基于三维仿真的工业自动化生产线实时监控的研究与应用

文献标志码：A

文章编号：1009 - 9492 ( 2019) 12 - 0070 - 03Research and Application of Real-time Monitoring of Industrial Automation

Production Line Base on 3D SimulationHUA Zhenqian, DANG Sanlei, HUANG Youpeng, PENG Long(Metering Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510623, China)Abstract: With many transportation units, industrial automation production lines have many characteristics, which include complex control mechanisms, large amount of interactive data, many branches, large route changes and so on. How to conduct comprehensive and efficient production monitoring is a major difficulty. The 3D simulation real-time monitoring technology mentioned solves this problem well. The 3D simulation monitoring was based on real-time data driving, and the driving 3D model is realizing a comprehensive, intuitive and realistic restoration monitoring

purpose.Key words: 3D visualization; monitoring system; automatic production line0引言三维仿真技术是一种综合计算机图形技术、传感器技

杂，交互数据量大，路线分支多、变化大等特点叫2.2技术难点（1）需根据自动化生产线的实时生产数据及时创建或

术、显示技术以及仿真技术等多学科的高新技术。基于三 维仿真技术的工业自动化生产线监控由实时生产数据驱

更新三维场景；（2）需实时动态更新生产物料的空间位置 信息和生产属性信息；（3）需根据生产物料的实时空间位

置信息来修正物料的三维仿真行进状态和物料之间的碰撞

动，可直观立体地诠释生产过程中晦涩难懂的数字信息， 具有高度的即时性和现场感。1三维仿真监控在工业领域的应用1.1我国工业生产监控的现状目前我国的工业生产监控普遍采用的是多摄像头视频

关系叫（4）需对生产物料在自动化生产线上的前进方向

进行判断。2.3技术思路通过对自动化生产线上与物料流转相关的各类设备的 运行规律和数据特点进行分析，为物料流转相关的各类设

监控，这种监控方式存在以下缺点：（1）监控区域摄像头

数量有限；（2）监控位置固定，观察角度固定；（3）视野 有限；（4）遮挡问题；（5）视频监控无法观察到设备的内 部状态m。备制定数据接口，自动化生产线的控制单元通过数据接口

将这些设备的运行信息存储到数据库中；为降低自动化生

产线控制单元的资源占用，以保障不对自动化生产造成影

1.2三维仿真监控的应用优势基于实时生产数据启动的三维仿真监控，可对观察对

响，只对自动化生产线中的岔路点、特殊更新点进行运行

象进行全方位多角度地观察；实时监控设备运行状态；能

数据采集，其他点位物料流转的三维模拟采用三维程序自 动计算方式进行模拟。三维仿真技术流程如图1所示。够更加直观有效地反应各种生产情况，便于生产管理人员

集中掌握生产信息，也将管理数据与实际生产环节挂钩，

2.4技术方案241组建虚拟路径提高了整体业务效率。2工业自动化生产线的三维仿真监控2.1关键问题工业自动化生产线具有输送单元众多，控制机构复

收稿日期：2019-10-23要模拟自动化生产线中的各条路径，需要通过自动化

生产线中的各个关键点之间的连接，生成物料运行路径。 经过分析，将自动化生产线中的关键点分为以下几类。• 70 •化振谦，等：基于三维仿真的工业自动化生产线实时监控的研究与应用(1) 基本节点(为确定行进线路必要的点)的物料位置更新点进行通过时间的排序，获得物料在区域

内先后顺序的信息。(3)物料位置生成在基本节点中，需要确定该点的前置节点、后续节

点、流向该节点的所有物料。通过这些基本点的前置节点 与后续节点，连接出自动化生产线中的每一条行进路线。

根据物料最后通过的物料位置更新点及该节点的后续 节点属性，再结合物料通过识别点后经过的时间和生产线

仿真中的物料流转到这类节点时，将自动向后续节点流

转旳。(2) 物料位置更新点(进行位置纠正更新)上物料流转的速度，计算物料的当前位置叫2.4.3物料位置校正物料位置信息更新点为基本点的子类，除了具有基本 物料在生产线中流转可能受到各种因素的影响，这就 需要对流转过程做校正工作。当物料经过更新点时，识别物料的ID号并将ID通过

点的特点外，还记录通过此节点的物料ID。仿真中的物料

流转到这类节点时不会自动向后续节点流转，而是在节点

中停留等待实际生产线节点发送更新信息。(3) 岔路点(物料会在此选择行进路线)151数据库告知仿真程序。无论此物料在仿真程序中位于何位

置，都将该物料移动到更新点处并重新为其指派后续移动

岔路点为物料位置更新点的子类，除了具有物料位置 更新点的特点外，还要在此处确定物料具体流向哪个分动作。这样的多个位置更新信号串联起来，就能实现物料 流转过程的位置校正。2.4.4岔路判断在岔路节点上记录物料前进的方向，以便仿真程序确 定物料的运动轨迹，下面是记录物料前进方向的结构体，

包括岔路节点的状态(是否有物料经过)、物料识别号

(托盘编号)、物料前进方向(三个前进方向)\"data_property\":{\"status\":\" 1\输送单元状态\"diretion\":\"0\ //目标方向\"code\":\" 12345\" 〃托盘编号}2.4.5物料先后位置判断在自动化生产线中会存在几条线路到达同一个目

标点的情况，当物料接近目标点时，在目标点上建立

一个物料队列，所有流向该目标点的物料都存放到队

列中。根据距离确定队列中的物料优先级序号。当物 料距离目标点一定距离时，通过判断物料是否在该队

列中拥有最高优先级就能确定物料是继续流转还是等

待。2.4.6物料的物理碰撞由于大部分物料之间不需要进行碰撞检查，为了节约 计算资源和统一框架，采取用距离判断的方式来实现物料

之间的物理碰撞检测。借助“物料先后位置判断”中为目

标点添加的物料队列，可以确定最少的用于距离判断的物

料叫2.4.2物料位置初始化(1) 物料位置区域判断3应用案例下面将以某电力公司计量中心单相电能表自动化检定 线为例来说明本文所提出的三维仿真监控方法。将自动化生产线根据这些识别点分为多个区间，在初

始化物料位置时，根据物料最后通过的物料位置更新点信 息，先将物料分配到这些区间中叫(2) 区域内物料顺序判断由于分段为一个较长的区间，区间内通常会有多个物

料。采用数据记录时间来进行排序判断，在物料每次通过

物料位置更新点时，不仅记录物料ID,物料位置更新点 ID,还记录其通过的时间。初始化物料时，根据最后通过

图2单相电能表自动化检定线三维俯视图• 71 •2019年12月机电工程技术第48卷第12期3.1建立路径节点首先建立物料流转的各类节点图标。蓝色为基本节

离，根据距离远近确定物料在后续节点的物料列表中的位

置，此位置同时即为物料接近后续节点时是否优先通过的 优先权判定依据。点，黄色为物料位置更新点，绿色为岔路节点，红色箭头

为物料流转方向。3.4物料的物理碰撞物料的碰撞采用的是物料之间距离的判断，在这里需

要考虑转折处物料碰撞的问题，在转折处如果仅仅用物料

之间的距离与物料宽度的比较来判断物料之间是否有碰撞

是不足够的。图3 节点与路径的建立为基本节点、物料位置更新点、岔路节点分别添加属

性组件，根据红色箭头设置其前置节点及后续节点属性。 其中，因节点的前置节点和后续节点可能为多个，将前置 节点与后续节点属性设置为列表类型。岔路节点的后续节点属性包含多个节点，这些节点的

图7 转折处物料距离判断如图7所示，黑色箭头为物料流转方向，箭头BA为 2个物料之间的距离，箭头BC为物料宽度，可以明显看出 2个物料之间的距离已经大于物料宽度（斜边大于直角

顺序需要与岔路识别点信息结构体中的方向对应。如图4 所示，PO8岔路节点直行后续节点为P12,左行后续节点

为PO9,而直行在结构体方向属性中对应的值为0,左行

在结构体方向属性中对应的值为1,因此P08岔路点属性

边），但此时，物料B实际上将仍然被物料A阻挡，不能 流转到C点。通过将物料AB之间的距离投影到物料B到节点P04 的矢量上的长度来进行距离判断就能避免物体B穿插到物

中N ext Points列表属性中第1个值为P12 （序号为0）,第2

个值为P09。0 V Branch Rodtl (Script)Point None (Transform)体A中㈣。1. 矢量D,=节点P04位置-物料B位置密 Pr«v Points Siie Element 0 P03 (Transform)? Next PointsSizeElement 0 Eiement 1 Pause Here Code Direction2. 矢量D,=归一化（矢量D,）Pl2 (Tramform) P09 (Tran»f«tm)3. 矢量D,=物料4位置-物料B位置4. 距离db =矢量D,点乘矢量D：5. 如果距离dis小于物料宽度图4 岔路点后续节点列表与方向属性的对应6-（7.物料B被阻挡为真3.2初始化物料位置（1） 从数据库中査询所有托盘ID最后通过的节点,

& }并按节点及记录时间对托盘ID排序。（2） 针对每个记录点，初始化区间内的托盘。'1物料A继续向前移动时，因物料AB之间的距离投影

到物料B到节点P04的矢量上的长度不变，物料B将始终

处于被阻挡状态。因为在进行碰撞判断时，只是针对节点

衣17托盘塔节⑨乞霍鸽筑滔很乃洵=益凉节-4H.-箪位幅醪方佝»归一牝«6移方陶〉P04的物料列表中的物料，所以，当物料A离开节点P04

一段距离（超出物料宽度）后，将物料A从节点P04的物

細'for *• S'於垢菇□鱼枚当蒂：：洪盘熙未集左岂SUM蠹務鉛生展的找盘加入弼滾玄线中盘的弟蛊节点留性-余节点肖蒔e托盐朋坯纺节点緩社。冷节*於令红节点泌灶 蛊笹顼託盘的絵畫衬彌億監+ 处亀寃慝*年位僅移冋眾•（XH）}料列表中移出，就能解除物料B的被阻挡状态。1. 如果物料4与节点P04距离大于A宽度鼠观耗誌爲耒审竄i-Mf.盘務节0R1話務d\"«5?* 止 2. {t1初Uim籍入第托盘刊来勇卄邀3. P04物料列表移除物料＜44- }图5 初始化物料位置 图6同一节点内物料优先判断4结束语经现场实践证明，当自动化生产线中的物料位置更新

3.3同一节点内物料优先级判断当物料离开节点流向后续节点时，将物料加入到后续

节点的物料列表中，此时，先判断物料与后续节点的距

点分布较多时.本文所提出的三维仿真监控方法能很好地 模拟自动化生产线上物料流转，排除生产线故障因素，三• 72 •（下转第198页）2019年12月机电工程技术第48卷第12期釆用的是空水交换冷却方式，用空气来冷却机芯，用水来 电平，最终经把DSP+FPGA当作中心的控制单元来完成。

冷却柜体，借助空水交换器把热量传递到柜外，在试验过 试验结果显示，此装置设备传输的正弦波形比较好，可以 减少谐波含量。另外，此装置设备结构合理、性能也比较

稳定，有着较好的应用前景。程中，选取电能质量分析仪，对装置输入电压、电流、功 率都进行检测，而装置的输出电压和电流则选取示波器来

检测。参考文献：[1] 朱海军，张文平，卢泽旺.高压十二脉动三电平防爆

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图4矿用隔爆高压变频器单元热分析[J].矿山机械，2019 (09)： 14-16.[4] 封安波，李俊强，靳宁宁.大功率刮板机防爆变频器

图5所示为该种变频器的具体运行界面，测试发现，

通过本次设计并制造出的这个装置，高压防爆变频器能够

设计及应用研究[J].山东工业技术，2017 (09)：

33-36.获得较好的正弦度，较小的AV/At,达到预期效果。[5] 邢印，庞浩磊.煤矿防爆智能化局部通风机的研制

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山东煤炭科技，2014 (11)： 32-34.图5 矿用隔爆高压变频器运行界面图6结束语此次提出的高压防爆变频器，其选取的技术主要有两 个，一个是空间电压矢量控制，另一个是功率单元级联多

作者简介：张 洁(1992-),女，河北蔚县人，大学本

科，初级工程师。研究领域：防爆变频器。(编辑：王智圣)(上接第72页)维模拟的物料位置与实际生产线上物料位置能够很好地匹

etal. Development of Integrated Visual Analytic Tool with 3D Visualization [C] . confemce: International Confer­

配，物料之间的阻挡碰撞能够很好地实现。该方法对自动

化生产线信息采集的要求不高，也不需要有大量的物料位

置更新点，可以有效降低自动化生产线控制软件的资源占

ence on Network-Based Information Systems 2018.[6] 安泰，龙孔操，王超.三维仿真技术在省级计量中心

用，能满足目前绝大多数自动化生产线的成本控制要求, 具有低成本、高还原度、高容错率的优点。参考文献：[1 ] Bei Xu, Cem Yuksel, Ali Abur, etal.3D Visualization

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第一作者简介：化振谦(1973-),男，河南南阳人，硕

±,高级工程师。研究领域：电能计量与电力自动化研 究、设计与管理。已发表论文5篇。究[J].精密制造与自动化，2014 (04)： 37-39.[5] Hideo Miyachi, Isamu Kuroki, Daisuke Matsuoka,

编辑：阮毅)•198-