黃 嵩

(中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)作為工業(yè)炸藥生產(chǎn)制備和包裝工序的關(guān)鍵設(shè)備,以其高效、安全、智能化等優(yōu)點越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)炸藥的生產(chǎn)過程中。 它通過工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行藥卷抓取并放入包裝箱內(nèi)部,解決了藥卷跌落甩脫卡扣的問題,并可根據(jù)不同的藥卷規(guī)格實現(xiàn)不同的碼放方式,提高了藥卷包裝質(zhì)量,實現(xiàn)了藥卷智能化裝箱[1]。 但是,工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)工藝環(huán)節(jié)較多,生產(chǎn)過程缺乏有效監(jiān)管,企業(yè)生產(chǎn)管理人員和公安局等無法實時掌握其運(yùn)行狀態(tài),存在一定的安全漏洞[2]。

基于此,將5G 網(wǎng)絡(luò)引入工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)的安全監(jiān)管中,設(shè)計一套基于5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息化技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺,該平臺以5G 通信網(wǎng)關(guān)為前端采集裝置,實時采集工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)和視頻監(jiān)視畫面等信息,并通過5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺軟件。 企業(yè)生產(chǎn)管理人員和行業(yè)監(jiān)管部門可通過電子計算機(jī)或者手機(jī)App 訪問遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺,實時查看工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),判斷生產(chǎn)過程是否處于正常狀態(tài),同時也可通過5G 網(wǎng)絡(luò)向工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)下發(fā)控制指令,遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)啟動、緊急停車,單體設(shè)備啟動和停止。 通過該平臺,行業(yè)和企業(yè)能夠大幅提升對工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)的信息化管理水平。

1 5G 網(wǎng)絡(luò)概述

5G 網(wǎng)絡(luò)是第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)的簡稱,是推動經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一。 5G網(wǎng)絡(luò)與4G 網(wǎng)絡(luò)相比,具有“高速率、低時延、廣連接”的技術(shù)特點,能夠大幅提升用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗,為移動終端帶來更快的傳輸速度[3]。

在高速率方面,5G 網(wǎng)絡(luò)的理論最高傳輸速率可達(dá)到10 Gbps,是4G 的100 倍,一部4G 大小的高清電影只需幾秒即可下載完成,能夠滿足用戶對虛擬現(xiàn)實、超高清視頻的網(wǎng)絡(luò)體驗要求;在低時延方面,5G 網(wǎng)絡(luò)的空口時延可低至1 ms,僅為4G 的十分之一,遠(yuǎn)低于人體的應(yīng)激反應(yīng),能為用戶提供身臨其境的風(fēng)景觀賞、全息直播、全息攝影等應(yīng)用體驗,可以廣泛地應(yīng)用于自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、云計算等領(lǐng)域;在廣連接方面,5G 網(wǎng)絡(luò)每平方千米可以支撐100 萬臺設(shè)備的接入,與4G 網(wǎng)絡(luò)相比,網(wǎng)絡(luò)容量大幅增加,數(shù)據(jù)交互更為高效,操控更為精準(zhǔn),能夠滿足萬物互聯(lián)的應(yīng)用需求,賦予萬物在線連接的能力,可以廣泛地應(yīng)用于智慧城市、智慧工廠、人工智能等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

5G 網(wǎng)絡(luò)憑借諸多優(yōu)點,已經(jīng)日益廣泛地應(yīng)用于社會生活的方方面面,極大地改變了我們的生活方式,助力社會生態(tài)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型。

2 5G 監(jiān)管平臺的工作原理

基于5G 網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸方面的高速率、低延時、高可靠性等優(yōu)勢,利用5G 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建包含前端數(shù)據(jù)集采裝置、監(jiān)管平臺軟件、手機(jī)App 的工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)5G 監(jiān)管平臺。

5G 監(jiān)管平臺以5G 通信網(wǎng)關(guān)為前端采集裝置,5G 通信網(wǎng)關(guān)通過RS485 總線與工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)相連,通過以太網(wǎng)口與生產(chǎn)車間的高清攝像頭相連,實時采集包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)和視頻監(jiān)視畫面等信息,并將數(shù)據(jù)按照相關(guān)格式要求進(jìn)行打包封裝通過5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至安裝于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的5G 監(jiān)管平臺軟件。

5G 監(jiān)管平臺軟件安裝在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器電子計算機(jī)上,接收5G 通信網(wǎng)關(guān)通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔?并將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲和顯示。 5G 監(jiān)管平臺軟件采用B/S 架構(gòu)(瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)),客戶端無須安裝軟件,只需Web 瀏覽器即可訪問服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,查詢結(jié)果在網(wǎng)頁上進(jìn)行展示。

基于Android 系統(tǒng)開發(fā)的App,安裝和運(yùn)行在Android 手機(jī)上。 手機(jī)App 通過Web 瀏覽器與Web 應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信,讀取MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù),在App 界面上展示出來。

企業(yè)生產(chǎn)管理人員和民爆行業(yè)監(jiān)管部門可以通過電子計算機(jī)或者手機(jī)App 訪問5G 監(jiān)管平臺,查看工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)作業(yè)狀態(tài)和視頻監(jiān)視畫面,判斷生產(chǎn)作業(yè)過程是否處于正常狀態(tài),同時也可通過5G 網(wǎng)絡(luò)向工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)下發(fā)控制指令,遠(yuǎn)程控制自動控制系統(tǒng)啟動、緊急停車,單體設(shè)備啟動和停止。

工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)5G 監(jiān)管平臺架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)5G 監(jiān)管平臺架構(gòu)

3 5G 通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計

5G 通信網(wǎng)關(guān)是5G 監(jiān)管平臺的前端采集裝置,對信息交互起著至關(guān)重要的作用。 5G 通信網(wǎng)關(guān)以基于Cortex-A53 架構(gòu)的工業(yè)級32 位高速處理器為控制核心,包括5G 通信模組、網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)解碼器、數(shù)據(jù)存儲器等部件,具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)打包發(fā)送等功能,能夠?qū)崟r讀取并存儲PLC、傳感器采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)、故障報警信息以及視頻監(jiān)視畫面等數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)按照相關(guān)格式要求進(jìn)行打包封裝通過5G 網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送至5G 監(jiān)管平臺軟件,同時也能接收5G 監(jiān)管平臺軟件和手機(jī)App 通過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的控制指令,控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

5G 通信網(wǎng)關(guān)以5G 通信模組為5G 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點,采用256 MB DDR3 RAM,搭配32 MB Nor Flash,采用4 天線極簡設(shè)計,支持SA/NSA 雙模5G 網(wǎng)絡(luò),上行最高速率可達(dá)230 Mbps,下行最高速率可達(dá)1.6 Gbps,支持RS232、RS485 等硬件接口和4 個以太網(wǎng)口。 5G 通信模組內(nèi)部設(shè)有SIM 卡槽,插入5G 物聯(lián)網(wǎng)卡,即可實現(xiàn)5G 通信模組和5G 網(wǎng)絡(luò)的快速接入。

5G 通信網(wǎng)關(guān)的軟件為嵌入式軟件,采用嵌入式軟件開發(fā)工具Kiel 和C 語言進(jìn)行程序開發(fā)。 5G通信網(wǎng)關(guān)采用Altium Designer 軟件進(jìn)行硬件電路設(shè)計,硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。 系統(tǒng)工作時,ARM處理器通過RS232/RS485 串口讀取外部數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)口讀取攝像機(jī)畫面,在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、格式轉(zhuǎn)換、壓縮、保存,然后通過Mini-PCI 接口將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給5G 通信模組,由5G 通信模組按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過移動運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給5G 監(jiān)管平臺軟件。

圖2 5G 通信網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 5G 監(jiān)管平臺軟件設(shè)計

5G 監(jiān)管平臺軟件安裝運(yùn)行于監(jiān)控中心的服務(wù)器電子計算機(jī)上,接收5G 通信網(wǎng)關(guān)通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔?并將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲和顯示。 通過5G 監(jiān)管平臺軟件可隨時隨地查看包裝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并可在情況緊急時向系統(tǒng)下發(fā)控制指令。

4.1 5G 監(jiān)管平臺軟件架構(gòu)設(shè)計

5G 監(jiān)管平臺軟件采用B/S 架構(gòu)(瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)),在B/S 架構(gòu)下,數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器端,主要邏輯工作在服務(wù)器端實現(xiàn),客戶端無須安裝軟件,用戶只需通過Web 瀏覽器即可訪問服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,查詢結(jié)果在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示[4]。 5G監(jiān)管平臺軟件架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 5G 監(jiān)管平臺軟件架構(gòu)

Web 應(yīng)用服務(wù)器是指駐留于Internet 上的計算機(jī)程序,可以處理Web 瀏覽器等客戶端的請求并返回相應(yīng)響應(yīng),可以放置文件,供全世界瀏覽和下載。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器電子計算機(jī)上安裝有5G 監(jiān)管平臺軟件和MySQL 數(shù)據(jù)庫,具有數(shù)據(jù)存儲、任務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫連接和消息發(fā)送等功能。

當(dāng)Web 應(yīng)用服務(wù)器接收到來自客戶端的請求時,將請求傳遞給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器程序進(jìn)行任務(wù)響應(yīng)和處理,并將任務(wù)處理結(jié)果通過Web 應(yīng)用服務(wù)器傳輸?shù)絎eb 瀏覽器,在Web 瀏覽器上進(jìn)行顯示,供用戶查詢。

相比于C/S 架構(gòu)(客戶端/服務(wù)器架構(gòu)),B/S架構(gòu)將數(shù)據(jù)處理邏輯放在服務(wù)器上,顯示邏輯交給Web 瀏覽器,通過一定的權(quán)限控制實現(xiàn)多用戶訪問的目的,減少了客戶端的運(yùn)行壓力,展現(xiàn)方式豐富、生動,交互性強(qiáng),可以隨時進(jìn)行查詢、瀏覽, 維護(hù)方便,升級便利[5]。

4.2 5G 監(jiān)管平臺軟件界面設(shè)計

從軟件的開發(fā)、維護(hù)、升級等多方面因素考慮,5G 監(jiān)管平臺軟件采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想[6],以Visual Studio 2019 作為集成開發(fā)環(huán)境,Net Framework 作為開發(fā)類庫,C#作為開發(fā)語言,通過Windows 應(yīng)用程序設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)。

5G 監(jiān)管平臺軟件包括運(yùn)行狀態(tài)顯示界面、視頻監(jiān)視界面、故障報警顯示界面、遠(yuǎn)程控制界面、系統(tǒng)設(shè)置界面等。 軟件界面如圖4 所示。

圖4 5G 監(jiān)管平臺軟件界面

1)運(yùn)行狀態(tài)顯示界面:用于實時顯示包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)等信息。

2)視頻監(jiān)視界面:用于實時顯示生產(chǎn)車間高清攝像機(jī)的視頻監(jiān)視畫面,并可回放90 d 歷史視頻。

3)故障報警顯示界面:當(dāng)包裝系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,在界面上以紅色警示提醒用戶故障的類型,使用戶可以及時發(fā)現(xiàn)并處理,對報警信息進(jìn)行存儲,對90 d 歷史報警記錄進(jìn)行查詢。

4)遠(yuǎn)程控制界面:用于遠(yuǎn)程控制包裝系統(tǒng)啟動、緊急停車,單體設(shè)備啟動和停止。

5)系統(tǒng)設(shè)置界面:用于對用戶的賬號和密碼進(jìn)行設(shè)置和查看,對用戶的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置;對IP 地址和通信端口等通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

5 手機(jī)App 設(shè)計

基于Android 操作系統(tǒng)開發(fā)5G 監(jiān)管平臺手機(jī)App。 系統(tǒng)采用Android Studio 作為手機(jī)App 開發(fā)和調(diào)試的工具,采用Window X64+Android Studio 作為手機(jī)App 的開發(fā)環(huán)境。

手機(jī)App 通過Web 瀏覽器與Web 應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信,從而讀取服務(wù)器中MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù),在App 界面上展示出來,通過手機(jī)App 可隨時隨地查看包裝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并可在情況緊急時向系統(tǒng)下發(fā)控制指令。 手機(jī)App 主要包括用戶登錄界面、功能選擇界面、運(yùn)行狀態(tài)顯示界面、視頻監(jiān)視界面、故障報警界面、遠(yuǎn)程控制界面、設(shè)置界面。

1)用戶登錄界面:打開手機(jī)App 即進(jìn)入用戶登錄界面,用戶在5G 監(jiān)管平臺軟件注冊過賬號后,可用此賬號登錄手機(jī)App;新用戶在手機(jī)App 端也能進(jìn)行賬號注冊、密碼重置和找回。

2)功能選擇界面:用戶登錄成功后會進(jìn)入功能列表,列表由運(yùn)行狀態(tài)顯示模塊、視頻監(jiān)視模塊、故障報警模塊、遠(yuǎn)程控制模塊和設(shè)置模塊構(gòu)成,用戶可以選擇任一模塊進(jìn)入相應(yīng)界面進(jìn)行操作。

3)運(yùn)行狀態(tài)顯示界面:用于實時顯示包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)等信息。

4)視頻監(jiān)視界面:用于實時顯示生產(chǎn)車間高清攝像機(jī)的視頻監(jiān)視畫面,并可回放90 d 歷史視頻。

5)故障報警界面:用于顯示包裝系統(tǒng)的即時報警信息,查看90 d 歷史報警記錄。

6)遠(yuǎn)程控制界面:用于遠(yuǎn)程控制包裝系統(tǒng)啟動、緊急停車,單體設(shè)備啟動和停止。

7)設(shè)置界面:用于對用戶的賬號和密碼進(jìn)行設(shè)置和查看;對用戶的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置;對數(shù)據(jù)信息更新時間和故障信息更新時間進(jìn)行設(shè)置;對IP 地址和通信端口等通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

6 結(jié)語

將5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺的設(shè)計中,對工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)管,實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)和視頻監(jiān)視畫面的遠(yuǎn)程電子計算機(jī)端和手機(jī)端實時監(jiān)控,滿足了民爆安全管理的迫切需要,對保障從業(yè)人員安全具有重要的意義。