基于UML的可重构DNC管理系统研究

摘　要　本文从软件设计的角度，提出了一种可重构的DNC管理系统的设计方法，并采用面向对象的统一建模语言(UML)对系统进行了设计与开发。

关键词　可重构　DNC　UML

分布式数控(Distributed　Numeri-cal　Control，简称DNC)，是指一台或多台计算机对多台CNC机床实施综合数字监控。随着网络技术和软件技术的发展，如何对加工过程的实时情况进行有效的监控，对加工资源进行统一的管理， 已经成为现代企业实现制造自动化的关键技术之一。可重构性是软件的关键性能之一，它是指软件不需要经过重新的开发、编译，而仅仅通过配置文件的简单修改，来适应系统需求以及外部环境的变化。统一建模语言(Unified　Modeling　Language，简称UML)具有良好的定义形式、易于表达、功能强大，全面体现了面向对象的设计思想，其作用域不仅支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发全过程，从而使系统的开发标准化。

1　系统分析

系统在登录时对用户的权限进行验证从而呈现给用户相应的操作界面。普通员工仅能对本车间的机床信息和数控程序信息进行查询；CAD／CAM设计人员管理自己的设计任务，包括创建、申请、上传、下载、修改数控程序；车间管理员管理本车间的机床和员工等各种资源，包括添加删除机床和员工、设置机床通信参数、监控机床实时状态等；系统管理员管理各个车间的总体信息，包括添加删除车间、设置车间管理员等，并有权管理系统日志以及系统数据库的备份和还原。此外，系统能够自动监控机床的开关机状态、实时运行情况，并能按设定的频率把各个车间服务器上的数据整合到主服务器。

2　系统设计

2．1　体系结构设计

现代制造企业面对的是一个多变的需求环境，因而制造系统面对的加工环境、加工任务也是多变的。这就要求DNC管理系统体系结构应具有开放性和可重构性，为此构建如图1所示的系统体系结构。此体系结构分为四层，底层是系统支持层，为系统提供硬件通信平台、驱动程序、网络设备及操作系统的系统级支持；在此之上是数据层，为系统提供分布式的数据库服务以及数据访问服务；再上一层是业务逻辑层，该层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；最顶层是应用层，该层和业务逻辑层接口，调用业务类库，并对用户展现操作界面。

2．2　系统通信设计

为了使DNC管理系统能实时有效地监控CNC机床，本文采用局域网技术与串口通信技术相结合的方法来搭建系统硬件通信平台，如图2所示。

该硬件通信平台结构的特点：(1)DNC管理系统与CNC机床控制器之间通信通过一个自制的智能终端ECl04-33进行。该智能终端与CNC机床的控制器之间通过RS-232串口线与机床进行通信。(2)智能终端能够设定自己的IP地址(以此作为机床的IP地址)，并通过Intranet企业内网同运行DNC管理系统的车间服务器进行通信。(3)智能终端作为DNC管理系统和CNC机床控制器之间的通信桥梁，把设计人员通过DNC管理系统上传到车间服务器上的数控程序下载到机床上执行；同时也把机床的当前状态以日志文件的方式写入车间服务器，便于DNC管理系统读取和显示。

2．3　可重构性设计

可重构DNC管理系统具有三层含义。

第一层含义为：当制造系统或制造单元中的CNC机床数量增力口或减少时，通过对DNC管理系统添加或删除实时监控CNC机床的数量来适应制造系统的重构；

第二层含义为：当DNC管理系统中添加不同类型的CNC机床时，计算机与CNC机床控制器进行报文传输的通信协议必须可重配置；

第三层含义为：当数据库的类型发生变化时，能够通过管理系统配置文件的更改进行重新配置。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。

从可重构DNC管理系统含义可知，实现该系统的可重构性实质上是实现系统体系结构中数据层的可重构性。

(1)数据库设计。可重构DNC数据库必须包含CNC机床和通信协议信息，为此建立3张数据库表。CNC机床――物理层协议数据表由以下基本字段构成：CNC机床序列号、CNC机床名称、通信串口编号、传输波特率、奇偶校验、传输数据位、停止位、控制流、传输模式、缓冲区字节、传输数据类型；CNC机床一一数据链路层协议数据表中字段为：CNC机床序列号、CNC机床名称、数据链路层协议；CNC机床--DNC层协议数据表中字段为：CNC机床名称、DNC控制指令描述。第1、2张表的主关键字为机床序列号，第3张表的主关键字为CNC机床名称，三张表通过CNC机床名称字段建立关系。进行DNC系统重构时，实质上是对可重构DNC数据库进行操作。

(2)数据访问层设计。为了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工厂方法模式。采用工厂方法模式能够很好地消除底层数据库变更对上层应用的影响，达到可重构的目的。

2．4　线程设计

由系统分析可知，系统需要自动完成以下功能：监测机床的开关机时间以统计机床的使用情况；实时显示机床的运行状况以对机床进行有效的监控；定时备份车间数据库上的数据到主服务器上。因此系统除了需要一个主线程来处理用户操作外，还需要三个辅助线程函数来完成上述三个功能。

(1)bool MachineOFMonitor(string shopid)；

(2)bool MachineStatusMonitor(String shopid)；

(3)bool DatabaseBackup(stringshopid)。

3　系统实现

在系统设计基础上，进行了可重构DNC管理系统的开发。系统的硬件通信平台采用Visual C++进行开发，便于调用Win32通信I／O的API同数控机床进行通信。系统的软件平台采用B／S结构，在Win-dows X平台下，采用VisualStudio．Net框架进行开发，便于用户操作，也便于系统和更新。在用户视图中，本车间各台机床的运行情况以列表的方式列出，并以不同的颜色标示不同的状态。视图定时刷新以监控机床的实时状态。刷新时间可以由用户自行设定。

UML语言的使用范围不仅限于支持面向对象系统的分析与设计，还支持从需求规格描述开始的软件开发全过程。要做到软件从建模开发、测试、模拟、完成的全过程，需要进一步研究解决与软件体系结构相关的代码产生工具及软件系统结构分析工具，以及UML集成化支持环境、集成化过程工种环境和集成化系统工作环境和集成。将设计模式应用到软件开发中能大幅提高开发的效率。