黄 嵩

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

工业炸药智能包装系统作为工业炸药生产制备和包装工序的关键设备,以其高效、安全、智能化等优点越来越广泛地应用在工业炸药的生产过程中。

它通过工业机器人进行药卷抓取并放入包装箱内部,解决了药卷跌落甩脱卡扣的问题,并可根据不同的药卷规格实现不同的码放方式,提高了药卷包装质量,实现了药卷智能化装箱[1]。

但是,工业炸药智能包装系统工艺环节较多,生产过程缺乏有效监管,企业生产管理人员和公安局等无法实时掌握其运行状态,存在一定的安全漏洞[2]。

基于此,将5G 网络引入工业炸药智能包装系统的安全监管中,设计一套基于5G 网络通信技术、信息化技术的远程监管平台,该平台以5G 通信网关为前端采集装置,实时采集工业炸药智能包装系统的生产数据、运行参数和视频监视画面等信息,并通过5G 网络发送给远程监管平台软件。

企业生产管理人员和行业监管部门可通过电子计算机或者手机App 访问远程监管平台,实时查看工业炸药智能包装系统的运行状态,判断生产过程是否处于正常状态,同时也可通过5G 网络向工业炸药智能包装系统下发控制指令,远程控制系统启动、紧急停车,单体设备启动和停止。

通过该平台,行业和企业能够大幅提升对工业炸药智能包装系统的信息化管理水平。

5G 网络是第五代移动通信网络的简称,是推动经济社会数字化转型的关键基础设施之一。

5G网络与4G 网络相比,具有“高速率、低时延、广连接”的技术特点,能够大幅提升用户的网络体验,为移动终端带来更快的传输速度[3]。

在高速率方面,5G 网络的理论最高传输速率可达到10 Gbps,是4G 的100 倍,一部4G 大小的高清电影只需几秒即可下载完成,能够满足用户对虚拟现实、超高清视频的网络体验要求;在低时延方面,5G 网络的空口时延可低至1 ms,仅为4G 的十分之一,远低于人体的应激反应,能为用户提供身临其境的风景观赏、全息直播、全息摄影等应用体验,可以广泛地应用于自动驾驶、远程医疗、云计算等领域;在广连接方面,5G 网络每平方千米可以支撑100 万台设备的接入,与4G 网络相比,网络容量大幅增加,数据交互更为高效,操控更为精准,能够满足万物互联的应用需求,赋予万物在线连接的能力,可以广泛地应用于智慧城市、智慧工厂、人工智能等物联网领域。

5G 网络凭借诸多优点,已经日益广泛地应用于社会生活的方方面面,极大地改变了我们的生活方式,助力社会生态数字化、网络化、智能化转型。

基于5G 网络在数据传输方面的高速率、低延时、高可靠性等优势,利用5G 网络构建包含前端数据集采装置、监管平台软件、手机App 的工业炸药智能包装系统5G 监管平台。

5G 监管平台以5G 通信网关为前端采集装置,5G 通信网关通过RS485 总线与工业炸药智能包装系统相连,通过以太网口与生产车间的高清摄像头相连,实时采集包装系统的生产数据、运行参数和视频监视画面等信息,并将数据按照相关格式要求进行打包封装通过5G 网络发送至安装于远程监控中心的5G 监管平台软件。

5G 监管平台软件安装在远程监控中心服务器电子计算机上,接收5G 通信网关通过5G 网络传输的信息,并将数据进行解析、存储和显示。

5G 监管平台软件采用B/S 架构(浏览器/服务器架构),客户端无须安装软件,只需Web 浏览器即可访问服务器进行数据交互,查询结果在网页上进行展示。

基于Android 系统开发的App,安装和运行在Android 手机上。

手机App 通过Web 浏览器与Web 应用服务器进行通信,读取MySQL 数据库存储的数据,在App 界面上展示出来。

企业生产管理人员和民爆行业监管部门可以通过电子计算机或者手机App 访问5G 监管平台,查看工业炸药智能包装系统的生产作业状态和视频监视画面,判断生产作业过程是否处于正常状态,同时也可通过5G 网络向工业炸药智能包装系统下发控制指令,远程控制自动控制系统启动、紧急停车,单体设备启动和停止。

工业炸药智能包装系统5G 监管平台架构如图1 所示。

图1 工业炸药智能包装系统5G 监管平台架构

5G 通信网关是5G 监管平台的前端采集装置,对信息交互起着至关重要的作用。

5G 通信网关以基于Cortex-A53 架构的工业级32 位高速处理器为控制核心,包括5G 通信模组、网络控制器、网络解码器、数据存储器等部件,具备数据采集、数据分析处理、数据打包发送等功能,能够实时读取并存储PLC、传感器采集的生产数据、运行参数、故障报警信息以及视频监视画面等数据,并将数据按照相关格式要求进行打包封装通过5G 网络实时发送至5G 监管平台软件,同时也能接收5G 监管平台软件和手机App 通过5G 网络下发的控制指令,控制相关执行机构动作。

5G 通信网关以5G 通信模组为5G 网络通信节点,采用256 MB DDR3 RAM,搭配32 MB Nor Flash,采用4 天线极简设计,支持SA/NSA 双模5G 网络,上行最高速率可达230 Mbps,下行最高速率可达1.6 Gbps,支持RS232、RS485 等硬件接口和4 个以太网口。

5G 通信模组内部设有SIM 卡槽,插入5G 物联网卡,即可实现5G 通信模组和5G 网络的快速接入。

5G 通信网关的软件为嵌入式软件,采用嵌入式软件开发工具Kiel 和C 语言进行程序开发。

5G通信网关采用Altium Designer 软件进行硬件电路设计,硬件结构图如图2 所示。

系统工作时,ARM处理器通过RS232/RS485 串口读取外部数据,通过以太网口读取摄像机画面,在嵌入式系统中进行数据的处理、格式转换、压缩、保存,然后通过Mini-PCI 接口将处理后的数据传输给5G 通信模组,由5G 通信模组按照网络协议通过移动运营商的5G网络将数据发送给5G 监管平台软件。

图2 5G 通信网关硬件结构图

5G 监管平台软件安装运行于监控中心的服务器电子计算机上,接收5G 通信网关通过5G 网络传输的信息,并将数据进行解析、存储和显示。

通过5G 监管平台软件可随时随地查看包装系统的运行状态,并可在情况紧急时向系统下发控制指令。

4.1 5G 监管平台软件架构设计

5G 监管平台软件采用B/S 架构(浏览器/服务器架构),在B/S 架构下,数据存储在服务器端,主要逻辑工作在服务器端实现,客户端无须安装软件,用户只需通过Web 浏览器即可访问服务器进行数据交互,查询结果在网页上进行显示[4]。

5G监管平台软件架构如图3 所示。

图3 5G 监管平台软件架构

Web 应用服务器是指驻留于Internet 上的计算机程序,可以处理Web 浏览器等客户端的请求并返回相应响应,可以放置文件,供全世界浏览和下载。

数据库服务器电子计算机上安装有5G 监管平台软件和MySQL 数据库,具有数据存储、任务处理、数据库连接和消息发送等功能。

当Web 应用服务器接收到来自客户端的请求时,将请求传递给数据库服务器,数据库服务器程序进行任务响应和处理,并将任务处理结果通过Web 应用服务器传输到Web 浏览器,在Web 浏览器上进行显示,供用户查询。

相比于C/S 架构(客户端/服务器架构),B/S架构将数据处理逻辑放在服务器上,显示逻辑交给Web 浏览器,通过一定的权限控制实现多用户访问的目的,减少了客户端的运行压力,展现方式丰富、生动,交互性强,可以随时进行查询、浏览, 维护方便,升级便利[5]。

4.2 5G 监管平台软件界面设计

从软件的开发、维护、升级等多方面因素考虑,5G 监管平台软件采用面向对象的程序设计思想[6],以Visual Studio 2019 作为集成开发环境,Net Framework 作为开发类库,C#作为开发语言,通过Windows 应用程序设计进行系统软件的开发。

5G 监管平台软件包括运行状态显示界面、视频监视界面、故障报警显示界面、远程控制界面、系统设置界面等。

软件界面如图4 所示。

图4 5G 监管平台软件界面

1)运行状态显示界面:用于实时显示包装系统的生产数据、运行参数等信息。

2)视频监视界面:用于实时显示生产车间高清摄像机的视频监视画面,并可回放90 d 历史视频。

3)故障报警显示界面:当包装系统出现故障时,在界面上以红色警示提醒用户故障的类型,使用户可以及时发现并处理,对报警信息进行存储,对90 d 历史报警记录进行查询。

4)远程控制界面:用于远程控制包装系统启动、紧急停车,单体设备启动和停止。

5)系统设置界面:用于对用户的账号和密码进行设置和查看,对用户的权限进行设置;对IP 地址和通信端口等通信参数进行设置。

基于Android 操作系统开发5G 监管平台手机App。

系统采用Android Studio 作为手机App 开发和调试的工具,采用Window X64+Android Studio 作为手机App 的开发环境。

手机App 通过Web 浏览器与Web 应用服务器进行通信,从而读取服务器中MySQL 数据库存储的数据,在App 界面上展示出来,通过手机App 可随时随地查看包装系统的运行状态,并可在情况紧急时向系统下发控制指令。

手机App 主要包括用户登录界面、功能选择界面、运行状态显示界面、视频监视界面、故障报警界面、远程控制界面、设置界面。

1)用户登录界面:打开手机App 即进入用户登录界面,用户在5G 监管平台软件注册过账号后,可用此账号登录手机App;新用户在手机App 端也能进行账号注册、密码重置和找回。

2)功能选择界面:用户登录成功后会进入功能列表,列表由运行状态显示模块、视频监视模块、故障报警模块、远程控制模块和设置模块构成,用户可以选择任一模块进入相应界面进行操作。

3)运行状态显示界面:用于实时显示包装系统的生产数据、运行参数等信息。

4)视频监视界面:用于实时显示生产车间高清摄像机的视频监视画面,并可回放90 d 历史视频。

5)故障报警界面:用于显示包装系统的即时报警信息,查看90 d 历史报警记录。

6)远程控制界面:用于远程控制包装系统启动、紧急停车,单体设备启动和停止。

7)设置界面:用于对用户的账号和密码进行设置和查看;对用户的权限进行设置;对数据信息更新时间和故障信息更新时间进行设置;对IP 地址和通信端口等通信参数进行设置。

将5G 网络应用到工业炸药智能包装系统远程监管平台的设计中,对工业炸药智能包装系统的生产过程进行监管,实现了生产数据、运行参数和视频监视画面的远程电子计算机端和手机端实时监控,满足了民爆安全管理的迫切需要,对保障从业人员安全具有重要的意义。

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