顧紅超，包 峰，吳 冬，王向榮

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

隨著自動化技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)地浸鈾礦山的數(shù)字化、無人化，提高地浸鈾礦山的自動化生產(chǎn)水平已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的必由之路，數(shù)字孿生等新技術(shù)與國民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)融合的不斷深化，有力地推動著各產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展進(jìn)程[1]。

目前國內(nèi)的地浸鈾礦山已基本實(shí)現(xiàn)了全過程自動化。但在地浸鈾礦山水冶生產(chǎn)過程中，還有一些需要人工投料的崗位，如反萃取劑的配制環(huán)節(jié)需要人工投加碳酸鈉、碳酸氫鈉，鈾沉淀環(huán)節(jié)需要人工投加氫氧化鈉等。這些過程不僅勞動強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差，而且存在嚴(yán)重的安全隱患[2]。雖然某些地浸鈾礦山已經(jīng)開始采用機(jī)器人進(jìn)行粉料投料工作，但還需要人工在現(xiàn)場進(jìn)行操作與控制，安全隱患仍然存在。另外，目前企業(yè)自動化生產(chǎn)和運(yùn)維的管理界面主要是基于二維的交互界面，對生產(chǎn)現(xiàn)場的直接觀感和通達(dá)性能不佳。

為此，以某地浸鈾礦山為例，研發(fā)了機(jī)器人粉料自動投料裝置；并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了基于KEP ServerEX通訊接口的粉料投料裝置遠(yuǎn)程可視化管控平臺，以實(shí)現(xiàn)粉料投料裝置的無人化、自動化，和三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。

1 總體技術(shù)方案

針對目前地浸鈾礦山資源管控、自動化生產(chǎn)運(yùn)維和安全環(huán)保監(jiān)測管控技術(shù)主要依賴于二維交互界面且不夠直觀醒目的現(xiàn)狀[4]，通過研發(fā)粉料投料裝置實(shí)現(xiàn)了粉料投料的自動化；同時對該裝置進(jìn)行三維可視化遠(yuǎn)程管控研究，實(shí)現(xiàn)從二維管控界面向三維管控界面的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步提高企業(yè)的管理水平和自動化水平。

粉料投料裝置采用先進(jìn)的3D視覺識別系統(tǒng)，引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人智能、自主定位以及抓取料袋，配合拆包系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)等完成粉料的自動投料作業(yè)任務(wù)。粉料投料裝置主要針對機(jī)器人各軸之間的相對位置，機(jī)器人抓手與真空吸盤的控制，拆包系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)等電動機(jī)及電磁閥的啟?？刂?，以及視覺識別系統(tǒng)對機(jī)器人運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)督；同時通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對粉料投料裝置工作狀態(tài)與生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控。

數(shù)據(jù)通訊對實(shí)現(xiàn)粉料投料裝置的遠(yuǎn)程控制至關(guān)重要[5]。數(shù)據(jù)的可靠性、精準(zhǔn)性是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的必備前提，只有保證數(shù)據(jù)的通訊暢通、安全可靠，才能保證粉料投料裝置遠(yuǎn)程運(yùn)行的安全性。KEP ServerEX可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c精準(zhǔn)性。

本設(shè)計采用KEP ServerEX數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集，將粉料投料裝置控制系統(tǒng)的機(jī)器人各個軸、機(jī)器人抓手、真空吸盤等的邏輯控制信息、數(shù)據(jù)信息以及現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境的視頻信息等，通過光纖、OPC UA接口集成到工控計算機(jī)三維可視化管控平臺，從而實(shí)現(xiàn)粉料投料裝置的三維可視化遠(yuǎn)程管控。將設(shè)備信息、運(yùn)行狀態(tài)信息、故障處理信息、設(shè)備模型、自動化數(shù)據(jù)、視頻信息、三維遠(yuǎn)程管控等信息融入三維可視化管控平臺，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境與虛擬模型的物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合、服務(wù)融合[6]，實(shí)現(xiàn)透明、集中的三維可視化管控。三維可視化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維可視化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)架構(gòu)

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

粉料投料裝置主要由機(jī)器人系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、拆包系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)，以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成。采用西門子系列的S7-1200控制器和西門子系列的HMI觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對粉料投料裝置的現(xiàn)場就地控制，實(shí)時采集機(jī)器人、視覺識別系統(tǒng)以及管鏈系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)及控制變量，用以對粉料投料裝置進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2.2 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口

根據(jù)粉料投料控制系統(tǒng)的硬件組成以及數(shù)據(jù)要求的可靠性、精準(zhǔn)性等，采用KEP ServerEX數(shù)據(jù)接口通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與三維可視化管控平臺之間的無縫連接。KEP ServerEX是由Kepware開發(fā)的一款通信技術(shù)產(chǎn)品，它嵌入了100多種通訊協(xié)議及各種工業(yè)設(shè)備的驅(qū)動程序，是市場上最先進(jìn)的通訊技術(shù)和OPC服務(wù)器[7]。

KEP ServerEX支持OPC UA通訊協(xié)議，可以與西門子系列的PLC進(jìn)行無縫連接，它提供一種簡單且可靠的方法將Ethernet、PLC與設(shè)備連接到客戶端應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)PLC與可視化管控平臺的數(shù)據(jù)連接，從而滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)囊蟆?/p>

粉料投料裝置的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。機(jī)器人系統(tǒng)與視覺識別系統(tǒng)通過PROFINET與PLC進(jìn)行通訊，拆包系統(tǒng)及輸送系統(tǒng)則是通過I/O與PLC通訊。

圖2 粉料投料裝置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 數(shù)據(jù)通訊

3.1 KEP ServerEX與PLC數(shù)據(jù)通訊

由于現(xiàn)場粉料投料裝置距中心控制室比較遠(yuǎn)(約2 km)，超出了以太網(wǎng)的通訊距離；因此粉料投料裝置的PLC控制系統(tǒng)與視頻監(jiān)控信息通過以太網(wǎng)接至本地交換機(jī)，并經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將電信號變?yōu)楣庑盘?，采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳至中心控制室后，再次經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接至中心控制室交換機(jī)，完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

KEP ServerEX與PLC的數(shù)據(jù)通訊，操作簡單、使用方便，無需二次開發(fā)和程序編程[8]。在KEP ServerEX中創(chuàng)建新通道，配置設(shè)備所對應(yīng)的驅(qū)動、通訊網(wǎng)卡以及PLC的IP地址等，然后將PLC的變量表導(dǎo)出，以便與KEP ServerEX進(jìn)行變量互通。KEP ServerEX與PLC通訊畫面如圖3所示。

圖3 KEP ServerEX與PLC數(shù)據(jù)通訊

在KEP ServerEX中配置OPC UA 網(wǎng)絡(luò)，新建OPC UA服務(wù)器端口。OPC UA是對廣泛應(yīng)用的基于COM/DCOM OPC 標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的更加強(qiáng)健、安全、可擴(kuò)展的延伸。OPC UA實(shí)現(xiàn)了對實(shí)時數(shù)據(jù)、報警和歷史數(shù)據(jù)最佳的互操作性，建立了工廠與企業(yè)集成的標(biāo)準(zhǔn)模型。KEP ServerEX作為OPC Client服務(wù)器，采集和讀取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)以及信息。KEP ServerEX配置OPC UA網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 KEP ServerEX配置OPC UA網(wǎng)絡(luò)

3.2 GENESIS64與KEP ServerEX數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)

三維組態(tài)軟件GENESIS64基于最新的OPC標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備到企業(yè)間安全開放的連通。在GENESIS64添加OPC UA網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)GENESIS64與KEP ServerEX的數(shù)據(jù)通訊。KEP ServerEX作為OPC Server服務(wù)器，為GENESIS64實(shí)時提供PLC設(shè)備數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對粉料投料裝置的在線監(jiān)視和控制。GENESIS64添加OPC UA網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，GENESIS64與粉料投料裝置的數(shù)據(jù)通訊如圖6所示。

圖5 GENESIS64添加OPC UA

圖6 GENESIS64與粉料投料裝置的數(shù)據(jù)通訊

4 三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

基于三維組態(tài)軟件GENESIS64的三維可視化管控平臺提供了工業(yè)自動化和生產(chǎn)管理軟件的一站式解決方案，可以兼容BIM技術(shù)模型，實(shí)現(xiàn)多種模型格式的無縫導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)三維動態(tài)信息的完美展示，實(shí)時監(jiān)控設(shè)備的動作，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的[9]。

將粉料投料裝置的三維模型導(dǎo)入三維可視化管控平臺，可以真實(shí)有效地將粉料投料裝置的機(jī)器人系統(tǒng)、拆包系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)以及視覺識別系統(tǒng)的三維信息展示出來。通過KEP ServerEX數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)三維可視化管控平臺與粉料投料裝置數(shù)據(jù)的互通，完成粉料投料裝置數(shù)據(jù)信息的實(shí)時、動態(tài)監(jiān)控。

粉料投料裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控主要是實(shí)時監(jiān)視機(jī)器人各個軸的位置坐標(biāo)，根據(jù)機(jī)器人不同軸的實(shí)際坐標(biāo)來調(diào)整三維模型機(jī)器人的動作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)同步的效果；通過遠(yuǎn)程控制拆包系統(tǒng)以及管鏈輸送系統(tǒng)的啟停動作以及運(yùn)行狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵操作拆包系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)。粉料投料裝置的三維可視化管控畫面如圖7所示。

圖7 粉料投料裝置的三維可視化管控畫面

三維可視化管控平臺可以實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場的視頻信息，將機(jī)器人各軸的位置狀態(tài)信息以及現(xiàn)場生產(chǎn)的視頻信息等傳輸?shù)饺S可視化管控平臺。利用三維可視化管控平臺獲取粉料投料裝置機(jī)器人的實(shí)際動作軌跡和精確信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境與虛擬模型相結(jié)合，提升智能管控的精度和企業(yè)效益[10]。

5 結(jié)論

采用KEP ServerEX作為數(shù)據(jù)通訊接口，實(shí)現(xiàn)了粉料投料裝置的三維可視化遠(yuǎn)程管控，可及時有效地反映粉料投料裝置生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際情況。三維可視化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)環(huán)境與虛擬模型的物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合、服務(wù)融合，提升了中國鈾礦冶企業(yè)安全生產(chǎn)與可視化生產(chǎn)管控水平，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的精細(xì)化管理。