粉料投料装置的三维可视化技术研究

2022-04-27顾红超王向荣

铀矿冶 2022年2期

顾红超，包峰，吴冬，王向荣

(中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021)

随着自动化技术进步，实现地浸铀矿山的数字化、无人化，提高地浸铀矿山的自动化生产水平已经得到了广泛的认可。数字化转型是中国经济社会发展的必由之路，数字孪生等新技术与国民经济各产业融合的不断深化，有力地推动着各产业数字化、网络化、智能化的发展进程[1]。

目前国内的地浸铀矿山已基本实现了全过程自动化。但在地浸铀矿山水冶生产过程中，还有一些需要人工投料的岗位，如反萃取剂的配制环节需要人工投加碳酸钠、碳酸氢钠，铀沉淀环节需要人工投加氢氧化钠等。这些过程不仅劳动强度大、作业环境差，而且存在严重的安全隐患[2]。虽然某些地浸铀矿山已经开始采用机器人进行粉料投料工作，但还需要人工在现场进行操作与控制，安全隐患仍然存在。另外，目前企业自动化生产和运维的管理界面主要是基于二维的交互界面，对生产现场的直接观感和通达性能不佳。

为此，以某地浸铀矿山为例，研发了机器人粉料自动投料装置；并在此基础上研发了基于KEP ServerEX通讯接口的粉料投料装置远程可视化管控平台，以实现粉料投料装置的无人化、自动化，和三维可视化远程监控[3]。

1 总体技术方案

针对目前地浸铀矿山资源管控、自动化生产运维和安全环保监测管控技术主要依赖于二维交互界面且不够直观醒目的现状[4]，通过研发粉料投料装置实现了粉料投料的自动化；同时对该装置进行三维可视化远程管控研究，实现从二维管控界面向三维管控界面的转换，进一步提高企业的管理水平和自动化水平。

粉料投料装置采用先进的3D视觉识别系统，引导工业机器人智能、自主定位以及抓取料袋，配合拆包系统、输送系统等完成粉料的自动投料作业任务。粉料投料装置主要针对机器人各轴之间的相对位置，机器人抓手与真空吸盘的控制，拆包系统、输送系统等电动机及电磁阀的启停控制，以及视觉识别系统对机器人运行的实时监督；同时通过视频监控系统，实现对粉料投料装置工作状态与生产环境的实时监控。

数据通讯对实现粉料投料装置的远程控制至关重要[5]。数据的可靠性、精准性是实现远程控制的必备前提，只有保证数据的通讯畅通、安全可靠，才能保证粉料投料装置远程运行的安全性。KEP ServerEX可以实现现场设备数据的实时采集，并确保数据传输的可靠性与精准性。

本设计采用KEP ServerEX数据接口实现数据远程采集，将粉料投料装置控制系统的机器人各个轴、机器人抓手、真空吸盘等的逻辑控制信息、数据信息以及现场生产环境的视频信息等，通过光纤、OPC UA接口集成到工控计算机三维可视化管控平台，从而实现粉料投料装置的三维可视化远程管控。将设备信息、运行状态信息、故障处理信息、设备模型、自动化数据、视频信息、三维远程管控等信息融入三维可视化管控平台，实现生产环境与虚拟模型的物理融合、模型融合、数据融合、服务融合[6]，实现透明、集中的三维可视化管控。三维可视化远程管控系统架构如图1所示。

图1 三维可视化远程管控系统架构

2 控制系统架构

2.1 控制系统的硬件组成

粉料投料装置主要由机器人系统、视觉识别系统、拆包系统、输送系统，以及视频监控系统等组成。采用西门子系列的S7-1200控制器和西门子系列的HMI触摸屏，实现对粉料投料装置的现场就地控制，实时采集机器人、视觉识别系统以及管链系统等的运行状态及控制变量，用以对粉料投料装置进行监视和控制。

2.2 控制系统的数据接口

根据粉料投料控制系统的硬件组成以及数据要求的可靠性、精准性等，采用KEP ServerEX数据接口通讯协议实现PLC与三维可视化管控平台之间的无缝连接。KEP ServerEX是由Kepware开发的一款通信技术产品，它嵌入了100多种通讯协议及各种工业设备的驱动程序，是市场上最先进的通讯技术和OPC服务器[7]。

KEP ServerEX支持OPC UA通讯协议，可以与西门子系列的PLC进行无缝连接，它提供一种简单且可靠的方法将Ethernet、PLC与设备连接到客户端应用程序，实现PLC与可视化管控平台的数据连接，从而满足现场数据实时传输的要求。

粉料投料装置的网络拓扑图如图2所示。机器人系统与视觉识别系统通过PROFINET与PLC进行通讯，拆包系统及输送系统则是通过I/O与PLC通讯。

图2 粉料投料装置网络拓扑图

3 数据通讯

3.1 KEP ServerEX与PLC数据通讯

由于现场粉料投料装置距中心控制室比较远(约2 km)，超出了以太网的通讯距离；因此粉料投料装置的PLC控制系统与视频监控信息通过以太网接至本地交换机，并经过光电转换，将电信号变为光信号，采用光纤进行数据传输。数据传至中心控制室后，再次经过光电转换，将光信号转换为电信号，接至中心控制室交换机，完成数据的采集和传输。

KEP ServerEX与PLC的数据通讯，操作简单、使用方便，无需二次开发和程序编程[8]。在KEP ServerEX中创建新通道，配置设备所对应的驱动、通讯网卡以及PLC的IP地址等，然后将PLC的变量表导出，以便与KEP ServerEX进行变量互通。KEP ServerEX与PLC通讯画面如图3所示。

图3 KEP ServerEX与PLC数据通讯

在KEP ServerEX中配置OPC UA 网络，新建OPC UA服务器端口。OPC UA是对广泛应用的基于COM/DCOM OPC 标准通讯协议的更加强健、安全、可扩展的延伸。OPC UA实现了对实时数据、报警和历史数据最佳的互操作性，建立了工厂与企业集成的标准模型。KEP ServerEX作为OPC Client服务器，采集和读取现场设备的数据以及信息。KEP ServerEX配置OPC UA网络如图4所示。

图4 KEP ServerEX配置OPC UA网络

3.2 GENESIS64与KEP ServerEX数据通讯的实现

三维组态软件GENESIS64基于最新的OPC标准，可以实现工厂设备到企业间安全开放的连通。在GENESIS64添加OPC UA网络，实现GENESIS64与KEP ServerEX的数据通讯。KEP ServerEX作为OPC Server服务器，为GENESIS64实时提供PLC设备数据信息，实现对粉料投料装置的在线监视和控制。GENESIS64添加OPC UA网络如图5所示，GENESIS64与粉料投料装置的数据通讯如图6所示。