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一、概述

隨著工廠信息化、自動化建設(shè)的不斷推進，各種信息系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)的部署與應(yīng)用，使得作為產(chǎn)品生產(chǎn)的車間管理變得越來越重要，工作量越來越大，協(xié)同工作性要求越來越高，對安全性、可用性和運維管理等要求越來越高。但另一方面，工廠生產(chǎn)車間采購各個生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備都是由不同的廠家提供，而是隨著工廠信息化、自動化、智能化建設(shè)不斷演變的結(jié)果，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃等各方面的制約條件，面臨的挑戰(zhàn)越來越大：

1.1.1工廠規(guī)模大、智能監(jiān)控設(shè)別部署分散，巡檢壓力大，人力成本高，不能及時發(fā)現(xiàn)問題。

1.1.2工廠監(jiān)控缺乏集中可視化監(jiān)控管理平臺，管理人員無法實時全面、準確的了解各個生產(chǎn)監(jiān)控參數(shù)所反映的實際數(shù)據(jù)在哪個生產(chǎn)車間的哪個位置以及生產(chǎn)產(chǎn)線的工序流程。

1.1.3對告警工位設(shè)備不能準確視角定位，導致管理人員不能排查告警原因并做好及時處理。

力控科技數(shù)字孿生工廠解決方案，可通過三維可視化技術(shù)、快速建模技術(shù)，集成工廠實時監(jiān)控設(shè)備傳感器技術(shù)（MES系統(tǒng)）、攝像頭監(jiān)控等，實現(xiàn)生產(chǎn)三維數(shù)字孿生工廠的管理系統(tǒng)整體解決方案。

三維數(shù)字孿生工廠平臺將車間三維高精度模型、工藝流程、傳感器實時數(shù)據(jù)、設(shè)備屬性以及運營管理數(shù)據(jù)等進行融合，可以直觀地展示冶煉車間的生產(chǎn)流程，實現(xiàn)車間生產(chǎn)的遠程化管理控制，提高車間的運營管理效率。

1.2方案實現(xiàn)主要目標：

1.2.1實現(xiàn)數(shù)字孿生工廠

對整體的園區(qū)、大樓、生產(chǎn)車間、生產(chǎn)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等進行三維建模，實現(xiàn)物理園區(qū)到三維虛擬園區(qū)的數(shù)字化、監(jiān)控可視化的轉(zhuǎn)變。

1.2.2實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控的一體化、精細化管理

狀態(tài)采集設(shè)備實時采集設(shè)備運行狀態(tài)，將采集到的設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)生給軟件，仿真軟件中模型狀態(tài)實時更新數(shù)據(jù)同真實設(shè)備運動一致，真正監(jiān)控到車間設(shè)備的真實運行情況。

1.2.3實現(xiàn)告警可視化管理與定位

結(jié)合MES等監(jiān)控子系統(tǒng)，系統(tǒng)可設(shè)定監(jiān)控屬性預(yù)計閾值以及預(yù)警等級，同時開放接口接收MES系統(tǒng)推送的預(yù)警接口，實現(xiàn)不同預(yù)警等級用不同的顏色進行展示，點擊預(yù)警對象可顯示預(yù)警信息，點擊定位時可實現(xiàn)視角定位。

二、功能模塊設(shè)計

2.1. 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于溝通以及對行業(yè)情況的了解，結(jié)合目的現(xiàn)狀，配合力控元海相關(guān)產(chǎn)品，對上層信息化平臺我們可以做如下建設(shè)。

2.2. 基本操作功能

平臺基本功能包括構(gòu)建三維數(shù)字孿生工廠三維場景，并基于三維場景實景視點操作、指定路線瀏覽、對象定位和測量功能。

2.2.1三維交互瀏覽

用戶可以通過鼠標、鍵盤、操縱桿、控制面板或者任意組合方式來控制飛行的速度、高度視角，使得用戶可以靈活、便捷的在三維場景中瀏覽漫游，操作簡單，易于使用。隨著鼠標的移動顯示到達的地域名稱、狀態(tài)欄坐標切換顯示。

場景縮放：通過鼠標滾輪滾動方式或者左下方的工具條來自由縮放三維

平移：通過鼠標的點按動作，根據(jù)鼠標移動的方向，實現(xiàn)對三維場景任意方向的平移；

拖動：通過鼠標的點按動作，根據(jù)鼠標移動的方向，實現(xiàn)對三維場景任意方向的拖拽；

旋轉(zhuǎn)：通過點擊旋轉(zhuǎn)按鈕，讓用戶以屏幕中心點為中心，做三百六十度環(huán)繞飛行，可從不同的角度查看目標，以便更加全面的查看對象屬性；

居中：通過鼠標雙擊三維場景上的某一興趣點，向該興趣點移近，并使該興趣點自動在三維窗口居中顯示；

2.2.2對象定位

通過鼠標點選具體的三維模型，顯示該模型的顯示狀態(tài)，同時定位到該模型對應(yīng)后臺數(shù)據(jù)。

2.3. 工藝流程模擬功能

工藝流程表現(xiàn)，采用真實三維還原生產(chǎn)車間，生產(chǎn)工位制作三維工作人員，真實模擬生產(chǎn)過程。生產(chǎn)流程環(huán)節(jié)點標識提示可調(diào)取真實視頻，也可以調(diào)取三維動畫循環(huán)播放此工序。通過對各個生產(chǎn)工藝的工藝流程、設(shè)備生產(chǎn)關(guān)鍵動作進行模擬，以動畫的形式進行展示，能夠快速展示各個生產(chǎn)工序的流程，同時針對專門的智能工廠進行深度開發(fā)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實績與三維模型進行融合，可實現(xiàn)三維模型與現(xiàn)場實際生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)動和控制，展示現(xiàn)場設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)支持將這些傳統(tǒng)表現(xiàn)形式下的生產(chǎn)工藝在三維場景中進行可視化動態(tài)展示，并可實時調(diào)整最佳觀看角度和方位，通過建立三維可視化的新一代智能生產(chǎn)流程模擬平臺，為三維數(shù)字孿生工廠的建設(shè)提供了模型和工藝參考，為數(shù)據(jù)化驅(qū)動的智能制造奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.4. 實時數(shù)據(jù)顯示功能

將MES系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)與三維場景相關(guān)聯(lián)，在三維傳感器模型上進行實時數(shù)據(jù)展示，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的三維可視化展示，為系統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理功能提供支撐。將傳感器時時回傳的檢測數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀取，時時繪制在三維場景的設(shè)備工位、傳感器上方，時時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)等，遇到超出預(yù)設(shè)值時進行警告提醒。用戶通過此功能可以調(diào)閱整個數(shù)字孿生工廠的生產(chǎn)情況，設(shè)備安裝變更情況等在三維場景中真實反映和表現(xiàn)。

2.5. 屬性查詢

在三維數(shù)字孿生工廠場景中通過點擊各種對象查詢其屬性，包括建筑信息查詢、附屬設(shè)施查詢、設(shè)備信息查詢。能夠?qū)?shù)字孿生工廠系統(tǒng)的重要設(shè)備的運行狀態(tài)以及相關(guān)歷史屬性進行查詢，了解數(shù)字孿生工廠的運行狀態(tài)。

2.6. 監(jiān)控報警數(shù)據(jù)查詢

通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)可以實時調(diào)閱、查詢所關(guān)注區(qū)域的監(jiān)控和報警數(shù)據(jù)，系統(tǒng)支持按照時間、設(shè)備設(shè)施、關(guān)鍵字、模糊條件及高級條件匹配組合等多種查詢方式，全面貼合各階層用戶的查詢需求，利于保存、更新、維護，避免了數(shù)據(jù)信息孤島及更新維護不及時的現(xiàn)象，真正提升了企業(yè)信息化辦公的水平，方便企業(yè)快速分析海量數(shù)據(jù)及判定走向趨勢，提高了辦公效率；同時系統(tǒng)還可支持對于所查詢的結(jié)果進行下載、編輯、打印等功能，并可與三維場景進行交互瀏覽展示，全面發(fā)揮了平臺三維可視化、互聯(lián)互通的功能。

2.7. 設(shè)備管理功能

三維數(shù)字孿生工廠系統(tǒng)能及時對設(shè)備發(fā)生故障報警，采集報警信息，列出報警設(shè)備信息，點擊報警信息能自動定位到設(shè)備處，快速查看設(shè)備的報警情況，并且在報警設(shè)備處顯示醒目報警標簽。

2.8. 資產(chǎn)可視化管理

資產(chǎn)管理系統(tǒng)提供三維數(shù)字孿生工廠的運維管理模式，實現(xiàn)所有獨立設(shè)備與架式設(shè)備的三維建模，可以快速搜索、定位目標設(shè)備，便捷的查詢設(shè)備信息、設(shè)備安裝應(yīng)用信息、設(shè)備歸屬信息、設(shè)備運維信息以及相關(guān)運行手冊，運維人員無需頻繁進出便可清晰掌握生產(chǎn)產(chǎn)區(qū)的資產(chǎn)狀況。

2.9. 監(jiān)控可視化管理

三維數(shù)字孿生工廠系統(tǒng)可以讀取原有動環(huán)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并存儲和顯示，可以對接環(huán)境節(jié)能系統(tǒng)的環(huán)境傳感器，在設(shè)備動環(huán)監(jiān)控畫面上查看數(shù)據(jù)監(jiān)控、記錄、查詢、曲線、導出歷史數(shù)據(jù)等功能。

2.10. 設(shè)備實時聯(lián)動可視化管理

狀態(tài)采集設(shè)備實時采集設(shè)備運行狀態(tài)，將采集到的設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)生給軟件，仿真軟件中模型狀態(tài)實時更新數(shù)據(jù)同真實設(shè)備運動一致，真正監(jiān)控到智能工廠的真實運行情況。

三、安全建設(shè)

3.1. pFieldComm系列工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)

工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)主要用于設(shè)備控制層，系統(tǒng)建設(shè)過程中，有大量的現(xiàn)場設(shè)備需要進行遠程的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，但是由于這些設(shè)備都是由不同廠商生產(chǎn)的，所使用的軟件系統(tǒng)不同，通信協(xié)議不一致，加之部署的地理位置分散，所以各種設(shè)備和軟件系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和信息交換受到了極大的制約。pFieldComm系列工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)，專門針對信息集成過程中各種軟件系統(tǒng)、控制器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備通訊協(xié)議不一致造成的通信不暢問題而開發(fā)。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)對接

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和復用

靈活快捷的系統(tǒng)擴展能力

數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳的功能

測點安全防護

分布式部署和集中管理

專業(yè)的工業(yè)級設(shè)計及制造

3.2. pSafetyLink系列工業(yè)隔離網(wǎng)關(guān)

工業(yè)隔離網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品作用于與現(xiàn)場控制層與數(shù)據(jù)中心有直接數(shù)據(jù)交換需求的網(wǎng)絡(luò)層級中。在本項目里，該層級是位于車間與數(shù)據(jù)中心（FCVP、集中監(jiān)控系統(tǒng)）所在的網(wǎng)絡(luò)層級之中。車間底層數(shù)據(jù)通過FCVP平臺的數(shù)據(jù)采集功能模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集后，所獲取到的數(shù)據(jù)將向上進行交互，首先就會經(jīng)過工業(yè)隔離網(wǎng)關(guān)pSafetyLink，當數(shù)據(jù)統(tǒng)一經(jīng)過中心交換機后，車間就可以和數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)互通、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，反之亦然。pSafetyLink系列工業(yè)安全隔離網(wǎng)關(guān)不但實現(xiàn)了對基于TCP/IP協(xié)議體系攻擊的徹底阻斷，而且也實現(xiàn)了對主流工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的廣泛、深入支持和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全傳輸。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)

雙數(shù)據(jù)擺渡模式

測點級訪問控制

數(shù)據(jù)完整性保證

產(chǎn)品可靠性保證

3.3. HC - ISG系列工業(yè)防火墻

工業(yè)防火墻產(chǎn)品則作用于數(shù)據(jù)中心，用于過濾信息網(wǎng)與控制網(wǎng)之間的信息。數(shù)據(jù)中心除集中監(jiān)控系統(tǒng)外的其它系統(tǒng)，因與企業(yè)的信息網(wǎng)互聯(lián)，所以還需要配置工業(yè)防火墻產(chǎn)品ISG，以補足商業(yè)防火墻的不足和減輕商業(yè)防火墻的負擔，確保系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)更安全可靠。每一個工業(yè)協(xié)議作為一個獨立的深度過濾模塊，以插件的方式按需加載到系統(tǒng)中。而且可以根據(jù)用戶現(xiàn)場的需要進行工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議深度過濾模塊的快速定制開發(fā)和響應(yīng)，最大限度的滿足工業(yè)現(xiàn)場的各種安全防護要求。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議深度過濾

全透明無間斷部署

智能協(xié)議識別和輔助規(guī)劃生成

規(guī)則正確性測試

符合工業(yè)用戶使用習慣的配置方式

工業(yè)級產(chǎn)品可靠性保障

支持力控科技內(nèi)部CommServer通訊機制