粉料投料裝置的三維可視化技術(shù)研究

顧紅超，包 峰，吳 冬，王向榮

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

隨著自動化技術(shù)進步，實現(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)得到了廣泛的認可。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是中國經(jīng)濟社會發(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)絡化、智能化的發(fā)展進程[1]。

目前國內(nèi)的地浸鈾礦山已基本實現(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度大、作業(yè)環(huán)境差，而且存在嚴重的安全隱患[2]。雖然某些地浸鈾礦山已經(jīng)開始采用機器人進行粉料投料工作，但還需要人工在現(xiàn)場進行操作與控制，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性能不佳。

為此，以某地浸鈾礦山為例，研發(fā)了機器人粉料自動投料裝置；并在此基礎上研發(fā)了基于KEP ServerEX通訊接口的粉料投料裝置遠程可視化管控平臺，以實現(xiàn)粉料投料裝置的無人化、自動化，和三維可視化遠程監(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)粉料投料裝置實現(xiàn)了粉料投料的自動化；同時對該裝置進行三維可視化遠程管控研究，實現(xiàn)從二維管控界面向三維管控界面的轉(zhuǎn)換，進一步提高企業(yè)的管理水平和自動化水平。

粉料投料裝置采用先進的3D視覺識別系統(tǒng)，引導工業(yè)機器人智能、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。粉料投料裝置主要針對機器人各軸之間的相對位置，機器人抓手與真空吸盤的控制，拆包系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)等電動機及電磁閥的啟?？刂疲约耙曈X識別系統(tǒng)對機器人運行的實時監(jiān)督；同時通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對粉料投料裝置工作狀態(tài)與生產(chǎn)環(huán)境的實時監(jiān)控。

數(shù)據(jù)通訊對實現(xiàn)粉料投料裝置的遠程控制至關(guān)重要[5]。數(shù)據(jù)的可靠性、精準性是實現(xiàn)遠程控制的必備前提，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程運行的安全性。KEP ServerEX可以實現(xiàn)現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的實時采集，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c精準性。

本設計采用KEP ServerEX數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程采集，將粉料投料裝置控制系統(tǒng)的機器人各個軸、機器人抓手、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三維可視化管控平臺，從而實現(xiàn)粉料投料裝置的三維可視化遠程管控。將設備信息、運行狀態(tài)信息、故障處理信息、設備模型、自動化數(shù)據(jù)、視頻信息、三維遠程管控等信息融入三維可視化管控平臺，實現(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、服務融合[6]，實現(xiàn)透明、集中的三維可視化管控。三維可視化遠程管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維可視化遠程管控系統(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，實現(xiàn)對粉料投料裝置的現(xiàn)場就地控制，實時采集機器人、視覺識別系統(tǒng)以及管鏈系統(tǒng)等的運行狀態(tài)及控制變量，用以對粉料投料裝置進行監(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、精準性等，采用KEP ServerEX數(shù)據(jù)接口通訊協(xié)議實現(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)設備的驅(qū)動程序，是市場上最先進的通訊技術(shù)和OPC服務器[7]。

KEP ServerEX支持OPC UA通訊協(xié)議，可以與西門子系列的PLC進行無縫連接，它提供一種簡單且可靠的方法將Ethernet、PLC與設備連接到客戶端應用程序，實現(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)實時傳輸?shù)囊蟆?/p>

粉料投料裝置的網(wǎng)絡拓撲圖如圖2所示。機器人系統(tǒng)與視覺識別系統(tǒng)通過PROFINET與PLC進行通訊，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)絡拓撲圖

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(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，并經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將電信號變?yōu)楣庑盘枺捎霉饫w進行數(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，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，配置設備所對應的驅(qū)動、通訊網(wǎng)卡以及PLC的IP地址等，然后將PLC的變量表導出，以便與KEP ServerEX進行變量互通。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，新建OPC UA服務器端口。OPC UA是對廣泛應用的基于COM/DCOM OPC 標準通訊協(xié)議的更加強健、安全、可擴展的延伸。OPC UA實現(xiàn)了對實時數(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)集成的標準模型。KEP ServerEX作為OPC Client服務器，采集和讀取現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)以及信息。KEP ServerEX配置OPC UA網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4 KEP ServerEX配置OPC UA網(wǎng)絡

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

三維組態(tài)軟件GENESIS64基于最新的OPC標準，可以實現(xiàn)工廠設備到企業(yè)間安全開放的連通。在GENESIS64添加OPC UA網(wǎng)絡，實現(xiàn)GENESIS64與KEP ServerEX的數(shù)據(jù)通訊。KEP ServerEX作為OPC Server服務器，為GENESIS64實時提供PLC設備數(shù)據(jù)信息，實現(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 三維可視化遠程監(jiān)控的實現(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，實現(xiàn)多種模型格式的無縫導入，實現(xiàn)三維動態(tài)信息的完美展示，實時監(jiān)控設備的動作，達到安全生產(chǎn)的目的[9]。

將粉料投料裝置的三維模型導入三維可視化管控平臺，可以真實有效地將粉料投料裝置的機器人系統(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)信息的實時、動態(tài)監(jiān)控。

粉料投料裝置的遠程監(jiān)控主要是實時監(jiān)視機器人各個軸的位置坐標，根據(jù)機器人不同軸的實際坐標來調(diào)整三維模型機器人的動作狀態(tài)，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實同步的效果；通過遠程控制拆包系統(tǒng)以及管鏈輸送系統(tǒng)的啟停動作以及運行狀態(tài)等，實現(xiàn)遠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時監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場的視頻信息，將機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器人的實際動作軌跡和精確信息，實現(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，實現(xiàn)了粉料投料裝置的三維可視化遠程管控，可及時有效地反映粉料投料裝置生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況。三維可視化遠程管控系統(tǒng)實現(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，實現(xiàn)了企業(yè)的精細化管理。