换方面的标准，籍此以实现“不论服务采 用何种软件，使用何种硬件，均能够跨越这一传统的界限以w e b 的形式无缝地 将其集成在一起 这一远景目标。该目标的核心是互操作性概念，即不同系统 能够无缝地通信和共享数据。w 曲服务是一种可以用标准i n t e m e t 协议访问的可 编程应用逻辑，有关机器间和应用程序问透明通信且借助于w e b 的标准的一种 具体实现【挎】。 第2 章协同服务中标准化接口实现的技术基础 2 2 1w e b 服务的核心：x m l 技术 1 9 9 6 年，w 3 c 在s g m l 语言的基础上，提出了x m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ) 语言草案。1 9 9 8 年，w 3 c 正式发布了x m l1 0 标准。x m l 语言对 信息的格式和表达方法做了最大程度的规范，应用软件可以按照统一的方式处 理所有x m l 信息。为了将x m l 信息转换为h t m l 等不同的信息展现形式，1 9 9 9 年，w 3 c 制定出了x s l t 标准。同年，i e 5 0 增加了对x m l 和x s l t 的支持。 w e b 本身就是一个最大的分布式应用系统。一个明显的事实是，如果能让 分布式应用借助x m l 格式交换信息，那么，以往横亘在分布式架构上的信息交 换难题也就迎刃而解了。1 9 9 9 年，w 3 c 和相关的企业开始讨论设计基于x m l 的通信协议，2 0 0 0 年，w 3 c 发布s o a p ( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c 0 1 ) 协议的 1 1 版。人们把利用s o a p 协议传递x m l 信息的分布式应用模型称为w e b s e r v i c e 。2 0 0 1 年，w 3 c 发布了w s d l ( w e bs e r v i c e sd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 协议的 1 1 版。s o a p 协议和w s d l 协议共同构成了w e bs e r v i c e 的基础。随后，j 2 e e 和n e t 这两大企业级开发平台先后实现了w e bs e r v i c e ，并将其视为平台的一项 核心功能l 2 0 1 。 x m l 能够实现文件的内容( 数据) 和描述( 数据的表示形式) 分隔开来， x m l 关注于内容，它可以提供一种在w 曲文件中包含元数据( m e t a d a t a ) 的方法， 而元数据是关于信息的信息。x m l 是一种界定文本数据的简便而标准的方法， 曾经被人称为“w e b 上的a s c i i 码 。x m l 的标记用来说明程序员所描述的概 念，而属性则用来控制其结构。然后，程序员可以定义自己所设计出的语法并 同其他人共掣2 。 x m l 的数据描述机制意味着其将成为一种在i n t e r n e t 上共享信息的强大途 径，这是因为如下原因：x m l 是开放的，能够在不同的用户和程序之间交换数 据，而不论其平台如何；自描述的特性使其对于b 2 b 和企业内部网解决方案来 说是一种有效的选择；无需事先协调，即可在程序之间共享数据。x m l 的机制 使程序能够找出一类x m l 文档的结构。x m l 具有简单性、良好的可扩展性和 互操作性等优点【2 2 】。 2 2 2w e b 服务的架构 w e b 服务由以下几种i n t e r n e t 开放性的标准构成。 1 6 第2 章协同服务中标准化接口实现的技术基础 ( 1 ) x m l 是提供建立共同信息格式并与在w e b 上分享格式及资料的一种方 法。 ( 2 ) s o a p 使应用程序间能相互沟通，但不需要知道彼此的平台，或各自如 何运作等细节信息。它以x m l 格式编码，包含请求服务器的方法调用后返回到 客户机的数据。 ( 3 )u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n , d i s c o v e r y , a n di n t e g r a t i o n ) 描述企业提供的 服务，公布其希望以何种技术规格与其他企业交易。从其他企业资料搜寻其所 需的产品或服务，并通过线上的u d d i 登录数据库完成。 ( 4 ) w s d l 描述通过i n t e r n e t i n t r a n e t 使用的应用程序及需要使用何种资料