基于5G 網絡的工業炸藥智能包裝系統監管平臺設計

黃 嵩

(中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

工業炸藥智能包裝系統作為工業炸藥生產制備和包裝工序的關鍵設備,以其高效、安全、智能化等優點越來越廣泛地應用在工業炸藥的生產過程中。 它通過工業機器人進行藥卷抓取并放入包裝箱內部,解決了藥卷跌落甩脫卡扣的問題,并可根據不同的藥卷規格實現不同的碼放方式,提高了藥卷包裝質量,實現了藥卷智能化裝箱[1]。 但是,工業炸藥智能包裝系統工藝環節較多,生產過程缺乏有效監管,企業生產管理人員和公安局等無法實時掌握其運行狀態,存在一定的安全漏洞[2]。

基于此,將5G 網絡引入工業炸藥智能包裝系統的安全監管中,設計一套基于5G 網絡通信技術、信息化技術的遠程監管平臺,該平臺以5G 通信網關為前端采集裝置,實時采集工業炸藥智能包裝系統的生產數據、運行參數和視頻監視畫面等信息,并通過5G 網絡發送給遠程監管平臺軟件。 企業生產管理人員和行業監管部門可通過電子計算機或者手機App 訪問遠程監管平臺,實時查看工業炸藥智能包裝系統的運行狀態,判斷生產過程是否處于正常狀態,同時也可通過5G 網絡向工業炸藥智能包裝系統下發控制指令,遠程控制系統啟動、緊急停車,單體設備啟動和停止。 通過該平臺,行業和企業能夠大幅提升對工業炸藥智能包裝系統的信息化管理水平。

1 5G 網絡概述

5G 網絡是第五代移動通信網絡的簡稱,是推動經濟社會數字化轉型的關鍵基礎設施之一。 5G網絡與4G 網絡相比,具有“高速率、低時延、廣連接”的技術特點,能夠大幅提升用戶的網絡體驗,為移動終端帶來更快的傳輸速度[3]。

在高速率方面,5G 網絡的理論最高傳輸速率可達到10 Gbps,是4G 的100 倍,一部4G 大小的高清電影只需幾秒即可下載完成,能夠滿足用戶對虛擬現實、超高清視頻的網絡體驗要求;在低時延方面,5G 網絡的空口時延可低至1 ms,僅為4G 的十分之一,遠低于人體的應激反應,能為用戶提供身臨其境的風景觀賞、全息直播、全息攝影等應用體驗,可以廣泛地應用于自動駕駛、遠程醫療、云計算等領域;在廣連接方面,5G 網絡每平方千米可以支撐100 萬臺設備的接入,與4G 網絡相比,網絡容量大幅增加,數據交互更為高效,操控更為精準,能夠滿足萬物互聯的應用需求,賦予萬物在線連接的能力,可以廣泛地應用于智慧城市、智慧工廠、人工智能等物聯網領域。

5G 網絡憑借諸多優點,已經日益廣泛地應用于社會生活的方方面面,極大地改變了我們的生活方式,助力社會生態數字化、網絡化、智能化轉型。

2 5G 監管平臺的工作原理

基于5G 網絡在數據傳輸方面的高速率、低延時、高可靠性等優勢,利用5G 網絡構建包含前端數據集采裝置、監管平臺軟件、手機App 的工業炸藥智能包裝系統5G 監管平臺。

5G 監管平臺以5G 通信網關為前端采集裝置,5G 通信網關通過RS485 總線與工業炸藥智能包裝系統相連,通過以太網口與生產車間的高清攝像頭相連,實時采集包裝系統的生產數據、運行參數和視頻監視畫面等信息,并將數據按照相關格式要求進行打包封裝通過5G 網絡發送至安裝于遠程監控中心的5G 監管平臺軟件。

5G 監管平臺軟件安裝在遠程監控中心服務器電子計算機上,接收5G 通信網關通過5G 網絡傳輸的信息,并將數據進行解析、存儲和顯示。 5G 監管平臺軟件采用B/S 架構(瀏覽器/服務器架構),客戶端無須安裝軟件,只需Web 瀏覽器即可訪問服務器進行數據交互,查詢結果在網頁上進行展示。

基于Android 系統開發的App,安裝和運行在Android 手機上。 手機App 通過Web 瀏覽器與Web 應用服務器進行通信,讀取MySQL 數據庫存儲的數據,在App 界面上展示出來。

企業生產管理人員和民爆行業監管部門可以通過電子計算機或者手機App 訪問5G 監管平臺,查看工業炸藥智能包裝系統的生產作業狀態和視頻監視畫面,判斷生產作業過程是否處于正常狀態,同時也可通過5G 網絡向工業炸藥智能包裝系統下發控制指令,遠程控制自動控制系統啟動、緊急停車,單體設備啟動和停止。

工業炸藥智能包裝系統5G 監管平臺架構如圖1 所示。

圖1 工業炸藥智能包裝系統5G 監管平臺架構

3 5G 通信網關設計

5G 通信網關是5G 監管平臺的前端采集裝置,對信息交互起著至關重要的作用。 5G 通信網關以基于Cortex-A53 架構的工業級32 位高速處理器為控制核心,包括5G 通信模組、網絡控制器、網絡解碼器、數據存儲器等部件,具備數據采集、數據分析處理、數據打包發送等功能,能夠實時讀取并存儲PLC、傳感器采集的生產數據、運行參數、故障報警信息以及視頻監視畫面等數據,并將數據按照相關格式要求進行打包封裝通過5G 網絡實時發送至5G 監管平臺軟件,同時也能接收5G 監管平臺軟件和手機App 通過5G 網絡下發的控制指令,控制相關執行機構動作。

5G 通信網關以5G 通信模組為5G 網絡通信節點,采用256 MB DDR3 RAM,搭配32 MB Nor Flash,采用4 天線極簡設計,支持SA/NSA 雙模5G 網絡,上行最高速率可達230 Mbps,下行最高速率可達1.6 Gbps,支持RS232、RS485 等硬件接口和4 個以太網口。 5G 通信模組內部設有SIM 卡槽,插入5G 物聯網卡,即可實現5G 通信模組和5G 網絡的快速接入。

5G 通信網關的軟件為嵌入式軟件,采用嵌入式軟件開發工具Kiel 和C 語言進行程序開發。 5G通信網關采用Altium Designer 軟件進行硬件電路設計,硬件結構圖如圖2 所示。 系統工作時,ARM處理器通過RS232/RS485 串口讀取外部數據,通過以太網口讀取攝像機畫面,在嵌入式系統中進行數據的處理、格式轉換、壓縮、保存,然后通過Mini-PCI 接口將處理后的數據傳輸給5G 通信模組,由5G 通信模組按照網絡協議通過移動運營商的5G網絡將數據發送給5G 監管平臺軟件。

圖2 5G 通信網關硬件結構圖

4 5G 監管平臺軟件設計

5G 監管平臺軟件安裝運行于監控中心的服務器電子計算機上,接收5G 通信網關通過5G 網絡傳輸的信息,并將數據進行解析、存儲和顯示。 通過5G 監管平臺軟件可隨時隨地查看包裝系統的運行狀態,并可在情況緊急時向系統下發控制指令。

4.1 5G 監管平臺軟件架構設計

5G 監管平臺軟件采用B/S 架構(瀏覽器/服務器架構),在B/S 架構下,數據存儲在服務器端,主要邏輯工作在服務器端實現,客戶端無須安裝軟件,用戶只需通過Web 瀏覽器即可訪問服務器進行數據交互,查詢結果在網頁上進行顯示[4]。 5G監管平臺軟件架構如圖3 所示。

圖3 5G 監管平臺軟件架構

Web 應用服務器是指駐留于Internet 上的計算機程序,可以處理Web 瀏覽器等客戶端的請求并返回相應響應,可以放置文件,供全世界瀏覽和下載。

數據庫服務器電子計算機上安裝有5G 監管平臺軟件和MySQL 數據庫,具有數據存儲、任務處理、數據庫連接和消息發送等功能。

當Web 應用服務器接收到來自客戶端的請求時,將請求傳遞給數據庫服務器,數據庫服務器程序進行任務響應和處理,并將任務處理結果通過Web 應用服務器傳輸到Web 瀏覽器,在Web 瀏覽器上進行顯示,供用戶查詢。

相比于C/S 架構(客戶端/服務器架構),B/S架構將數據處理邏輯放在服務器上,顯示邏輯交給Web 瀏覽器,通過一定的權限控制實現多用戶訪問的目的,減少了客戶端的運行壓力,展現方式豐富、生動,交互性強,可以隨時進行查詢、瀏覽, 維護方便,升級便利[5]。

4.2 5G 監管平臺軟件界面設計

從軟件的開發、維護、升級等多方面因素考慮,5G 監管平臺軟件采用面向對象的程序設計思想[6],以Visual Studio 2019 作為集成開發環境,Net Framework 作為開發類庫,C#作為開發語言,通過Windows 應用程序設計進行系統軟件的開發。

5G 監管平臺軟件包括運行狀態顯示界面、視頻監視界面、故障報警顯示界面、遠程控制界面、系統設置界面等。 軟件界面如圖4 所示。

圖4 5G 監管平臺軟件界面

1)運行狀態顯示界面:用于實時顯示包裝系統的生產數據、運行參數等信息。

2)視頻監視界面:用于實時顯示生產車間高清攝像機的視頻監視畫面,并可回放90 d 歷史視頻。

3)故障報警顯示界面:當包裝系統出現故障時,在界面上以紅色警示提醒用戶故障的類型,使用戶可以及時發現并處理,對報警信息進行存儲,對90 d 歷史報警記錄進行查詢。

4)遠程控制界面:用于遠程控制包裝系統啟動、緊急停車,單體設備啟動和停止。

5)系統設置界面:用于對用戶的賬號和密碼進行設置和查看,對用戶的權限進行設置;對IP 地址和通信端口等通信參數進行設置。

5 手機App 設計

基于Android 操作系統開發5G 監管平臺手機App。 系統采用Android Studio 作為手機App 開發和調試的工具,采用Window X64+Android Studio 作為手機App 的開發環境。

手機App 通過Web 瀏覽器與Web 應用服務器進行通信,從而讀取服務器中MySQL 數據庫存儲的數據,在App 界面上展示出來,通過手機App 可隨時隨地查看包裝系統的運行狀態,并可在情況緊急時向系統下發控制指令。 手機App 主要包括用戶登錄界面、功能選擇界面、運行狀態顯示界面、視頻監視界面、故障報警界面、遠程控制界面、設置界面。

1)用戶登錄界面:打開手機App 即進入用戶登錄界面,用戶在5G 監管平臺軟件注冊過賬號后,可用此賬號登錄手機App;新用戶在手機App 端也能進行賬號注冊、密碼重置和找回。

2)功能選擇界面:用戶登錄成功后會進入功能列表,列表由運行狀態顯示模塊、視頻監視模塊、故障報警模塊、遠程控制模塊和設置模塊構成,用戶可以選擇任一模塊進入相應界面進行操作。

3)運行狀態顯示界面:用于實時顯示包裝系統的生產數據、運行參數等信息。

4)視頻監視界面:用于實時顯示生產車間高清攝像機的視頻監視畫面,并可回放90 d 歷史視頻。

5)故障報警界面:用于顯示包裝系統的即時報警信息,查看90 d 歷史報警記錄。

6)遠程控制界面:用于遠程控制包裝系統啟動、緊急停車,單體設備啟動和停止。

7)設置界面:用于對用戶的賬號和密碼進行設置和查看;對用戶的權限進行設置;對數據信息更新時間和故障信息更新時間進行設置;對IP 地址和通信端口等通信參數進行設置。

6 結語

將5G 網絡應用到工業炸藥智能包裝系統遠程監管平臺的設計中,對工業炸藥智能包裝系統的生產過程進行監管,實現了生產數據、運行參數和視頻監視畫面的遠程電子計算機端和手機端實時監控,滿足了民爆安全管理的迫切需要,對保障從業人員安全具有重要的意義。