齊沖 路進(jìn)軍

摘? 要：該文根據(jù)工業(yè)監(jiān)控軟件的特點(diǎn)以及工控行業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，結(jié)合目前相關(guān)軟件技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域中，設(shè)計了一種基于Unity3D和Redis的成本低、可靠性強(qiáng)、自由度高的新型工業(yè)組態(tài)軟件。該文詳細(xì)闡述了該軟件的設(shè)計思想、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)原理，并利用該軟件在典型的自動化生產(chǎn)線中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)監(jiān)控? Unity3D? Redis

近年來，工業(yè)制造向精細(xì)化、智能化等高端方向的發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯，這對企業(yè)生產(chǎn)自動化的管控能力以及各類過程信息的集成要求也越來越高。傳統(tǒng)的現(xiàn)場工業(yè)監(jiān)控軟件由于其廣泛的適配性及實(shí)施成本的限制，對部分有特殊需求如三維可視化能力的生產(chǎn)場合的支持能力明顯不足。與此同時，隨著信息化技術(shù)的廣泛普及和各類自動化軟件工具的開源推廣，使得監(jiān)控軟件的設(shè)計門檻正在下降，使得更多的行業(yè)專家基于本行業(yè)的實(shí)際特點(diǎn)自行設(shè)計適配性更高的工業(yè)監(jiān)控軟件。尤其是當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展以及廣泛應(yīng)用給各行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)帶來了新的啟示與技術(shù)體驗(yàn)，這也為工控自動化行業(yè)帶了新的發(fā)展動力。

該文基于上述的工業(yè)監(jiān)控軟件的發(fā)展趨勢及背景，采用三維引擎Unity3d、REDIS開源內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、SQL server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫以及亞控公司的King I/O server數(shù)據(jù)采集器，設(shè)計了一款能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化監(jiān)控畫面的工業(yè)實(shí)時監(jiān)控軟件，并在某機(jī)械加工生產(chǎn)線上進(jìn)線了實(shí)際的應(yīng)用。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該文設(shè)計的監(jiān)控軟件基于模塊化思想，靈活組合各功能組件，將數(shù)據(jù)采集與過程控制融為一體，構(gòu)成用戶的應(yīng)用軟件。從軟件工程的角度出發(fā)以及軟件開發(fā)工作的需要，該文將軟件開發(fā)分為圖形組態(tài)模塊、實(shí)時管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫存儲與管理模塊。

在圖形化人機(jī)交互方面，該文主要利用Unity3D引擎的強(qiáng)大場景交互能力以及能與大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作的兼容性。Unity3D內(nèi)置的物理引擎帶來能夠逼真的互動效果，具備完善的光影渲染系統(tǒng)[1]。在該文設(shè)計的軟件中，運(yùn)行時的人機(jī)交互界面含場景漫游、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、圖文報表（報警及數(shù)據(jù)標(biāo)簽）的展示均在Unity3D引擎的支持下實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)時性數(shù)據(jù)處理方面，工業(yè)車間的實(shí)時數(shù)據(jù)量往往巨大且存在各種類型，為了保證軟件具備與傳統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)庫相同的高效性和穩(wěn)定性，平臺采用了Redis集群來處理實(shí)時數(shù)據(jù)。Redis是一個KEY-VALUE形式的緩存存儲系統(tǒng)，根據(jù)官方實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在操作系統(tǒng)Linux 2.6下，其50個并發(fā)進(jìn)程執(zhí)行100000個請求，讀的速度是110000次/s，寫的速度是81000次/s[2]。尤其是Redis的各類操作具備原子性、一致性的特點(diǎn)，符合工業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)庫的需求。

在歷史數(shù)據(jù)處理方面，該文考慮采用SQL server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來處理歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)對系統(tǒng)應(yīng)用人員有極其重要的參考價值。它從實(shí)時數(shù)據(jù)庫中得到且與時間有關(guān)，反映了實(shí)體在某一特定時刻的狀態(tài)[3]。該文主要考慮SQL SERVER有易用性強(qiáng)的特點(diǎn)，特別是近年來在并發(fā)存儲與查詢方面的能力不斷增強(qiáng)，且與許多其他服務(wù)器軟件緊密關(guān)聯(lián)的集成性、良好的性價比以及更為完整的表結(jié)構(gòu)[4]，在一定程度上比傳統(tǒng)的實(shí)時歷史庫更能滿足該文的需求，因此使用SQL SERVER來進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲和管理。

在數(shù)據(jù)采集方面，該文利用北京亞控科技公司的KingIOServer的工業(yè)通用IO數(shù)據(jù)通信平臺，其支持主流通訊協(xié)議及各類數(shù)據(jù)庫，尤其是其多語言的API接口為該文軟件的數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊的開發(fā)及應(yīng)用提供了便利條件。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

在工業(yè)監(jiān)控軟件中，實(shí)時性及高可用性是軟件設(shè)計開發(fā)的重點(diǎn)考慮部分同時也是關(guān)鍵技術(shù)。在該軟件開發(fā)結(jié)構(gòu)中，利用KingIOServer內(nèi)部通信API的SDK，快速高效地與KingIOServer進(jìn)行通信，同時把數(shù)據(jù)采集與Redis服務(wù)連接到一起，在內(nèi)存中完成對數(shù)據(jù)的格式處理、操作、發(fā)送，從而保證數(shù)據(jù)的處理時效性。

Redis集群設(shè)計為6個節(jié)點(diǎn)、3個主節(jié)點(diǎn)、3個從節(jié)點(diǎn)，分布在3臺物理服務(wù)器，每臺服務(wù)器上1個主節(jié)點(diǎn)、1個從節(jié)點(diǎn)，將Redis的主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)相互錯開，若是有一臺服務(wù)器故障，Redis服務(wù)仍然有效。

3? 應(yīng)用實(shí)例

為了檢驗(yàn)對該文監(jiān)控軟件的實(shí)際應(yīng)用能力，該文結(jié)合行業(yè)內(nèi)某機(jī)械加工生產(chǎn)線進(jìn)行了基于該平臺的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

該生產(chǎn)線屬于典型的離散型全自動機(jī)加生產(chǎn)線，雖然實(shí)現(xiàn)了全自動化，但信息該文設(shè)計的監(jiān)控軟件，對原生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了改造設(shè)計。

通過3D場景建立、數(shù)據(jù)集成及人機(jī)交互與功能的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了利用現(xiàn)場的實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型，動態(tài)展現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備狀態(tài)、工藝流程、技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線監(jiān)控三維可視化，提高了人機(jī)交互的效率及準(zhǔn)確性。

4? 結(jié)語

該文基于UNITY開發(fā)的工業(yè)實(shí)時監(jiān)控軟件具備良好的三維可視化展示能力，其監(jiān)控自由度高，人機(jī)交互體驗(yàn)性好，功能適配性強(qiáng)，外部接口豐富，可以與廠區(qū)內(nèi)其他信息系統(tǒng)進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息的集中采集、集中分析與集中應(yīng)用管理等，解決信息孤島問題，為生產(chǎn)現(xiàn)場提供了有效的管控手段，較市場上傳統(tǒng)的組態(tài)軟件而言，其可視化、信息化的能力都得到了顯著提高，具備良好的推廣價值。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王琳，喻成，李昌一.實(shí)時數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].河北理工學(xué)院學(xué)報，2003，25（4）：2.

[4] 郭珺.基于SQL Server的主動式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2017.