可重构分布式数控系统的设计与实现(上)

引言

    可重构系统突出强调面对易于变化的外部环境，能够以重排、重复利用和更新系统组态或子系统的方式，实现高效、灵活、低成本的重新配置，迅速适应新环境的要求。可重构制造系统作为一种新的制造模式，已成为当今先进制造的研究热点。可重构制造系统要求制造单元设备的类型、数量和布局(物理上或控制逻辑上)不再是固定不变的，而是随着生产任务的不同而动态变化。相应地，单元控制系统也需要具有可重构性，以适应单元物理配置变化和逻辑变化。分布式数控(Distributed NumericalControl，DNC)系统作为单元控制系统中的一个关键组成部分，其是否具有可重构性，直接决定了单元控制系统对单元物理和逻辑变化的适应性和敏捷性。

    狭义的DNC系统通过RS232等串行通讯接口，将数控(Numerical Control，NC)程序下传到数控机床控制器，也可将控制器中的NC程序上传到上位机。广义的DNC系统除了具有狭义DNC系统的功能外，还具有数控机床的状态采集、实时监控功能。本文研究的DNC系统属于广义DNC系统，其可重构性具有两个方面的意义：①DNC硬件通讯平台的可重构性；②DNC管理软件的可重构性。文献[4]针对DNC系统提出了两种可重构的硬件通讯结构，第一种通过串口扩展卡实现，适用于信息化集成较低的小型制造企业；第二种通过企业局域网和带独立IP的终端服务器实现，主要适用于较好地实施了计算机集成制造系统(Computer IntegratedManufacturing System，CIMS)的制造企业。本文在文献中提出的第二种通讯结构的基础上开展了进一步的研究，提出一种基于工业以太网、嵌入式智能终端和软插件技术的可重构硬件通讯结构。基于这种结构的DNC硬件通信平台能够将新的通信协议和驱动程序通过以太网从软插件库下载到智能终端，实现对新制造单元的通讯和控制。文献[63针对生产资源数据库管理系统，提出了由基本库模块、动态库模块、用户权限模块构成的可重构软件系统框架。本文扩展了该框架，加入了基于抽象工厂模式的数据访问模块和基于角色的访问控制模块。数据访问模块用于屏蔽底层数据库类型和结构的变更对DNC管理软件的影响；基于角色的访问控制模块用于提高权限管理的效率和可扩展性。扩展后的软件系统框架更有利于实现软件系统的重构。

1 可重构分布式数控系统体系结构设计

    为更好地实现DNC系统的可重构性，在系统的设计上采取层次化设计方式，提出如图1所示的系统体系结构。该体系结构分为四大模块，共八层，其设计思想是使下层模块的变动仅仅作用于与其相邻的上层模块，而对其他模块来说，这种变动是不可见的。这样的设计方式最大限度地降低了由于系统某一模块的变动而对整个系统所造成的影响，有利于提高DNC系统的可重构性。

图1 可重构DNC系统体系结构

    位于系统体系结构最底端的三层构成了系统支持模块，为DNC系统提供多任务操作系统、即插即用驱动程序和硬件通信平台等系统级的功能支持；在此之上是数据操作模块，其中分布式数据库用于存储数据，数据访问层提供统一的数据访问接口，用于屏蔽下层异构数据所带来的差异；业务逻辑模块对系统的业务逻辑进行描述，并通过编写的类库对业务逻辑进行处理，类库中的数据库操作则通过调用数据访问层的接口来完成；最顶端的应用模块调用业务逻辑层的类库实现应用，以图形化界面的方式展现给用户，并通过应用接口层和计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning，CAPP)、产品数据管理(Product Data Management，PDM)等其他应用进行集成。

2 可重构硬件通信平台设计

    现代制造企业面对的是一个多变的需求环境，制造系统面对的加工任务也是多变的。因此，车间数控机床的类型、数量和布局都需要随着加工任务的变化而做出相应的调整。这就要求DNC硬件通信平台具有开放性和可重构性。本文通过工业以太网、嵌入式智能终端和软插件技术来搭建系统硬件通信平台，其网络拓扑结构如图2所示。

图2 可重构DNC系统硬件通信平台拓扑结构