基于3D技术的工厂动力设备实时监控画面开发应用

汪华聪　胡忠福

摘 要：文章概述工厂动力设备三维实时监控画面开发应用过程，先对组成动力设备进行3D建模，把建好设备3D场景模型导入到一款具有内置3D引擎的平台软件中，开发出360度可随意缩放、随意旋转的三维实时设备模型，监控软件通过实时数据驱动的三维动态效果，直观形象地反映设备的生产状态以及运行情况。

关键词：3D建模；场景漫游；工厂动力设备

当下，在工业自动化监控系统使用二维平面界面作为人机界面，无法对工艺流程进行全方位展示，也无法对现场、设备进行精确掌握，同时起不到对新员工培训的作用。利用3D技术对工业现场的工艺、设备等进行全方位建模，形成完全反映工业现场的3D场景，同时将工业现场的传感器、执行器、设备参数等数据信息与3D场景无缝融合。在3D场景中对工艺、设备进行360度全方位实时监控，隐藏外围部件来展示设备内部的具体运行信息，实现设备快速定位、快速切换等功能[1]。

1 3D建模

3D建模通俗来讲就是通过三维制作软件3Dmax通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。对设备3D建模前先做好前期准备工作，前期准备工作是一项耗时繁琐的工作，前期准备工作包括现场测绘设备尺寸，对设备所在建筑物空间取景、实物照片，收集设备平面布置图、各种管线图、建筑物平面布置图等。在设备及建筑物数据、资料收集准备充分情况下着手对设备进行3D建模，3D建模不单是对设备的形状建模还要对设备所在的场景建模，所构建的3D场景中的设备、工艺管道是对照实物尺寸按照一定比例来建模，设备渲染的颜色和实物是一致的，工艺管道线如蒸汽管道、燃气管道线、给水管道线用一定的颜色区分开来[2]。

2 监控平台软件选择运用

监控平台软件选用美国标志软件的GENESIS 64自动化套件，应用其中一款功能程序GraphWorX64，即融入实时数据的基于矢量2D和3D图形化开发和展示平台。监控软件具有全景管理功能，以矢量化的三维图形展现企业管网系统图，三维界面支持缩放、平移，巡视，定位等功能，全景管理界面支持大屏投放。一个GraphWorX64显示界面可以添加TrendWorX64（趋势），AlarmWorX64（报警）和EarthWorX64（地图）。

3D可视化监控平台按如下功能设计要求开发。

2.1 三维模型的导入与更新

系统平台可按要求导入及更新三维模型，包括动力主要能源设备、能源输送管道、综合管沟、建筑物三维模型等。

2.2 系统基础数据初始化

负责输入支持整个平台正常运行的所有数据，集成在本平台中，以三维可视化的手段将各部分管道间的关系立体地进行分层展现。如三维实时锅炉系统生产监控画面可更改对象的不同属性的值，这个值来源于锅炉控制系统下位程序采集的现场真实数据信息，可实现不同的动画动作，如电机旋转、管道内介质位移等，直观形象地反映现场设备的运行状态。

2.3 沉浸式漫游

实现在三维虚拟场景进行任意位置、角度的模型自由浏览。系统提供地面行走模拟、高空中飞行等漫游浏览方式。可在三维实时锅炉系统生产监控画面中录制重点关注的热点视角，实现视角的快速定位；同时将多个视角按照不同的路线制作巡检路线，实现设备漫游巡检。

2.4 快速定位

根据三维模型与信息一体化关联关系建立模型层次树形结构，每个节点对应一个三维模型，通过在树形结构中查找、筛选等方式快速在三维场景中定位对应的三维模型。

2.5 设备信息管理

设备信息管理主要针对能源管道附属设备的数据的初始化及维护，主要包括设备类型信息、厂商信息、设备基础信息、设备使用信息、设备位置信息。

3 数据通信连接

把建好的设备3D模型导入GENESIS 64软件中的功能程序GraphWorX64中，按功能设计要求开发出想要的设备三维画面，這时的三维画面不是实时的设备三维监控画面。实时的设备三维监控画面是基于OPC技术的应用获得，通过OPC通讯连接实现GENESIS 64软件程序与下位机程序的数据信息交换。

3.1 OPC技术应用

OPC是OPC基金会制定的一个工业标准，以OLE/COM/DCOM技术为基础，包括一整套接口、属性和方法的标准集，采用客服/服务器模式。OPC服务器是数据供应方，负责为OPC客户提供所需的数据，OPC客户为数据使用方，处理服务器提供的数据。

现场控制层以PLC嵌入式系统作为现场智能节点，可外接模拟量输入输出、开关量信号输入输出等I/O卡，该层主要功能是进行数据采集、状态监测和报警，将采集的数据上传，并执行各种控制功能；监控计算机采用PC机，装有两块网卡，其中一块与下位机PLC通信，另外一块网卡与生产管理层的其他计算机组成局域网，监控计算机运行OPC数据访问服务程序，将现场智能节点上传的数据通过OPC送到监控软件进行监控，利用组态软件进行复杂组态工作，将组态信息下载到PLC，并调整控制算法和参数，管理调度层计算机的OPC客服程序通过DCOM方式访问OPC服务程序，进行信息交互。因此，在以太网控制系统中，OPC服务器将企业现场控制层与生产管理调度层有机组合，组成一个开放性好、可靠性高的分布式控制系统。

实际应用中数据采集服务器（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）采用主备冗余配置，同时配置2套主备冗余的数据采集OPC驱动软件，通过工业以太网采集现场各个监控子系统的PLC控制器数据信息，当主服务器出现软硬件故障时自动切换至备用服务器，数采服务器数采点容量要求不少于40 000点。配置一台实时数据库服务器，从SCADA或OPC中实时获取数据并按能源生产监控和能源管理业务需求组织存储到实时数据库中，刷新周期为1 s。要求支持自动识别数采服务器或OPC状态，当数采主服务器或OPC故障时自动连接至备用服务器或备用OPC采集数据，确保实时数采的连续性。

3.2 GENESIS 64 OPC Server

OPC连接设备如PLC和DCS到客户端应用程序，所使用的应用程序称为OPC Server，OPC Server使用的是OPC协议。GENESIS 64 OPC Server是GENESIS 64软件于同一系统的本地服务。OPC通信让开发者不需要为单个设备开发驱动，同时客户端可以正确识别OPC并实现连接和消息订阅，OPC最终出版了一批不同规格的基于DCOM的嵌入不同类别设备的OPC标准，最终的OPC包括OPC数据访问（OPC DA），OPC报警和事件（OPC AE），OPC历史数据访问（OPC HDA），OPC安全，OPC批处理等。GENESIS 64软件应用程序分别支持不同的OPC技术标准，应用程序GraphWorX64支持访问OPC DA，AlarmWorX64支持访问OPC AE，TrendWorX64支持访问OPC HDA。

4 应用效果

相对于2D监控画面3D监控画面具有很多优势。

（1）真实直观地反映设备所在区域的空间位置，工艺管道连接走向。对照3D监控画面对新员工进行培训，新员工接收快，容易掌握，以前需要几个月掌握燃气锅炉工艺流程，可能现在一周就能掌握了，因为在3D场景图中设备的外观是和实物一致的，流经不同介质的管道用不同的颜色加以区分，如蒸汽管线用蓝色标识、给水管线用绿色、天然气管线用黄色。

（2）基于3D引擎功能平台软件开发的3D监控画面，可360度旋转、放大、缩小，可实现不同的动画动作，如电机旋转、管道内介质位移等，直观形象地反映现场设备的运行状态。更重要的应用是可录制重点关注的热点视角，实现视角的快速定位，同时将多个视角按照不同的路线制作巡检路线，实现设备漫游巡检。设备漫游巡检可代替人工巡检，相比设备人工巡检来说，设备漫游巡检快速、高效、无遗漏。

（3）一个GraphWorX64顯示界面可以添加TrendWorX64（趋势），AlarmWorX64（报警），andEarthWorX64（地图）。报警功能是2D监控画面所不具备的，2D监控画只显示测点值，在3D监控画面中开发应用AlarmWorX64（报警）功能软件，能配置不同类型的报警值，如限制报警、开关量报警、偏差报警、变化率限制报警、变化率报警。当发生报警时能够自动弹出窗口显示报警地点及报警值。

5 结语

科技进步改变着人们的工作方式，效率低下的工作方式必将被快速、高效工作方式代替。设备3D实时监控画面带给人们不仅仅是全新的感官上体验，而且提高人们在设备管理、维护保养以及员工培训上的水平。

[参考文献]

[1]王慧锋，何衍庆.现场总线控制系统及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]漫都拉，武晓威.基于Unity3D的电力SDH设备三维仿真系统设计[J].信息通信，2018（10）：56-58.