吳 迪，饒靖雯，萬(wàn) 磊

(東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司 智慧技術(shù)研究院，湖北 武漢 430070)

玻璃作為建材領(lǐng)域三大基礎(chǔ)原料之一，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但是存在產(chǎn)能利用率較低、信息化程度弱等現(xiàn)象[1]，因此企業(yè)急需進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，走智能制造之路。當(dāng)前浮法玻璃生產(chǎn)線跨度大，設(shè)備種類繁多，隨著自動(dòng)化水平不斷提高，車間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，擁有熱端中控室和冷端電氣控制室，具備對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力。但是存在多個(gè)控制系統(tǒng)通常都有自己獨(dú)立的通信接口，如：RS485、Modbus/Tcp、RS232及BacNet/IP等協(xié)議，使得車間內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)集成的成本和難度較大[2]。同時(shí)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在人機(jī)交互性較差、可視化程度低等缺點(diǎn)，因此可以引入三維可視化集成系統(tǒng)來(lái)輔助車間管理人員及時(shí)掌握車間的生產(chǎn)信息。

筆者通過(guò)研究數(shù)字化車間的三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)車間的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)在三維虛擬車間進(jìn)行展示。針對(duì)車間三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建、采集硬件設(shè)備的底層數(shù)據(jù)以及提升大規(guī)模場(chǎng)景渲染效率等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。上述問(wèn)題的解決能夠提升數(shù)字化車間的生產(chǎn)及管理水平，對(duì)玻璃企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造意義重大。

1 浮法玻璃生產(chǎn)監(jiān)測(cè)需求分析

1.1 車間管控系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前，玻璃生產(chǎn)企業(yè)的信息化普及程度已經(jīng)很高，大中型的玻璃生產(chǎn)企業(yè)都在使用信息管理系統(tǒng)，如企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng) (enterprise resource planning，ERP)、集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)。[3]現(xiàn)階段，DCS和ERP在大多數(shù)企業(yè)中的應(yīng)用較為成熟。而MES的應(yīng)用還處于起步階段，底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中管理程度較低，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的展示不夠直觀。為推動(dòng)玻璃車間數(shù)字化建設(shè)，需要對(duì)ERP 、MES、DCS三層系統(tǒng)的關(guān)鍵信息進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)管控一體化。從而輔助管理者進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的決策，提高玻璃企業(yè)的信息化水平。

1.2 系統(tǒng)功能需求分析

(1)浮法玻璃生產(chǎn)線三維場(chǎng)景構(gòu)建。系統(tǒng)能夠展示浮法玻璃生產(chǎn)線的空間布局、各個(gè)工藝階段的設(shè)備、生產(chǎn)任務(wù)與進(jìn)度、產(chǎn)品的不同形態(tài)等信息。用戶可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)手柄、鼠標(biāo)、鍵盤等交互設(shè)備來(lái)控制虛擬相機(jī)的移動(dòng)，進(jìn)而改變視角，在虛擬生產(chǎn)線中自由漫游。

(2)車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)OPC UA(open platform communications unified architecture)技術(shù)采集底層控制設(shè)備和感知設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分類。利用計(jì)算機(jī)對(duì)所采集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并將其映射到虛擬空間中，以三維模式動(dòng)態(tài)展現(xiàn)車間的生產(chǎn)狀況[4]。

(3)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化展示。對(duì)車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，需要將數(shù)據(jù)映射到三維虛擬車間中，并且對(duì)某些重點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形成二維報(bào)表，展示在前端界面上。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化展示可以直觀的查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，提高車間的管理效率。

2 浮法玻璃車間模型構(gòu)建與優(yōu)化

2.1 浮法玻璃車間模型構(gòu)建

浮法玻璃生產(chǎn)配套設(shè)備數(shù)量多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且由于熱端設(shè)備的密閉性需要，難以保證圖像的精確性和完整性，使用3D掃描儀進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備的掃描難度較高。因此利用原有二維圖紙及車間現(xiàn)場(chǎng)視頻等資料通過(guò)專業(yè)軟件的建模方法更能滿足當(dāng)前玻璃生產(chǎn)線的建模需求,其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)

本系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景由生產(chǎn)設(shè)備和車間環(huán)境兩部分組成。生產(chǎn)設(shè)備包括投料機(jī)、玻璃熔窯、錫槽、退火窯及冷端車間配套設(shè)備，車間環(huán)境包括玻璃園區(qū)、地形道路。系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

車間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備建模在SolidWorks軟件上進(jìn)行，以設(shè)備的參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣、抽殼、陣列、孔、筋等操作可以快速精確地構(gòu)建設(shè)備模型。在車間模型建立完成后，選擇3ds Max軟件根據(jù)物理車間布局調(diào)整車間資源在廠房中的分布，構(gòu)建車間三維模型。玻璃園區(qū)的虛擬場(chǎng)景和玻璃生產(chǎn)冷端模型如圖3和圖4所示，虛擬場(chǎng)景和玻璃生產(chǎn)冷端模型作為浮法玻璃生產(chǎn)可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景基礎(chǔ)。

圖3 玻璃園區(qū)的虛擬場(chǎng)景

圖4 玻璃生產(chǎn)冷端模型

2.2 浮法玻璃車間模型渲染優(yōu)化

由于玻璃生產(chǎn)車間中有大量相同幾何體和材質(zhì)的對(duì)象，例如輥道、拉邊機(jī)、冷卻水包等，其區(qū)別為世界坐標(biāo)位置不同?？梢允褂脤?shí)例化技術(shù)(Instancing)，其原理是通過(guò)一份幾何數(shù)據(jù)[5]，在GPU(graphics processing unit)中繪制若干個(gè)幾何體，這樣極大降低了GPU的內(nèi)存開(kāi)銷，并且減少了GPU發(fā)起的DrawCall次數(shù)，能夠節(jié)省渲染時(shí)間。

本文可視化系統(tǒng)實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中選擇WebGL的原生API(application program interface)支持實(shí)例化技術(shù)，其函數(shù)為gl.drawElementsInstanced。為提升開(kāi)發(fā)效率，在可視化系統(tǒng)實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中選擇WebGL的3D庫(kù)Three.js來(lái)輔助開(kāi)發(fā)，使用Three.js的InstancedMesh方法實(shí)現(xiàn)實(shí)例化。 InstancedMesh方法傳入的3個(gè)參數(shù)為幾何體、材質(zhì)和實(shí)例化數(shù)量，以輥道為例， 圖5所示為單個(gè)輥?zhàn)拥膸缀文Ｐ团c利用實(shí)例化技術(shù)復(fù)制單個(gè)輥?zhàn)愉秩境稣麄€(gè)輥道的對(duì)比圖。

圖5 模型復(fù)制前后對(duì)比圖

3 浮法玻璃生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)采集

3.1 基于OPC UA的車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前浮法玻璃生產(chǎn)聯(lián)合車間的信息層可分為設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、監(jiān)視控制層、車間層，不同層級(jí)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間自動(dòng)化和信息化管理。

由于浮法玻璃車間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備來(lái)自不同的生產(chǎn)廠家，設(shè)備配套的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多相互獨(dú)立，互不兼容。因此，亟需制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)解決不同系統(tǒng)設(shè)備的通信問(wèn)題。而OPC UA能夠?yàn)椴煌瑢蛹?jí)系統(tǒng)、不同設(shè)備之間的信息交換提供支持，能夠滿足在當(dāng)前車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化通信的要求[6]。

筆者設(shè)計(jì)的基于OPC UA的數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖6所示。車間層系統(tǒng)與監(jiān)視控制層系統(tǒng)之間使用局域網(wǎng)或以太網(wǎng)進(jìn)行通信，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與OPC UA服務(wù)器之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。車間中的應(yīng)用程序要么作為OPC UA客戶端獲取數(shù)據(jù)，在為OPC UA服務(wù)器提供數(shù)據(jù)的同時(shí)，也可同時(shí)充當(dāng)客戶端和服務(wù)器使用。為保證數(shù)據(jù)通信的一致性，OPC UA將匯總來(lái)自控制層或直接來(lái)自設(shè)備層的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)備信息，轉(zhuǎn)換為支持OPC UA協(xié)議的數(shù)據(jù)。

圖6 基于OPC UA的數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)OPC UA信息建模

OPC UA信息模型是基于元模型及信息模型而構(gòu)建，利用元模型拓展出來(lái)的領(lǐng)域特定類型和約束，明確定義相應(yīng)元模型、屬性及方法，形成設(shè)備對(duì)外的統(tǒng)一服務(wù)接口。信息模型的實(shí)例化則是將抽象的信息模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際數(shù)據(jù)接口的過(guò)程，將具體設(shè)備的信息存儲(chǔ)在服務(wù)器地址空間中，從而實(shí)現(xiàn)信息對(duì)外的統(tǒng)一表示[7]。

浮法玻璃生產(chǎn)聯(lián)合車間是連續(xù)生產(chǎn)線，車間主要由制造執(zhí)行系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備組成。生產(chǎn)設(shè)備主要包括熔窯、浮法錫槽、退火窯和冷端系統(tǒng)，每種設(shè)備會(huì)配套一些與生產(chǎn)相關(guān)的監(jiān)控單元，整個(gè)車間的數(shù)據(jù)采集方案如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集方案

整個(gè)車間的設(shè)備可分為兩種，一種是的用于玻璃生產(chǎn)的生產(chǎn)設(shè)備，另一種是用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的監(jiān)控設(shè)備。本系統(tǒng)采用UA Modeler工具針對(duì)車間具體設(shè)備進(jìn)行信息模型的實(shí)例化，以提高建模效率。信息模型實(shí)例化后使用UA Modeler的內(nèi)置接口將其導(dǎo)出為XML文件，部分XML文件的導(dǎo)出文件如圖8所示。

圖8 XML文件

3.3 基于OPC UA的車間數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)采用open62541技術(shù)來(lái)進(jìn)行服務(wù)器的搭建，使用Visual Studio2017來(lái)開(kāi)發(fā)OPC UA服務(wù)器端[8]。并在服務(wù)器程序中使用UA_Server_new來(lái)新建服務(wù)器，使用UA_Server_add-VariableNode、UA_Server_addMethodtNode等方法來(lái)定義地址空間和節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)添加到節(jié)點(diǎn)中。也可通過(guò)上文中描述信息模型實(shí)例對(duì)象的XML文件來(lái)創(chuàng)建地址空間節(jié)點(diǎn)，使用open62541自帶工具將其轉(zhuǎn)換成代碼并添加到OPC UA服務(wù)器中。當(dāng)服務(wù)器程序編譯成功后，即可使用OPC UA客戶端查看其地址空間中的節(jié)點(diǎn)信息，客戶端通過(guò)服務(wù)器連接地址即可進(jìn)行訪問(wèn)。

文中OPC UA客戶端選用Unified Automation公司的UaExpert，通過(guò)UaExpert對(duì)服務(wù)器的功能進(jìn)行測(cè)試，觀察信息模型的變化來(lái)判斷信息模型是否開(kāi)發(fā)成功。UaExpert的數(shù)據(jù)測(cè)試界面如圖9所示，能夠正常獲取得到車間的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

圖9 OPC UA數(shù)據(jù)測(cè)試

4 浮法玻璃生產(chǎn)可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)將OPC UA數(shù)據(jù)采集技術(shù)與三維可視化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)浮法玻璃生產(chǎn)車間的可視化監(jiān)測(cè)。

4.1 虛擬車間可視化

浮法玻璃生產(chǎn)可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三維場(chǎng)景部分采用WebGL框架Three.js來(lái)實(shí)現(xiàn)，Three.js支持多種格式模型的導(dǎo)入，包含常見(jiàn)的FBX、OBJ、GLTF等格式的三維模型[9]，只需引入不同的庫(kù)即可將三維模型導(dǎo)入到瀏覽器端。在前端程序中需要引入FBXLoader.js庫(kù)來(lái)導(dǎo)入上文中構(gòu)建的浮法玻璃生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)備和車間環(huán)境三維建模后，得到如圖10所示的車間虛擬場(chǎng)景對(duì)比圖。

圖10 車間虛擬場(chǎng)景對(duì)比圖

4.2 射線拾取功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的交互包括二維交互和三維交互。二維交互可以使用鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊完成，三維交互需要借助射線拾取。本可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的射線拾取功能只要為鼠標(biāo)與車間內(nèi)設(shè)備的交互碰撞事件，進(jìn)而查看設(shè)備當(dāng)前的各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

在Three.js中，使用Raycaster對(duì)象來(lái)從虛擬相機(jī)發(fā)出射線與虛擬場(chǎng)景中的物體進(jìn)行相交判斷[10]，并將相交的物體存入數(shù)組中，拾取到物體后可進(jìn)行顯示其信息或者高亮顯示該物體等操作。

以在虛擬場(chǎng)景中查看水平堆垛機(jī)取片信息的交互情形為例，用戶通過(guò)控制相機(jī)視角到達(dá)堆垛區(qū)域，使用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊某一水平堆垛機(jī)，射線拾取到水平堆垛機(jī)后通過(guò)其名字匹配到對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)信息，并以數(shù)據(jù)面板的形式顯示，如圖11所示。

圖11 射線拾取功能

4.3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)

生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化是將浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)象以三維形式進(jìn)行呈現(xiàn)，玻璃生產(chǎn)線可分為4個(gè)工段進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化查看，分別是熔化工段、成型工段、退火工段和冷端，其交互界面如圖12所示。

圖12 生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化交互界圖

數(shù)據(jù)可視化界面右下方展示了一些基本信息，如日拉引量、退火窯和冷端當(dāng)前速度等信息，左下方是一些異常數(shù)據(jù)點(diǎn)位ID的顯示。點(diǎn)擊頁(yè)面中間的4個(gè)按鈕能夠進(jìn)入對(duì)應(yīng)的工段查看相應(yīng)設(shè)備的生產(chǎn)參數(shù)。

4.4 報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)

傳感器點(diǎn)位的生產(chǎn)參數(shù)有自己的合理取值范圍，當(dāng)數(shù)值不在范圍內(nèi)會(huì)進(jìn)行報(bào)警顯示。系統(tǒng)客戶端以WebSocket全雙工通信的方式向后臺(tái)請(qǐng)求實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)不在正常的數(shù)值范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)值顯示區(qū)域的背景色會(huì)變?yōu)辄S色，且閃爍存在。以錫槽槽內(nèi)溫度報(bào)警點(diǎn)為例，錫槽左下角ID為TI-502的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值異常，其背景色由淺藍(lán)色變?yōu)榧t色，如圖13所示。

圖13 錫槽槽內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)異常展示圖

4.5 歷史數(shù)據(jù)查看實(shí)現(xiàn)

歷史數(shù)據(jù)模塊可以將設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以折線圖的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，輔助生產(chǎn)者了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，分析設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。管理人員可以以日為單位，查看每小時(shí)的歷史數(shù)據(jù)。為提升開(kāi)發(fā)效率，選用開(kāi)源可視化圖表庫(kù)Echarts來(lái)實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的可視化。點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)顯示元素，出現(xiàn)菜單選項(xiàng)，選擇歷史數(shù)據(jù)，會(huì)出現(xiàn)如圖14所示的歷史數(shù)據(jù)曲線圖。橫坐標(biāo)以每小時(shí)為單位，縱坐標(biāo)表示數(shù)值。將鼠標(biāo)懸浮在曲線點(diǎn)位上會(huì)顯示具體的坐標(biāo)，曲線圖上方“TI-201”表示當(dāng)前查看點(diǎn)位ID，ID右側(cè)方框可選擇不同的日期。日期右側(cè)向下箭頭可將曲線圖導(dǎo)出為圖片進(jìn)行保存。

圖14 歷史數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)論

筆者以玻璃工業(yè)園作為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程的三維可視化展示，包括生產(chǎn)工藝的可視化和重要實(shí)時(shí)生產(chǎn)參數(shù)可視化，為管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浮法玻璃生產(chǎn)線運(yùn)行狀況提供便利，為玻璃企業(yè)數(shù)字化發(fā)展提供了一種三維展示模式。