引言
可重構系統突出強調面對易于變化的外部環境，能夠以重排、重復利用和更新系統組態或子系統的方式，實現高效、靈活、低成本的重新配置，迅速適應新環境的要求。可重構制造系統作為一種新的制造模式，已成為當今先進制造的研究熱點。可重構制造系統要求制造單元設備的類型、數量和布局(物理上或控制邏輯上)不再是固定不變的，而是隨著生產任務的不同而動態變化。相應地，單元控制系統也需要具有可重構性，以適應單元物理配置變化和邏輯變化。分布式數控(Distributed NumericalControl，DNC)系統作為單元控制系統中的一個關鍵組成部分，其是否具有可重構性，直接決定了單元控制系統對單元物理和邏輯變化的適應性和敏捷性。
狹義的DNC系統通過RS232等串行通訊接口，將數控(Numerical Control，NC)程序下傳到數控機床控制器，也可將控制器中的NC程序上傳到上位機。廣義的DNC系統除了具有狹義DNC系統的功能外，還具有數控機床的狀態采集、實時監控功能。本文研究的DNC系統屬于廣義DNC系統，其可重構性具有兩個方面的意義：①DNC硬件通訊平臺的可重構性；②DNC管理軟件的可重構性。文獻[4]針對DNC系統提出了兩種可重構的硬件通訊結構，第一種通過串口擴展卡實現，適用于信息化集成較低的小型制造企業；第二種通過企業局域網和帶獨立IP的終端服務器實現，主要適用于較好地實施了計算機集成制造系統(Computer IntegratedManufacturing System，CIMS)的制造企業。本文在文獻中提出的第二種通訊結構的基礎上開展了進一步的研究，提出一種基于工業以太網、嵌入式智能終端和軟插件技術的可重構硬件通訊結構。基于這種結構的DNC硬件通信平臺能夠將新的通信協議和驅動程序通過以太網從軟插件庫下載到智能終端，實現對新制造單元的通訊和控制。文獻[63針對生產資源數據庫管理系統，提出了由基本庫模塊、動態庫模塊、用戶權限模塊構成的可重構軟件系統框架。本文擴展了該框架，加入了基于抽象工廠模式的數據訪問模塊和基于角色的訪問控制模塊。數據訪問模塊用于屏蔽底層數據庫類型和結構的變更對DNC管理軟件的影響；基于角色的訪問控制模塊用于提高權限管理的效率和可擴展性。擴展后的軟件系統框架更有利于實現軟件系統的重構。
1 可重構分布式數控系統體系結構設計
為更好地實現DNC系統的可重構性，在系統的設計上采取層次化設計方式，提出如圖1所示的系統體系結構。該體系結構分為四大模塊，共八層，其設計思想是使下層模塊的變動僅僅作用于與其相鄰的上層模塊，而對其他模塊來說，這種變動是不可見的。這樣的設計方式最大限度地降低了由于系統某一模塊的變動而對整個系統所造成的影響，有利于提高DNC系統的可重構性。
圖1 可重構DNC系統體系結構
位于系統體系結構最底端的三層構成了系統支持模塊，為DNC系統提供多任務操作系統、即插即用驅動程序和硬件通信平臺等系統級的功能支持；在此之上是數據操作模塊，其中分布式數據庫用于存儲數據，數據訪問層提供統一的數據訪問接口，用于屏蔽下層異構數據所帶來的差異；業務邏輯模塊對系統的業務邏輯進行描述，并通過編寫的類庫對業務邏輯進行處理，類庫中的數據庫操作則通過調用數據訪問層的接口來完成；最頂端的應用模塊調用業務邏輯層的類庫實現應用，以圖形化界面的方式展現給用戶，并通過應用接口層和計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning，CAPP)、產品數據管理(Product Data Management，PDM)等其他應用進行集成。
2 可重構硬件通信平臺設計
現代制造企業面對的是一個多變的需求環境，制造系統面對的加工任務也是多變的。因此，車間數控機床的類型、數量和布局都需要隨著加工任務的變化而做出相應的調整。這就要求DNC硬件通信平臺具有開放性和可重構性。本文通過工業以太網、嵌入式智能終端和軟插件技術來搭建系統硬件通信平臺，其網絡拓撲結構如圖2所示。
圖2 可重構DNC系統硬件通信平臺拓撲結構
平臺采用三層分布式結構：中心服務器層、車間服務器層和數控機床層。中心DNC服務器選用IBM xSeries機架式服務器，車間DNC服務器選用工控機。均安裝Windows NT／2000／XP操作系統，SQL Server 2000數據庫，并集成10／100／1000M自適應以太網卡。車間DNC服務器和中心DNC服務器間通過工業以太網，利用TCP／IP協議進行通信。智能終端采用ARBOR公司生產的基于PCI04總線的EMl04-S416，支持STPC Atlas CPU(最高133 MHz)，自帶32MB SDRAM、一個自適應網卡、四個串口、一個并口和一個USB接口。智能終端上安裝DOS操作系統，由于DOS操作系統沒有自帶網絡通訊功能，所以在其上安裝MicrosoftNetwork Client軟件，借助該軟件，智能終端通過TCP／IP協議與車間DNC服務器進行快速的數據傳輸。該硬件通信平臺具有如下優點：
(1)中心DNC服務器存儲各個車間DNC系統的公共數據信息，而各個車間DNC服務器間相互獨立，僅存儲本車間DNC系統的相關數據信息。若要增設一個數控車間，只需在網絡中接入一臺新的車間DNC服務器，其所需的公共數據信息從中心DNC服務器下載即可。
(2)每臺智能終端通過以太網卡和車間DNC服務器相連，并指定了唯一的IP地址。根據IP地址的命名規則，車間子網最多可以帶255臺智能終端，便于以后的擴充。而且采用網卡能使兩者間的通訊速率大幅度提高。和普通計算機相比，智能終端體積小，配置簡單，便于拆卸，更易實現重構。
(3)以軟插件技術實現異構數控系統通信協議的轉換。當數控系統改變時，只需將新的通信協議和驅動程序從DNC服務器中直接下載到與機床相連的智能終端上。所有的通信協議和驅動程序由DNC中心服務器的軟插件庫管理。調用使用于該數控系統的通信協議和驅動程序就可以控制新的數控系統，從而使數控系統的重構變得簡單易行。
3智能終端處理軟件設計
智能終端作為聯系車間DNC服務器和數控機床的橋梁，向上與車間DNC服務器建立以太網通信，將機床當前工作狀態上傳到服務器，通過監控軟件展現給用戶，并把相關信息寫入服務器日志文件；向下與數控機床建立RS232串口通信，將機床配置文件和工藝人員編寫好的NC程序下傳到數控機床的數控系統。
如圖3所示，智能終端處理軟件主流程如下：智能終端首先完成初始化工作，然后檢查網絡連接情況。若局域網(Local Area Network，LAN)連接正常，則從車間DNC服務器下載相應的機床配置文件、通信協議和相關的驅動程序。下載完成后，軟件將開啟三個線程，分別用于監視機床的NC程序申請、機床主軸的工作狀態和機床的數據傳輸狀態：
(1)NC程序申請監視線程：若機床申請下傳NC程序，則將NC程序從車間DNC服務器下傳至數控設備，準備進行加工；若機床申請上傳NC程序，則將機床數控設備中已經存在的NC程序上傳至車間DNC服務器并保存。
(2)機床主軸工作狀態監視線程：檢測機床主軸的當前工作狀態，如主軸速度，轉向，冷卻液開停等，這些參數從數控設備的輸出信號點獲得。智能終端解析這些信號，然后將獲得的實時數據寫入機床主軸工作狀態日志文件，上傳到車間DNC服務器中。
(3)機床數據傳輸狀態監視線程：檢測機床當前的數據傳輸狀態，如正在傳輸的NC程序名、程序大小、文件路徑、申請方式、工作方式、開始時間、完成進度等。這些參數通過監視機床用于和智能終端進行數據傳輸的串口獲得。智能終端解析這些信號，然后將獲得的實時數據寫入機床數據傳輸狀態日志文件，上傳到車間DNC服務器中。
圖3 智能終端處理軟件主流程
4 分布式數控管理軟件的可重構設計
4．1系統功能及基于角色的訪問控制
DNC管理軟件負責管理DNC系統所涉及到的掰有裁造資源(物理士或{霧[念上)，包括享闋員工、數控機床、NC程序等。用統一建模語育(UnifiedModeling Language，UML)建立其用例圖(如圖4)。
系統采用基于角色的訪向控制模型，涉及普通員工、計算機輔助設計/計算機輔助制造(ComputxAided Design/Computer Aided Manufacturing,CAD/CAM)設計人員、車間管理員和系統管理員四種角色，每種角色有其各自的用戶群。系統在用戶登錄時對用戶的角色進行驗證，以賦予用戶符合自身角色的權限，從而呈現給用戶相應的操作界面。普通員工是最基本的角色，僅能對本車間的機床信息和NC程序信息進行查詢，其他的角色均是對普通員工角色的繼承，CADJCAM設計人員管理自己的設計任務，包括創建、申請、上傳、下載、修改NG程序;車間管理員管理本車間的機床和員工等各種資源，包括添加刪除機床、添加刪除員工、設置機床通信參數、查看機床實時狀態等;系統管理員管理各個車間的總體信息，包括添加刪除車間、設置車間管理員等，并有權管理系統日志，以及系統數據庫的備份和還原。此外，系統能夠通過解析智能終端傳人的各類日志文件，將機床的開關機狀態、實時運行情況等以圖形化的方式展現出來，方便相關人員對數控機床進行監控。系統還能按設定的頻率，在對各個車間DNC服務器上的數據整合后備份到主服務器上。
圖4 UNC管理軟件用例圖
使用基于角色的訪問控制模型有助于提高軟件的可重構性，新用戶的創建不再需要重新分配權限，只需把其歸于相應的角色即可;新角色的創建往往可以通過在繼承原有角色的基礎上，加入自己特有的權限來完成。
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本文標題：可重構分布式數控系統的設計與實現(上)
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