基于3D技術(shù)的工廠動(dòng)力設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面開發(fā)應(yīng)用

汪華聰　胡忠福

摘 要：文章概述工廠動(dòng)力設(shè)備三維實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面開發(fā)應(yīng)用過程，先對(duì)組成動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行3D建模，把建好設(shè)備3D場景模型導(dǎo)入到一款具有內(nèi)置3D引擎的平臺(tái)軟件中，開發(fā)出360度可隨意縮放、隨意旋轉(zhuǎn)的三維實(shí)時(shí)設(shè)備模型，監(jiān)控軟件通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維動(dòng)態(tài)效果，直觀形象地反映設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)以及運(yùn)行情況。

關(guān)鍵詞：3D建模；場景漫游；工廠動(dòng)力設(shè)備

當(dāng)下，在工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)使用二維平面界面作為人機(jī)界面，無法對(duì)工藝流程進(jìn)行全方位展示，也無法對(duì)現(xiàn)場、設(shè)備進(jìn)行精確掌握，同時(shí)起不到對(duì)新員工培訓(xùn)的作用。利用3D技術(shù)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場的工藝、設(shè)備等進(jìn)行全方位建模，形成完全反映工業(yè)現(xiàn)場的3D場景，同時(shí)將工業(yè)現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器、設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)信息與3D場景無縫融合。在3D場景中對(duì)工藝、設(shè)備進(jìn)行360度全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，隱藏外圍部件來展示設(shè)備內(nèi)部的具體運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速定位、快速切換等功能[1]。

1 3D建模

3D建模通俗來講就是通過三維制作軟件3Dmax通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。對(duì)設(shè)備3D建模前先做好前期準(zhǔn)備工作，前期準(zhǔn)備工作是一項(xiàng)耗時(shí)繁瑣的工作，前期準(zhǔn)備工作包括現(xiàn)場測繪設(shè)備尺寸，對(duì)設(shè)備所在建筑物空間取景、實(shí)物照片，收集設(shè)備平面布置圖、各種管線圖、建筑物平面布置圖等。在設(shè)備及建筑物數(shù)據(jù)、資料收集準(zhǔn)備充分情況下著手對(duì)設(shè)備進(jìn)行3D建模，3D建模不單是對(duì)設(shè)備的形狀建模還要對(duì)設(shè)備所在的場景建模，所構(gòu)建的3D場景中的設(shè)備、工藝管道是對(duì)照實(shí)物尺寸按照一定比例來建模，設(shè)備渲染的顏色和實(shí)物是一致的，工藝管道線如蒸汽管道、燃?xì)夤艿谰€、給水管道線用一定的顏色區(qū)分開來[2]。

2 監(jiān)控平臺(tái)軟件選擇運(yùn)用

監(jiān)控平臺(tái)軟件選用美國標(biāo)志軟件的GENESIS 64自動(dòng)化套件，應(yīng)用其中一款功能程序GraphWorX64，即融入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基于矢量2D和3D圖形化開發(fā)和展示平臺(tái)。監(jiān)控軟件具有全景管理功能，以矢量化的三維圖形展現(xiàn)企業(yè)管網(wǎng)系統(tǒng)圖，三維界面支持縮放、平移，巡視，定位等功能，全景管理界面支持大屏投放。一個(gè)GraphWorX64顯示界面可以添加TrendWorX64（趨勢），AlarmWorX64（報(bào)警）和EarthWorX64（地圖）。

3D可視化監(jiān)控平臺(tái)按如下功能設(shè)計(jì)要求開發(fā)。

2.1 三維模型的導(dǎo)入與更新

系統(tǒng)平臺(tái)可按要求導(dǎo)入及更新三維模型，包括動(dòng)力主要能源設(shè)備、能源輸送管道、綜合管溝、建筑物三維模型等。

2.2 系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)初始化

負(fù)責(zé)輸入支持整個(gè)平臺(tái)正常運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)，集成在本平臺(tái)中，以三維可視化的手段將各部分管道間的關(guān)系立體地進(jìn)行分層展現(xiàn)。如三維實(shí)時(shí)鍋爐系統(tǒng)生產(chǎn)監(jiān)控畫面可更改對(duì)象的不同屬性的值，這個(gè)值來源于鍋爐控制系統(tǒng)下位程序采集的現(xiàn)場真實(shí)數(shù)據(jù)信息，可實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)畫動(dòng)作，如電機(jī)旋轉(zhuǎn)、管道內(nèi)介質(zhì)位移等，直觀形象地反映現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 沉浸式漫游

實(shí)現(xiàn)在三維虛擬場景進(jìn)行任意位置、角度的模型自由瀏覽。系統(tǒng)提供地面行走模擬、高空中飛行等漫游瀏覽方式。可在三維實(shí)時(shí)鍋爐系統(tǒng)生產(chǎn)監(jiān)控畫面中錄制重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)視角，實(shí)現(xiàn)視角的快速定位；同時(shí)將多個(gè)視角按照不同的路線制作巡檢路線，實(shí)現(xiàn)設(shè)備漫游巡檢。

2.4 快速定位

根據(jù)三維模型與信息一體化關(guān)聯(lián)關(guān)系建立模型層次樹形結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)三維模型，通過在樹形結(jié)構(gòu)中查找、篩選等方式快速在三維場景中定位對(duì)應(yīng)的三維模型。

2.5 設(shè)備信息管理

設(shè)備信息管理主要針對(duì)能源管道附屬設(shè)備的數(shù)據(jù)的初始化及維護(hù)，主要包括設(shè)備類型信息、廠商信息、設(shè)備基礎(chǔ)信息、設(shè)備使用信息、設(shè)備位置信息。

3 數(shù)據(jù)通信連接

把建好的設(shè)備3D模型導(dǎo)入GENESIS 64軟件中的功能程序GraphWorX64中，按功能設(shè)計(jì)要求開發(fā)出想要的設(shè)備三維畫面，這時(shí)的三維畫面不是實(shí)時(shí)的設(shè)備三維監(jiān)控畫面。實(shí)時(shí)的設(shè)備三維監(jiān)控畫面是基于OPC技術(shù)的應(yīng)用獲得，通過OPC通訊連接實(shí)現(xiàn)GENESIS 64軟件程序與下位機(jī)程序的數(shù)據(jù)信息交換。

3.1 OPC技術(shù)應(yīng)用

OPC是OPC基金會(huì)制定的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以O(shè)LE/COM/DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，采用客服/服務(wù)器模式。OPC服務(wù)器是數(shù)據(jù)供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC客戶提供所需的數(shù)據(jù)，OPC客戶為數(shù)據(jù)使用方，處理服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場控制層以PLC嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)，可外接模擬量輸入輸出、開關(guān)量信號(hào)輸入輸出等I/O卡，該層主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測和報(bào)警，將采集的數(shù)據(jù)上傳，并執(zhí)行各種控制功能；監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用PC機(jī)，裝有兩塊網(wǎng)卡，其中一塊與下位機(jī)PLC通信，另外一塊網(wǎng)卡與生產(chǎn)管理層的其他計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)程序，將現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)通過OPC送到監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控，利用組態(tài)軟件進(jìn)行復(fù)雜組態(tài)工作，將組態(tài)信息下載到PLC，并調(diào)整控制算法和參數(shù)，管理調(diào)度層計(jì)算機(jī)的OPC客服程序通過DCOM方式訪問OPC服務(wù)程序，進(jìn)行信息交互。因此，在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中，OPC服務(wù)器將企業(yè)現(xiàn)場控制層與生產(chǎn)管理調(diào)度層有機(jī)組合，組成一個(gè)開放性好、可靠性高的分布式控制系統(tǒng)。

實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集服務(wù)器（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）采用主備冗余配置，同時(shí)配置2套主備冗余的數(shù)據(jù)采集OPC驅(qū)動(dòng)軟件，通過工業(yè)以太網(wǎng)采集現(xiàn)場各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)的PLC控制器數(shù)據(jù)信息，當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)軟硬件故障時(shí)自動(dòng)切換至備用服務(wù)器，數(shù)采服務(wù)器數(shù)采點(diǎn)容量要求不少于40 000點(diǎn)。配置一臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，從SCADA或OPC中實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并按能源生產(chǎn)監(jiān)控和能源管理業(yè)務(wù)需求組織存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，刷新周期為1 s。要求支持自動(dòng)識(shí)別數(shù)采服務(wù)器或OPC狀態(tài)，當(dāng)數(shù)采主服務(wù)器或OPC故障時(shí)自動(dòng)連接至備用服務(wù)器或備用OPC采集數(shù)據(jù)，確保實(shí)時(shí)數(shù)采的連續(xù)性。

3.2 GENESIS 64 OPC Server

OPC連接設(shè)備如PLC和DCS到客戶端應(yīng)用程序，所使用的應(yīng)用程序稱為OPC Server，OPC Server使用的是OPC協(xié)議。GENESIS 64 OPC Server是GENESIS 64軟件于同一系統(tǒng)的本地服務(wù)。OPC通信讓開發(fā)者不需要為單個(gè)設(shè)備開發(fā)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)客戶端可以正確識(shí)別OPC并實(shí)現(xiàn)連接和消息訂閱，OPC最終出版了一批不同規(guī)格的基于DCOM的嵌入不同類別設(shè)備的OPC標(biāo)準(zhǔn)，最終的OPC包括OPC數(shù)據(jù)訪問（OPC DA），OPC報(bào)警和事件（OPC AE），OPC歷史數(shù)據(jù)訪問（OPC HDA），OPC安全，OPC批處理等。GENESIS 64軟件應(yīng)用程序分別支持不同的OPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用程序GraphWorX64支持訪問OPC DA，AlarmWorX64支持訪問OPC AE，TrendWorX64支持訪問OPC HDA。

4 應(yīng)用效果

相對(duì)于2D監(jiān)控畫面3D監(jiān)控畫面具有很多優(yōu)勢。

（1）真實(shí)直觀地反映設(shè)備所在區(qū)域的空間位置，工藝管道連接走向。對(duì)照3D監(jiān)控畫面對(duì)新員工進(jìn)行培訓(xùn)，新員工接收快，容易掌握，以前需要幾個(gè)月掌握燃?xì)忮仩t工藝流程，可能現(xiàn)在一周就能掌握了，因?yàn)樵?D場景圖中設(shè)備的外觀是和實(shí)物一致的，流經(jīng)不同介質(zhì)的管道用不同的顏色加以區(qū)分，如蒸汽管線用藍(lán)色標(biāo)識(shí)、給水管線用綠色、天然氣管線用黃色。

（2）基于3D引擎功能平臺(tái)軟件開發(fā)的3D監(jiān)控畫面，可360度旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，可實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)畫動(dòng)作，如電機(jī)旋轉(zhuǎn)、管道內(nèi)介質(zhì)位移等，直觀形象地反映現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。更重要的應(yīng)用是可錄制重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)視角，實(shí)現(xiàn)視角的快速定位，同時(shí)將多個(gè)視角按照不同的路線制作巡檢路線，實(shí)現(xiàn)設(shè)備漫游巡檢。設(shè)備漫游巡檢可代替人工巡檢，相比設(shè)備人工巡檢來說，設(shè)備漫游巡檢快速、高效、無遺漏。

（3）一個(gè)GraphWorX64顯示界面可以添加TrendWorX64（趨勢），AlarmWorX64（報(bào)警），andEarthWorX64（地圖）。報(bào)警功能是2D監(jiān)控畫面所不具備的，2D監(jiān)控畫只顯示測點(diǎn)值，在3D監(jiān)控畫面中開發(fā)應(yīng)用AlarmWorX64（報(bào)警）功能軟件，能配置不同類型的報(bào)警值，如限制報(bào)警、開關(guān)量報(bào)警、偏差報(bào)警、變化率限制報(bào)警、變化率報(bào)警。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)能夠自動(dòng)彈出窗口顯示報(bào)警地點(diǎn)及報(bào)警值。

5 結(jié)語

科技進(jìn)步改變著人們的工作方式，效率低下的工作方式必將被快速、高效工作方式代替。設(shè)備3D實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面帶給人們不僅僅是全新的感官上體驗(yàn)，而且提高人們?cè)谠O(shè)備管理、維護(hù)保養(yǎng)以及員工培訓(xùn)上的水平。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王慧鋒，何衍慶.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]漫都拉，武曉威.基于Unity3D的電力SDH設(shè)備三維仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息通信，2018（10）：56-58.