可重构分布式数控系统的设计与实现
第14卷第4期
2 0 0 8年4月
计算机集成制造系统
Computer Integrated Manufacturing Systems
V01．14 No．4
Apr．2008
文章编号：1006--5911(2008)04—0637—07
可重构分布式数控系统的设计与实现
郑飞1，王时龙2，简毅2
(1．重庆大学软件学院，重庆400044；2．重庆大学机械工程学院，重庆400044)
摘要：为解决分布式数控系统在制造单元重新配置后难于重构的问题，提出一种可重构分布式数控系统的
设计和实现方案。该方案通过层次化体系结构设计，将系统各个模块间的耦合降至最小；通过工业以太网、嵌入式
智能终端和软插件技术来构建分布式数控硬件通信平台；对已提出的可重构软件系统框架进行了扩充，加入了基
于角色的访问控制模块和基于抽象工厂模式的数据访问模块，并采用扩展后的框架开发了分布式数控管理软件，
以浏览器／服务器模式对分布式数控相关制造资源进行统一、动态和有效的管理。基于此方案开发出的分布式数
控系统能够通过简单的配置实现重构，迅速适应制造单元的变化。
关键词：可重构}分布式数控}嵌入式智能终端；软插件技术}基于角色的访问控制；抽象工厂模式
中圈分类号：TP311．52 文献标识码：A
Design＆implementation of reconfigurable distributed numerical control system
ZHENGFeil，WANG Shi—lon92，．，mN矾2
(1．School of Software，Chongqing University，Chongqing 400044，Chinal
2．School of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)
Abstract：Most Distributed Numerical Control(DNC)systems were difficult tO reeDnfigure according tO the change
of manufacturing cells．To solve this problem，a design and implementation scheme for reconfigurable DNC system
was proposed．The whole system was designed by layered architecture which was to minimize the coupling of the
system modules．The hardware platforrn for DNC communication was constructed by using embedded terminals con—
nected tO machines and DNC server。as well as the plug-in library at the server side．The Browser／Scrver(B／S)
structured DNC management software was designed by applying the reconfigurable software framework．Moreover，
a Role-Based Access ControI(RBAC)module and a data access module based on the abstract factory pattern were
added into the framework tO improve the reconfiguration ability．The DNC system developed with the proposed
method could quickly adapt itself tO the change of manufacturing cells with simple configurations．Dynamic and el-
fective management of the DNC-related resources could be realized．
Key words：reconfiguration，distributed numerical control；embedded terminal；plug-in library；role-based access
eontrol‘abstract factory pattern
o引言 嚣髫萎妻誓蠹萎裂篇鬻主主萎
0-7重构系统突出强调面对易于变化的外部环 应新环境的要求。．--I重构制造系统作为一种新的制
收稿日期：2007-01-18；修订日期：2007-09—12．Received 18 Jan．2007；accepted 12 Sep．2007．
基金项目：重庆市自然科学基金重点资助项目(8483)．Foundation item：Project supported by the Natural Sdence Foundation of Chongqing，
China(No．8483)．
作者简介：郑飞(1982--)，男，重庆綦江人，重庆大学软件学院硕士研究生。主要从事软件工程、企业信息化、智能系统等的研究．
E-mail：zheng_feil27@126．corn。
万方数据
638 计算机集成制造系统 第14卷
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[1]。分布式数控(Distributed Numerical
Control，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[2。3]。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 In-
tegrated Manufacturing System，CIMS)的制造企
业H]。本文在文献[4-I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[5]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[7]的数据访问模块和基于角色的访
问控制模块[8]。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。
应用展现层
应用接口层
业务逻辑层
数据访问层
分布式数据库
多任务操作系统
即插即用驱动程序
可重构硬件通信平台
应用模块
业务逻辑
模块
数据操作
模块
系统支持
模块
图l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。
平台采用三层分布式结构：中心服务器层、车间
服务器层和数控机床层。中心DNC服务器选用
万方数据
第4期 郑飞等：可重构分布式控制系统的设计与实现 639
图2可重构DNC系统硬件通信平台拓扑结构
IBM xSeries机架式服务器，车间DNC服务器选用
工控机。均安装Windows NT／2000／XP操作系统，
SQL Server 2000数据库，并集成10／100／1 000 M
自适应以太网卡。车间DNC服务器和中心DNC
服务器间通过工业以太网，利用TCP／IP协议进行
通信。智能终端采用ARBOR公司生产的基于
PCI04总线的EMl04一$416，支持STPC Atlas CPU
(最高133 MHz)，自带32 MB SDRAM、一个自适
应网卡、四个串口、一个并口和一个USB接口。智
能终端上安装DOS操作系统，由于DOS操作系统
没有自带网络通讯功能，所以在其上安装Microsoft
Network Client软件，借助该软件，智能终端通过
TCP／IP协议与车间DNC服务器进行快速的数据
传输。该硬件通信平台具有如下优点：
(1)中心DNC服务器存储各个车间DNC系统
的公共数据信息，而各个车间DNC服务器间相互
独立，仅存储本车间DNC系统的相关数据信息。
若要增设一个数控车间，只需在网络中接入一台新
的车间DNC服务器，其所需的公共数据信息从中
心DNC服务器下载即可。
(2)每台智能终端通过以太网卡和车间DNC
服务器相连，并指定了唯一的IP地址。根据IP地
址的命名规则，车间子网最多可以带255台智能终
端，便于以后的扩充。而且采用网卡能使两者间的
通讯速率大幅度提高。和普通计算机相比，智能终
端体积小，配置简单，便于拆卸，更易实现重构。
(3)以软插件技术实现异构数控系统通信协议
的转换。当数控系统改变时，只需将新的通信协议
和驱动程序从DNC服务器中直接下载到与机床相
连的智能终端上。所有的通信协议和驱动程序由
DNC中心服务器的软插件库管理。调用使用于该
数控系统的通信协议和驱动程序就可以控制新的数
控系统，从而使数控系统的重构变得简单易行。
3智能终端处理软件设计
智能终端作为联系车间DNC服务器和数控机
床的桥梁，向上与车间DNC服务器建立以太网通
信，将机床当前工作状态上传到服务器，通过监控软
件展现给用户，并把相关信息写入服务器日志文件；
向下与数控机床建立RS232串口通信，将机床配置
文件和工艺人员编写好的NC程序下传到数控机床
的数控系统。
如图3所示，智能终端处理软件主流程如下：智
能终端首先完成初始化工作，然后检查网络连接情
况。若局域网(Local Area Network，LAN)连接正
常，则从车间DNC服务器下载相应的机床配置文
件、通信协议和相关的驱动程序。下载完成后，软件
将开启三个线程，分别用于监视机床的NC程序申
请、机床主轴的工作状态和机床的数据传输状态：
(1)NC程序申请监视线程：若机床申请下传
NC程序，则将NC程序从车间DNC服务器下传至
数控设备，准备进行加工；若机床申请上传NC程
序，则将机床数控设备中已经存在的NC程序上传
至车间DNC服务器并保存。
(2)机床主轴工作状态监视线程：检测机床主轴
的当前工作状态，如主轴速度，转向，冷却液开停等，
这些参数从数控设备的输出信号点获得。智能终端
解析这些信号，然后将获得的实时数据写入机床主
轴工作状态日志文件，上传到车间DNC服务器中。
(3)机床数据传输状态监视线程：检测机床当前
的数据传输状态，如正在传输的NC程序名、程序大
小、文件路径、申请方式、工作方式、开始时间、完成
进度等。这些参数通过监视机床用于和智能终端进
行数据传输的串口获得。智能终端解析这些信号，
然后将获得的实时数据写入机床数据传输状态Et志
文件，上传到车间DNC服务器中。
万方数据
640 计算撬集戎制造系统 第14卷
蛋3智能终端处理较搏熏流程
4分布式数控管理软件的可重构设计
4．I 系统功能及基于角色的访问控制
DNC管理软件负责管理DNC系统所涉及到的
掰有裁造资源(物理士或{雾[念上)，包括享阕员工、数
控机床、NC程序等。用统一建模语育(Unified
Modeling Language，UML)建立其用例图(如图4)。
系统采霜基予角色懿访阀控裁摸壁，涉及善遥
员工、计算机辅助设计／计算机辅助制造(Computr
Aided Design／Computer Aided Manufacturing，
CAD／CAM)设计入曼、车闻管理员纛系统管理员辫
种角色，每种角色宥其各自的用户群。系统在用户
登录时对用户的角色进行验证，以赋予用户符合自
身螽色懿权限，麸褥呈现给露声穗斑的搡撵界蔼。
普通员工是最基本的角色，仪能对本车间的机床信
息和NC程序信息进行查询，其他的角色均是对酱
逶员工角色的继承}CAD／CAM设诗人援管理自己
的设计任务，包括创建、申请、上传、下载、修改NC
程序，车阅管理员管理本车闻熬机床和员工等各种
资源，包括添加测除机床、添加删除员王、设置祝康
通信参数、查看机床实时状态等；系统管理员管理各
个车闻的总体信息，翘括添舷删除车闻、设置车间管
理员等，并有权管理系统冈志，以及系统数据库的备
份程还原。此赡，系统能够通过鳃橱智能终端传人
的各类日志文件，将机床的开关机状态、实时运行情
况等以图形化的方式展现出来，方便相关人员对数
控机床进行监控。系统逐麓按设定翡频率，在对各
个车阐DNC服务器上的数据整合精备份到蔓服务
器匕。
辘璇鹭静 员工管瑾 辊瘴基本祝瘩开关鞔瓴床当前
状淼查询 信息管穗 监控 状态监控
母4蜊c管理软件用例圈
万方数据
第4期 郑飞等：可重构分布式控制系统的设计与实现
使用基于角色的访问控制模型有助于提高软件
的可重构性，新用户的创建不再需要重新分配权限，
只需把其归于相应的角色即可；新角色的创建往往
可以通过在继承原有角色的基础上，加入自己特有
的权限来完成。
4．2可重构数据操作模块设计
数据操作模块的可重构性具有两层含义：①当
制造资源的类型、数量和布局发生变化时，能够通过
更改数据库中的相应数据项来适应这些变化；②当
底层数据库的类型发生变化时，能够通过配置文件
的更改，对数据库连接方式进行重新配置。如果更
进一步，则要求系统上层应用能够屏蔽底层数据库
由于类型的差别而带来的影响。为此，本文从以下
两个方面进行设计：
(1)数据库设计
可重构DNC数据库包含基本库和动态库，其
中PK表示主键，FK表示外键。
基本库存储制造资源的基本信息，由以下数据
表构成：车间表——车间编号(PK)，车间名称，车间
网关IP地址；机床数据表——机床编号(PK)，车间
编号(FK)，机床名称，机床类型，数控系统类型，驱
动程序编号(FK)，通信串口号，传输波特率，奇偶校
验类型，传输数据位，停止位；驱动程序表——驱动
程序编号(PK)，驱动程序名称，驱动程序类型，驱动
程序存储路径；NC程序表--NC程序编号(PK)，
NC程序名称，NC程序存储路径，NC程序设计者
(FK)；用户表——用户编号(PK)，用户名称，登录
密码，车间编号(FK)；角色表——角色编号(PK)，
角色名称；用户一角色表——用户编号(PK，FK)，
角色编号(PK，FK)。
动态库存储包括机床数据传输状态、主轴工作
状态，开关机情况在内的各类实时信息，按设定的频
率自动更新。动态库由以下数据表构成：机床数据
传输状态表——机床编号(PK，FK)，NC程序编号
(FK)，传输方式，传输开始时间，传输结束时间，程
序总字节数，已传输字节数，当前传输状态；机床主
轴工作状态表——机床编号(PK，FK)，主轴速度，
转向i冷却液开停；机床开关机情况表——机床编号
(PK，FK)，开机时间，关机时间；日志表——日志编
号(PK)，车间编号(FK)，日志时间，日志内容，日志
类型。
(2)数据访问层设计
为屏蔽底层数据库类型对上层应用的影响，在
数据访问层的设计上采用抽象工厂模式。数据访问
层采用C#进行开发，其类图如图5所示。
DBAccess类实现IDataAccess接口，对数据库
的插入、删除、修改、事务等底层操作进行了进一步
的封装，供上层业务逻辑类库调用。DBAccess类通
过GetConnectionString()函数获取可扩展标记语
言(eXtensible Markup Language，XML)配置文件
中的数据库连接字符串，然后调用Factory类来完
成其构造。Factory为工厂类，它根据获取到的数据
库连接字符串来判断数据库的类型，并自动创建与
数据库类型(Sqlserver／Oracle／OleDB)相匹配的数
据连接、数据适配器，以及其他相关信息。
抽象工厂模式的使用能很好地屏蔽底层数据库
变更对上层应用的影响，提高数据操作模块的可重
构性。当底层数据库类型发生变更时，需要修改的
部分仅限于XML配置文件中的数据库连接字符
串。上层模块均按统一的方式调用DBAccess类的
数据操作方法，所以无需做任何变动。
5应用实例
本文在系统设计基础上，完成了可重构DNC
系统的开发。智能终端采用客户机／服务器(Cli-
ent／Server，C／S)架构，在DOS平台下使用Turbo
C 2．0进行开发。DNC管理软件采用浏览器／服务
器(Browser／Server，B／S)架构，在Windows平台
下，采用Visual C#．Net进行开发。DNC管理软
件的服务器端安装在中心DNC服务器和车间DNC
服务器上，客户端可以是任何接入企业LAN内的
工业PC或移动PC，通过浏览器就能使用软件，进
行DNC系统的管理操作。
DNC管理软件的主界面由上端的系统按钮栏，
左端的功能树和右端的用户主视图组成。用户在登
录时，系统将根据用户角色的不同而显示不同的功
能树。图6为21车间具有车间管理员角色的用户
登录后的默认界面。左端的功能树显示了该用户能
够进行的操作，包括车间管理、机床管理、程序管理、
用户管理、日志管理等。右端的用户主视图默认为
机床信息视图，该视图列出了包括机床编号、机床类
型、数控系统类型、机床通信参数在内的机床信息。
所有信息都能以Excel的形式导出。
点击功能树中的添加机床链接，将显示如图7
所示的新机床添加界面。
用户输入机床的基本信息，在软插件库中选择
万方数据
642 计算机集成制造系统 第14卷
◆System．Data．DataSet Select(string columns。string tableName)
◆System．Data．DataSet Select(string columns，string tableName。string condi?)
●void Insert(string tableName，string values)
◆void Insert(string tableName，string columns，string values)
◆void Update(string tableName，string values。string conditions)
●void Delete(string tableName，string conditions)
DBAccess
string connectionString
DataType dataType
Factory factory
●public DBAccess0
◆public DBAccess(string connectionType)
◆public DBAccess(DataType dataType，string connectionString)
◆public void Delete(string tableName，string conditions)
◆private string GetConnectionStrin90
◆public void Insert(string tableName，string columns，string values)
◆public void Insert(string tableName，string values)
●publ ic DataSet Select(string columns．string tableName)
◆public DataSet Select(string columns，string tableName，string conditions)
◆public void Update(string tableName，string values，string conditions)
Factory
◆public IDBFactory CreateFactory(DataType dataType)
◆private Factory()
●public static Factory GetInstance 0
OleDBFactory SqlDBFactory I I OracleDBFactory
IAbstractD
BFactory
●CreateConnection()
◆CreateConnection(string con嗍tionString)
●-CreateCommand()
◆CreateDataAdapter 0
●CreateDataParameter()
◆CreateDataParameter(string strParameterName。object parameter?)
●CreateTransactlon一(System．Data．IDbConnection connection)
◆CreateDataReader(System．Data．IDbCommand command)
图5数据访问层类图
图6机床信息界面
机床的驱动程序，设置波特率、数据位、停止位、奇偶
校验位等机床通信参数后，系统就能对新的数控机
图7添加新机床界面
床进行管理和监控。当机床数控系统的类型或通信
参数发生变化时，只须以同样的方式变更相应参数
即可。
把馆钯忸恺忸{i"”"鸟≈≈
万方数据
第4期 郑飞等：可重构分布式控制系统的设计与实现
图8为机床数据传输状态监控界面。系统通过
解析智能终端传人的日志文件，将车间内各台机床
的开机时间及当前数据传输情况，包括当前传输的
NC程序名称、大小、申请方式(上传／下传)、完成进
度等，以列表的方式显示在用户主视图中，并以不同
的颜色标示不同的机床工作状态：绿色表示开机，黄
色表示关机，橘色表示出错。视图按用户设定的频
率刷新，以监控实时的传输状态，刷新频率在用户管
理模块处设定。
图8机床数据传输状态监控界面
图9为系统数据备份还原管理界面。系统能
以自动和手工两种方式对各个车间的所有数据和日
志文件进行备份，备份后的数据和日志文件经过系
统的整合，以覆盖或合并的方式存储在DNC中心
服务器上。自动备份的频率由用户在下拉菜单中自
行设定。手工方式则更为灵活，用户能够就某一类
型的数据或日志文件(NC程序文件、日志文件、图
片文件、驱动程序文件或数据库文件)进行备份或还
原。数据备份还原的历史记录以列表的方式显示并
可按时间进行查询。
图9系统数据备份还原管理界面
6结束语
可重构的分布式数控系统已经应用于重庆望江
工业公司，可对该公司的数控设备、NC程序和车间
员工进行统一、动态和有效的管理。或因生产任务
的变化或改进生产流程而变更数控机床的类型、数
量、布局时，当公司因企业信息集成的需要而变更
DNC数据库的类型或集成其他异构数据库时，DNC
系统均能通过简单的配置迅速实现重构，避免了系
统的二次开发，降低了系统维护和升级的成本，提高
了企业制造资源的管理水平和工作效率。
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