基于Unity3D和Redis的工业监控软件的设计与应用

来源:用户上传      作者:齐冲 路进军

　　摘  要：该文根据工业监控软件的特点以及工控行业的现实需求，结合目前相关软件技术的发展水平和趋势，将虚拟现实技术融入工业监控领域中，设计了一种基于Unity3D和Redis的成本低、可靠性强、自由度高的新型工业组态软件。该文详细阐述了该软件的设计思想、系统结构与技术原理，并利用该软件在典型的自动化生产线中进行了实际应用，取得了预期的效果。
　　关键词：工业监控  Unity3D  Redis
　　近年来，工业制造向精细化、智能化等高端方向的发展趋势愈发明显，这对企业生产自动化的管控能力以及各类过程信息的集成要求也越来越高。传统的现场工业监控软件由于其广泛的适配性及实施成本的限制，对部分有特殊需求如三维可视化能力的生产场合的支持能力明显不足。与此同时，随着信息化技术的广泛普及和各类自动化软件工具的开源推广，使得监控软件的设计门槛正在下降，使得更多的行业专家基于本行业的实际特点自行设计适配性更高的工业监控软件。尤其是当前，虚拟现实技术的快速发展以及广泛应用给各行业的监控系统带来了新的启示与技术体验，这也为工控自动化行业带了新的发展动力。
　　该文基于上述的工业监控软件的发展趋势及背景，采用三维引擎Unity3d、REDIS开源内存数据库、SQL server关系型数据库以及亚控公司的King I/O server数据采集器，设计了一款能够实现三维可视化监控画面的工业实时监控软件，并在某机械加工生产线上进线了实际的应用。
　　1  系统结构设计
　　该文设计的监控软件基于模块化思想，灵活组合各功能组件，将数据采集与过程控制融为一体，构成用户的应用軟件。从软件工程的角度出发以及软件开发工作的需要，该文将软件开发分为图形组态模块、实时管理模块、数据采集模块、数据库存储与管理模块。
　　在图形化人机交互方面，该文主要利用Unity3D引擎的强大场景交互能力以及能与大部分相关应用程序协同工作的兼容性。Unity3D内置的物理引擎带来能够逼真的互动效果，具备完善的光影渲染系统[1]。在该文设计的软件中，运行时的人机交互界面含场景漫游、设备运行监控、图文报表（报警及数据标签）的展示均在Unity3D引擎的支持下实现。
　　在实时性数据处理方面，工业车间的实时数据量往往巨大且存在各种类型，为了保证软件具备与传统实时数据库相同的高效性和稳定性，平台采用了Redis集群来处理实时数据。Redis是一个KEY-VALUE形式的缓存存储系统，根据官方实验数据，在操作系统Linux 2.6下，其50个并发进程执行100000个请求，读的速度是110000次/s，写的速度是81000次/s[2]。尤其是Redis的各类操作具备原子性、一致性的特点，符合工业实时数据库的需求。
　　在历史数据处理方面，该文考虑采用SQL server关系型数据库来处理历史数据。历史数据对系统应用人员有极其重要的参考价值。它从实时数据库中得到且与时间有关，反映了实体在某一特定时刻的状态[3]。该文主要考虑SQL SERVER有易用性强的特点，特别是近年来在并发存储与查询方面的能力不断增强，且与许多其他服务器软件紧密关联的集成性、良好的性价比以及更为完整的表结构[4]，在一定程度上比传统的实时历史库更能满足该文的需求，因此使用SQL SERVER来进行历史数据的存储和管理。
　　在数据采集方面，该文利用北京亚控科技公司的KingIOServer的工业通用IO数据通信平台，其支持主流通讯协议及各类数据库，尤其是其多语言的API接口为该文软件的数据采集服务模块的开发及应用提供了便利条件。
　　2  关键技术
　　在工业监控软件中，实时性及高可用性是软件设计开发的重点考虑部分同时也是关键技术。在该软件开发结构中，利用KingIOServer内部通信API的SDK，快速高效地与KingIOServer进行通信，同时把数据采集与Redis服务连接到一起，在内存中完成对数据的格式处理、操作、发送，从而保证数据的处理时效性。
　　Redis集群设计为6个节点、3个主节点、3个从节点，分布在3台物理服务器，每台服务器上1个主节点、1个从节点，将Redis的主节点与从节点相互错开，若是有一台服务器故障，Redis服务仍然有效。
　　3  应用实例
　　为了检验对该文监控软件的实际应用能力，该文结合行业内某机械加工生产线进行了基于该平台的监控系统的设计。
　　该生产线属于典型的离散型全自动机加生产线，虽然实现了全自动化，但信息该文设计的监控软件，对原生产线的监控系统进行了改造设计。
　　通过3D场景建立、数据集成及人机交互与功能的设计，实现了利用现场的实时生产数据驱动三维模型，动态展现生产现场的设备状态、工艺流程、技术参数，实现了生产线监控三维可视化，提高了人机交互的效率及准确性。
　　4  结语
　　该文基于UNITY开发的工业实时监控软件具备良好的三维可视化展示能力，其监控自由度高，人机交互体验性好，功能适配性强，外部接口丰富，可以与厂区内其他信息系统进行交互关联，实现信息的集中采集、集中分析与集中应用管理等，解决信息孤岛问题，为生产现场提供了有效的管控手段，较市场上传统的组态软件而言，其可视化、信息化的能力都得到了显著提高，具备良好的推广价值。
　　参考文献
　　[1] 倪乐波，戚鹏，遇丽娜，等.Unity3d产品虚拟展示技术的研究与应用[J].数字技术与应用，2010（9）：1.
　　[2] 邱书洋.Redis缓存技术研究及应用[D].郑州大学，2015.
　　[3] 王琳，喻成，李昌一.实时数据库的现状与发展[J].河北理工学院学报，2003，25（4）：2.
　　[4] 郭珺.基于SQL Server的主动式数据转储技术研究[D].哈尔滨工程大学，2017.
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