基于OPC UA的浮法玻璃生产可视化监测系统研究

2022-12-20饶靖雯

数字制造科学 2022年4期

吴迪，饶靖雯，万磊

(东风设计研究院有限公司智慧技术研究院，湖北武汉 430070)

玻璃作为建材领域三大基础原料之一，其应用领域广泛，但是存在产能利用率较低、信息化程度弱等现象[1]，因此企业急需进行数字化转型，走智能制造之路。当前浮法玻璃生产线跨度大，设备种类繁多，随着自动化水平不断提高，车间已经实现远程控制，拥有热端中控室和冷端电气控制室，具备对重点设备的运行参数进行实时监测的能力。但是存在多个控制系统通常都有自己独立的通信接口，如：RS485、Modbus/Tcp、RS232及BacNet/IP等协议，使得车间内设备数据集成的成本和难度较大[2]。同时现有的数据监测系统存在人机交互性较差、可视化程度低等缺点，因此可以引入三维可视化集成系统来辅助车间管理人员及时掌握车间的生产信息。

笔者通过研究数字化车间的三维可视化监测系统，对生产车间的海量数据进行采集、处理和存储，并将生产数据在三维虚拟车间进行展示。针对车间三维虚拟场景构建、采集硬件设备的底层数据以及提升大规模场景渲染效率等关键问题进行研究。上述问题的解决能够提升数字化车间的生产及管理水平，对玻璃企业实现智能制造意义重大。

1 浮法玻璃生产监测需求分析

1.1 车间管控系统现状

当前，玻璃生产企业的信息化普及程度已经很高，大中型的玻璃生产企业都在使用信息管理系统，如企业资源计划系统 (enterprise resource planning，ERP)、集散控制系统(distributed control system，DCS)、制造执行系统(manufacturing execution system，MES)。[3]现阶段，DCS和ERP在大多数企业中的应用较为成熟。而MES的应用还处于起步阶段，底层生产数据的集中管理程度较低，生产数据的展示不够直观。为推动玻璃车间数字化建设，需要对ERP 、MES、DCS三层系统的关键信息进行集中管理，实现管控一体化。从而辅助管理者进行生产计划的决策，提高玻璃企业的信息化水平。

1.2 系统功能需求分析

(1)浮法玻璃生产线三维场景构建。系统能够展示浮法玻璃生产线的空间布局、各个工艺阶段的设备、生产任务与进度、产品的不同形态等信息。用户可以通过虚拟现实手柄、鼠标、键盘等交互设备来控制虚拟相机的移动，进而改变视角，在虚拟生产线中自由漫游。

(2)车间生产数据的采集。通过OPC UA(open platform communications unified architecture)技术采集底层控制设备和感知设备的实时数据，并将生产数据进行存储、处理和分类。利用计算机对所采集的多源异构数据进行集成处理，将其转换为统一的数据格式，并将其映射到虚拟空间中，以三维模式动态展现车间的生产状况[4]。

(3)生产数据的可视化展示。对车间生产数据进行采集后，需要将数据映射到三维虚拟车间中，并且对某些重点监测数据形成二维报表，展示在前端界面上。生产数据的可视化展示可以直观的查看实时数据与历史数据，提高车间的管理效率。

2 浮法玻璃车间模型构建与优化

2.1 浮法玻璃车间模型构建

浮法玻璃生产配套设备数量多，内部结构复杂，并且由于热端设备的密闭性需要，难以保证图像的精确性和完整性，使用3D扫描仪进行整个生产线设备的扫描难度较高。因此利用原有二维图纸及车间现场视频等资料通过专业软件的建模方法更能满足当前玻璃生产线的建模需求,其系统开发架构如图1所示。

图1 系统开发架构

本系统的虚拟场景由生产设备和车间环境两部分组成。生产设备包括投料机、玻璃熔窑、锡槽、退火窑及冷端车间配套设备，车间环境包括玻璃园区、地形道路。系统的层次结构如图2所示。

图2 系统层次结构

车间内的生产设备建模在SolidWorks软件上进行，以设备的参数化特征造型为基础，通过拉伸、旋转、扫描、放样、抽壳、阵列、孔、筋等操作可以快速精确地构建设备模型。在车间模型建立完成后，选择3ds Max软件根据物理车间布局调整车间资源在厂房中的分布，构建车间三维模型。玻璃园区的虚拟场景和玻璃生产冷端模型如图3和图4所示，虚拟场景和玻璃生产冷端模型作为浮法玻璃生产可视化监测系统实现的场景基础。

图3 玻璃园区的虚拟场景

图4 玻璃生产冷端模型

2.2 浮法玻璃车间模型渲染优化

由于玻璃生产车间中有大量相同几何体和材质的对象，例如辊道、拉边机、冷却水包等，其区别为世界坐标位置不同。可以使用实例化技术(Instancing)，其原理是通过一份几何数据[5]，在GPU(graphics processing unit)中绘制若干个几何体，这样极大降低了GPU的内存开销，并且减少了GPU发起的DrawCall次数，能够节省渲染时间。

本文可视化系统实际开发过程中选择WebGL的原生API(application program interface)支持实例化技术，其函数为gl.drawElementsInstanced。为提升开发效率，在可视化系统实际开发过程中选择WebGL的3D库Three.js来辅助开发，使用Three.js的InstancedMesh方法实现实例化。 InstancedMesh方法传入的3个参数为几何体、材质和实例化数量，以辊道为例，图5所示为单个辊子的几何模型与利用实例化技术复制单个辊子渲染出整个辊道的对比图。

图5 模型复制前后对比图

3 浮法玻璃生产车间数据采集

3.1 基于OPC UA的车间网络架构

目前浮法玻璃生产联合车间的信息层可分为设备层、现场控制层、监视控制层、车间层，不同层级之间通过网络进行互联，实现整个车间自动化和信息化管理。

由于浮法玻璃车间内的生产设备来自不同的生产厂家，设备配套的监测系统大多相互独立，互不兼容。因此，亟需制定统一标准解决不同系统设备的通信问题。而OPC UA能够为不同层级系统、不同设备之间的信息交换提供支持，能够满足在当前车间内实现数据标准化通信的要求[6]。

笔者设计的基于OPC UA的数字化车间网络架构示意图如图6所示。车间层系统与监视控制层系统之间使用局域网或以太网进行通信，现场设备与OPC UA服务器之间通过现场总线或工业以太网进行通信。车间中的应用程序要么作为OPC UA客户端获取数据，在为OPC UA服务器提供数据的同时，也可同时充当客户端和服务器使用。为保证数据通信的一致性，OPC UA将汇总来自控制层或直接来自设备层的现场数据和设备信息，转换为支持OPC UA协议的数据。

图6 基于OPC UA的数字化车间网络架构

3.2 车间生产数据OPC UA信息建模

OPC UA信息模型是基于元模型及信息模型而构建，利用元模型拓展出来的领域特定类型和约束，明确定义相应元模型、属性及方法，形成设备对外的统一服务接口。信息模型的实例化则是将抽象的信息模型转换为实际数据接口的过程，将具体设备的信息存储在服务器地址空间中，从而实现信息对外的统一表示[7]。

浮法玻璃生产联合车间是连续生产线，车间主要由制造执行系统和生产设备组成。生产设备主要包括熔窑、浮法锡槽、退火窑和冷端系统，每种设备会配套一些与生产相关的监控单元，整个车间的数据采集方案如图7所示。

图7 数据采集方案

整个车间的设备可分为两种，一种是的用于玻璃生产的生产设备，另一种是用于生产数据采集的监控设备。本系统采用UA Modeler工具针对车间具体设备进行信息模型的实例化，以提高建模效率。信息模型实例化后使用UA Modeler的内置接口将其导出为XML文件，部分XML文件的导出文件如图8所示。

图8 XML文件

3.3 基于OPC UA的车间数据采集

本系统采用open62541技术来进行服务器的搭建，使用Visual Studio2017来开发OPC UA服务器端[8]。并在服务器程序中使用UA_Server_new来新建服务器，使用UA_Server_add-VariableNode、UA_Server_addMethodtNode等方法来定义地址空间和节点，并将数据添加到节点中。也可通过上文中描述信息模型实例对象的XML文件来创建地址空间节点，使用open62541自带工具将其转换成代码并添加到OPC UA服务器中。当服务器程序编译成功后，即可使用OPC UA客户端查看其地址空间中的节点信息，客户端通过服务器连接地址即可进行访问。

文中OPC UA客户端选用Unified Automation公司的UaExpert，通过UaExpert对服务器的功能进行测试，观察信息模型的变化来判断信息模型是否开发成功。UaExpert的数据测试界面如图9所示，能够正常获取得到车间的相关生产数据。

图9 OPC UA数据测试

4 浮法玻璃生产可视化系统实现

本系统将OPC UA数据采集技术与三维可视化技术相结合，实现浮法玻璃生产车间的可视化监测。

4.1 虚拟车间可视化

浮法玻璃生产可视化监测系统的三维场景部分采用WebGL框架Three.js来实现，Three.js支持多种格式模型的导入，包含常见的FBX、OBJ、GLTF等格式的三维模型[9]，只需引入不同的库即可将三维模型导入到浏览器端。在前端程序中需要引入FBXLoader.js库来导入上文中构建的浮法玻璃生产线相关设备和车间环境三维建模后，得到如图10所示的车间虚拟场景对比图。

图10 车间虚拟场景对比图

4.2 射线拾取功能实现

系统的交互包括二维交互和三维交互。二维交互可以使用鼠标直接点击完成，三维交互需要借助射线拾取。本可视化监测系统中的射线拾取功能只要为鼠标与车间内设备的交互碰撞事件，进而查看设备当前的各项生产数据。

在Three.js中，使用Raycaster对象来从虚拟相机发出射线与虚拟场景中的物体进行相交判断[10]，并将相交的物体存入数组中，拾取到物体后可进行显示其信息或者高亮显示该物体等操作。

以在虚拟场景中查看水平堆垛机取片信息的交互情形为例，用户通过控制相机视角到达堆垛区域，使用鼠标右键点击某一水平堆垛机，射线拾取到水平堆垛机后通过其名字匹配到对应的生产信息，并以数据面板的形式显示，如图11所示。

图11 射线拾取功能

4.3 生产数据可视化实现

生产数据可视化是将浮法玻璃生产过程中需要重点监测的数据对象以三维形式进行呈现，玻璃生产线可分为4个工段进行生产数据的可视化查看，分别是熔化工段、成型工段、退火工段和冷端，其交互界面如图12所示。

图12 生产数据可视化交互界图

数据可视化界面右下方展示了一些基本信息，如日拉引量、退火窑和冷端当前速度等信息，左下方是一些异常数据点位ID的显示。点击页面中间的4个按钮能够进入对应的工段查看相应设备的生产参数。

4.4 报警功能实现

传感器点位的生产参数有自己的合理取值范围，当数值不在范围内会进行报警显示。系统客户端以WebSocket全双工通信的方式向后台请求实时生产数据，当数据不在正常的数值范围内，监测点位的数值显示区域的背景色会变为黄色，且闪烁存在。以锡槽槽内温度报警点为例，锡槽左下角ID为TI-502的监测点数值异常，其背景色由浅蓝色变为红色，如图13所示。

图13 锡槽槽内温度监测点数据异常展示图

4.5 历史数据查看实现

历史数据模块可以将设备实时运行数据以折线图的形式进行呈现，辅助生产者了解设备的运行状态，分析设备的运行趋势，对生产进行控制调节。管理人员可以以日为单位，查看每小时的历史数据。为提升开发效率，选用开源可视化图表库Echarts来实现历史数据的可视化。点击监测点位数据显示元素，出现菜单选项，选择历史数据，会出现如图14所示的历史数据曲线图。横坐标以每小时为单位，纵坐标表示数值。将鼠标悬浮在曲线点位上会显示具体的坐标，曲线图上方“TI-201”表示当前查看点位ID，ID右侧方框可选择不同的日期。日期右侧向下箭头可将曲线图导出为图片进行保存。