基于3D技術的工廠動力設備實時監控畫面開發應用

汪華聰　胡忠福

摘 要：文章概述工廠動力設備三維實時監控畫面開發應用過程，先對組成動力設備進行3D建模，把建好設備3D場景模型導入到一款具有內置3D引擎的平臺軟件中，開發出360度可隨意縮放、隨意旋轉的三維實時設備模型，監控軟件通過實時數據驅動的三維動態效果，直觀形象地反映設備的生產狀態以及運行情況。

關鍵詞：3D建模；場景漫游；工廠動力設備

當下，在工業自動化監控系統使用二維平面界面作為人機界面，無法對工藝流程進行全方位展示，也無法對現場、設備進行精確掌握，同時起不到對新員工培訓的作用。利用3D技術對工業現場的工藝、設備等進行全方位建模，形成完全反映工業現場的3D場景，同時將工業現場的傳感器、執行器、設備參數等數據信息與3D場景無縫融合。在3D場景中對工藝、設備進行360度全方位實時監控，隱藏外圍部件來展示設備內部的具體運行信息，實現設備快速定位、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建出具有三維數據的模型。對設備3D建模前先做好前期準備工作，前期準備工作是一項耗時繁瑣的工作，前期準備工作包括現場測繪設備尺寸，對設備所在建筑物空間取景、實物照片，收集設備平面布置圖、各種管線圖、建筑物平面布置圖等。在設備及建筑物數據、資料收集準備充分情況下著手對設備進行3D建模，3D建模不單是對設備的形狀建模還要對設備所在的場景建模，所構建的3D場景中的設備、工藝管道是對照實物尺寸按照一定比例來建模，設備渲染的顏色和實物是一致的，工藝管道線如蒸汽管道、燃氣管道線、給水管道線用一定的顏色區分開來[2]。

2 監控平臺軟件選擇運用

監控平臺軟件選用美國標志軟件的GENESIS 64自動化套件，應用其中一款功能程序GraphWorX64，即融入實時數據的基于矢量2D和3D圖形化開發和展示平臺。監控軟件具有全景管理功能，以矢量化的三維圖形展現企業管網系統圖，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GraphWorX64顯示界面可以添加TrendWorX64（趨勢），AlarmWorX64（報警）和EarthWorX64（地圖）。

3D可視化監控平臺按如下功能設計要求開發。

2.1 三維模型的導入與更新

系統平臺可按要求導入及更新三維模型，包括動力主要能源設備、能源輸送管道、綜合管溝、建筑物三維模型等。

2.2 系統基礎數據初始化

負責輸入支持整個平臺正常運行的所有數據，集成在本平臺中，以三維可視化的手段將各部分管道間的關系立體地進行分層展現。如三維實時鍋爐系統生產監控畫面可更改對象的不同屬性的值，這個值來源于鍋爐控制系統下位程序采集的現場真實數據信息，可實現不同的動畫動作，如電機旋轉、管道內介質位移等，直觀形象地反映現場設備的運行狀態。

2.3 沉浸式漫游

實現在三維虛擬場景進行任意位置、角度的模型自由瀏覽。系統提供地面行走模擬、高空中飛行等漫游瀏覽方式。可在三維實時鍋爐系統生產監控畫面中錄制重點關注的熱點視角，實現視角的快速定位；同時將多個視角按照不同的路線制作巡檢路線，實現設備漫游巡檢。

2.4 快速定位

根據三維模型與信息一體化關聯關系建立模型層次樹形結構，每個節點對應一個三維模型，通過在樹形結構中查找、篩選等方式快速在三維場景中定位對應的三維模型。

2.5 設備信息管理

設備信息管理主要針對能源管道附屬設備的數據的初始化及維護，主要包括設備類型信息、廠商信息、設備基礎信息、設備使用信息、設備位置信息。

3 數據通信連接

把建好的設備3D模型導入GENESIS 64軟件中的功能程序GraphWorX64中，按功能設計要求開發出想要的設備三維畫面，這時的三維畫面不是實時的設備三維監控畫面。實時的設備三維監控畫面是基于OPC技術的應用獲得，通過OPC通訊連接實現GENESIS 64軟件程序與下位機程序的數據信息交換。

3.1 OPC技術應用

OPC是OPC基金會制定的一個工業標準，以OLE/COM/DCOM技術為基礎，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，采用客服/服務器模式。OPC服務器是數據供應方，負責為OPC客戶提供所需的數據，OPC客戶為數據使用方，處理服務器提供的數據。

現場控制層以PLC嵌入式系統作為現場智能節點，可外接模擬量輸入輸出、開關量信號輸入輸出等I/O卡，該層主要功能是進行數據采集、狀態監測和報警，將采集的數據上傳，并執行各種控制功能；監控計算機采用PC機，裝有兩塊網卡，其中一塊與下位機PLC通信，另外一塊網卡與生產管理層的其他計算機組成局域網，監控計算機運行OPC數據訪問服務程序，將現場智能節點上傳的數據通過OPC送到監控軟件進行監控，利用組態軟件進行復雜組態工作，將組態信息下載到PLC，并調整控制算法和參數，管理調度層計算機的OPC客服程序通過DCOM方式訪問OPC服務程序，進行信息交互。因此，在以太網控制系統中，OPC服務器將企業現場控制層與生產管理調度層有機組合，組成一個開放性好、可靠性高的分布式控制系統。

實際應用中數據采集服務器（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）采用主備冗余配置，同時配置2套主備冗余的數據采集OPC驅動軟件，通過工業以太網采集現場各個監控子系統的PLC控制器數據信息，當主服務器出現軟硬件故障時自動切換至備用服務器，數采服務器數采點容量要求不少于40 000點。配置一臺實時數據庫服務器，從SCADA或OPC中實時獲取數據并按能源生產監控和能源管理業務需求組織存儲到實時數據庫中，刷新周期為1 s。要求支持自動識別數采服務器或OPC狀態，當數采主服務器或OPC故障時自動連接至備用服務器或備用OPC采集數據，確保實時數采的連續性。

3.2 GENESIS 64 OPC Server

OPC連接設備如PLC和DCS到客戶端應用程序，所使用的應用程序稱為OPC Server，OPC Server使用的是OPC協議。GENESIS 64 OPC Server是GENESIS 64軟件于同一系統的本地服務。OPC通信讓開發者不需要為單個設備開發驅動，同時客戶端可以正確識別OPC并實現連接和消息訂閱，OPC最終出版了一批不同規格的基于DCOM的嵌入不同類別設備的OPC標準，最終的OPC包括OPC數據訪問（OPC DA），OPC報警和事件（OPC AE），OPC歷史數據訪問（OPC HDA），OPC安全，OPC批處理等。GENESIS 64軟件應用程序分別支持不同的OPC技術標準，應用程序GraphWorX64支持訪問OPC DA，AlarmWorX64支持訪問OPC AE，TrendWorX64支持訪問OPC HDA。

4 應用效果

相對于2D監控畫面3D監控畫面具有很多優勢。

（1）真實直觀地反映設備所在區域的空間位置，工藝管道連接走向。對照3D監控畫面對新員工進行培訓，新員工接收快，容易掌握，以前需要幾個月掌握燃氣鍋爐工藝流程，可能現在一周就能掌握了，因為在3D場景圖中設備的外觀是和實物一致的，流經不同介質的管道用不同的顏色加以區分，如蒸汽管線用藍色標識、給水管線用綠色、天然氣管線用黃色。

（2）基于3D引擎功能平臺軟件開發的3D監控畫面，可360度旋轉、放大、縮小，可實現不同的動畫動作，如電機旋轉、管道內介質位移等，直觀形象地反映現場設備的運行狀態。更重要的應用是可錄制重點關注的熱點視角，實現視角的快速定位，同時將多個視角按照不同的路線制作巡檢路線，實現設備漫游巡檢。設備漫游巡檢可代替人工巡檢，相比設備人工巡檢來說，設備漫游巡檢快速、高效、無遺漏。

（3）一個GraphWorX64顯示界面可以添加TrendWorX64（趨勢），AlarmWorX64（報警），andEarthWorX64（地圖）。報警功能是2D監控畫面所不具備的，2D監控畫只顯示測點值，在3D監控畫面中開發應用AlarmWorX64（報警）功能軟件，能配置不同類型的報警值，如限制報警、開關量報警、偏差報警、變化率限制報警、變化率報警。當發生報警時能夠自動彈出窗口顯示報警地點及報警值。

5 結語

科技進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。設備3D實時監控畫面帶給人們不僅僅是全新的感官上體驗，而且提高人們在設備管理、維護保養以及員工培訓上的水平。

[參考文獻]

[1]王慧鋒，何衍慶.現場總線控制系統及應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

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