一、簡(jiǎn)介
制造業(yè)的系統(tǒng)中包括了為產(chǎn)品整個(gè)生命周期的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、交付的產(chǎn)品、設(shè)備、人員、信息系統(tǒng)、控制和支持功能。
企業(yè)目標(biāo)除了滿足市場(chǎng)需求同時(shí)還要降低生產(chǎn)成本。工業(yè)和汽車制造商在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程所有階段，正面臨著眾多的挑戰(zhàn) -- 縮短開(kāi)發(fā)周期、管理全球供應(yīng) 鏈、激烈的競(jìng)爭(zhēng)和日益復(fù)雜的產(chǎn)品。他們需要的解決方案，是能幫助他們將產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)，且更便宜和更多的功能。
實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最佳策略是采用開(kāi)放 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在硬件級(jí)別集成多系統(tǒng)，從依賴單一供應(yīng)商情況解放出來(lái)，選擇最新的軟件工具，建立一個(gè)可以縮放并能保持至少五到十年的體系結(jié)構(gòu)。
自動(dòng)化過(guò)程控制一直使用簡(jiǎn)單的二維（2d）圖形，這是多年來(lái)一直使用的方法。把最優(yōu)化的三維（3d）圖形引入過(guò)程控制應(yīng)用，很多企業(yè)都看到升級(jí)現(xiàn)有系統(tǒng)能夠帶來(lái)增加值?，F(xiàn)代可視化應(yīng)用是將3d圖形技術(shù)應(yīng)用到大量的工業(yè)解決方案中，滿足多個(gè)行業(yè)客戶實(shí)際需求，包括：
· 汽車；
· 樓宇自動(dòng)化；
· 石油，天然氣與石化；
· 食品及藥物；
· 水和污水處理，等等。
在hmi的顯示上包含3d圖形能更快地學(xué)習(xí)過(guò)程控制系統(tǒng)，更好地理解基于3d圖形的操作， 因?yàn)樗?d更好地代表現(xiàn)場(chǎng)的情況。把過(guò)程數(shù)據(jù)疊加到三維模型不僅增強(qiáng)了hmi數(shù)據(jù)顯示背景的自然性，而且在精確的地方看見(jiàn)發(fā)生了什么。
二、目前發(fā)展的水平：3d產(chǎn)業(yè)的演變
今天，有多家公司為越來(lái)越多的 3d內(nèi)容制作者提供3d軟件工具、插件、預(yù)生成3d數(shù)據(jù)和各種服務(wù)。 一個(gè)由成千上萬(wàn)3d愛(ài)好者、專業(yè)工程師和程序員的全球性社區(qū)正利用3d 技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、原型制作和工程分析。
是什么因素造成這個(gè)3d生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展？有三個(gè)基本變化正在進(jìn)行：3d軟件的日益普及和一致性；不斷增長(zhǎng)的全球影響力降低了原型的成本；以及越來(lái)越多的預(yù)制作的3d內(nèi)容。
用于創(chuàng)建3d 內(nèi)容的軟件現(xiàn)在日益豐富。在此之前，大型、多用途的3d軟件包，諸如softimage公司的xsi和 autodesk公司的3ds max和maya主導(dǎo)了商業(yè)工具市場(chǎng)。今天，出現(xiàn)了專注3d 產(chǎn)品的獨(dú)立公司，為許多要求的功能提供解決方案，針對(duì)特定需求進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。
特定軟件因?yàn)榉咸囟ㄐ袠I(yè)的標(biāo)準(zhǔn)而在垂直市場(chǎng)獲得青睞。隨著標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的增長(zhǎng)，文件格式，如collada或3ds已經(jīng)成為模型與產(chǎn)品之間轉(zhuǎn)換方式，消除了3d協(xié)同的障礙。
自從人們開(kāi)始使用3d設(shè)計(jì)軟件，與其他3d用戶分享經(jīng)驗(yàn)的欲望一直強(qiáng)勁。今天，3d工程師之間的互動(dòng)在一個(gè)更大的規(guī)模——互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)生，已經(jīng)形成了非常大的網(wǎng)上社區(qū)。在幾十家在線 社區(qū)，每天24小時(shí)，3d工作的進(jìn)步在介紹和評(píng)論，技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在討論和分享。
在今天的大學(xué)課程中，3d的內(nèi)容日益增加，專業(yè)辦公室創(chuàng)建了功能強(qiáng)大的門戶，介紹了大量使用3d技術(shù)的親手制作。這個(gè)動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)要大大超越從3d圖片中所接收的被動(dòng)感受。多項(xiàng)研究表明，操作員認(rèn)為3d圖形圖像的元素比2d工藝流程圖更好。因此許多公司一直在開(kāi)發(fā)工業(yè)的3d解決方案：
· autodesk 的發(fā)明家（inventor）：是一個(gè)擴(kuò)展框架，支持autocad，提供3d原型制作，允許用戶對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行修改，幾乎沒(méi)有任何研究和先前開(kāi)銷。
· 空間公司的hoops 3d應(yīng)用框架（application framework）：為3d應(yīng)用和完整的應(yīng)用編程接口（api）提供了一個(gè)核心圖形基礎(chǔ)設(shè)施和完整的功能，api可以訪問(wèn)集成組件的一組強(qiáng)大套件。
· deskartes viewexpert?：提供用于查看、驗(yàn)證、測(cè)量和通信3d cad數(shù)據(jù)文件的工具，如.stl、.vrml、.zpr和.iges格式。
· 谷歌的3d模型庫(kù)（warehouse）：提供來(lái)自google 3d建模程序的dae和草圖模型。以及許多其他解決方案，滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。
對(duì)于專業(yè)應(yīng)用，快速原型或虛擬原型設(shè)計(jì)已經(jīng)成為產(chǎn)品和工藝研究的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于實(shí)時(shí)運(yùn)行圖形hmi / scada軟件，采取了說(shuō)明，已經(jīng)從可視化仿真行業(yè)轉(zhuǎn)移到對(duì)文件存儲(chǔ)加載3d幾何嵌入高效渲染算法。這些算法允許hmi/scada 軟件實(shí)現(xiàn)多種特性，如原型模型的多邊形還原，以優(yōu)化他們用于實(shí)時(shí)觀看。用呈現(xiàn)當(dāng)前桌面的高效模型和web可視化技術(shù)，hmi / scada軟件的3d顯示能力不僅在工藝畫面和運(yùn)行圖表，更在于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的視圖操作。操作員可以通過(guò)從任何角度查看所有資產(chǎn)，系統(tǒng)帶來(lái)的報(bào)警事件信息也都以3d視圖呈現(xiàn)。
隨著scada軟件把數(shù)據(jù)帶入生活的能力提高，3d人機(jī)界面可進(jìn)一步情境化數(shù)據(jù) ，把一個(gè)互動(dòng)的、帶有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和動(dòng)畫的運(yùn)行畫面帶給操作員。
今天和未來(lái)的hmi/ scada軟件不僅能提供過(guò)程控制和數(shù)據(jù)的可視化，而且會(huì)用3d模型顯示實(shí)時(shí)、真實(shí)的設(shè)備資產(chǎn)。
三、3d增強(qiáng)了實(shí)時(shí)可視化
3d可視化能夠使hmi應(yīng)用程序 受益，提供真正生命的形狀、形式、流程和其他細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)在用傳統(tǒng)的2d方式觀察時(shí)會(huì)丟失。有了3d模型，一組圖像或動(dòng)畫能夠更好地與想法、過(guò)程或產(chǎn)品進(jìn)行交互。當(dāng)需要將想法提交給一個(gè)潛在客戶時(shí)，多數(shù)的最佳方式都是用3d的形式。我們生活在一個(gè)3d的世界，我們的眼睛和大腦用來(lái)看到和感知深度、透視和形式。
圖1. 2d汽車的hmi圖形
產(chǎn)品都以3d的形式問(wèn)世、交付。工藝和技術(shù)不斷改進(jìn)，無(wú)論是在功能還是可視化，都是在3d環(huán)境下展示，特別是當(dāng)環(huán)境還可以模擬實(shí)際工作條件下的過(guò)程 --不應(yīng)該是一個(gè)簡(jiǎn)單的2d繪圖。
從技術(shù)上講，3d圖像是處理大量數(shù)據(jù)可視化和保持系統(tǒng)全局視覺(jué)的最好方式。這的確是展現(xiàn)大量的異構(gòu)信息最自然的方式。
圖 2. 3d汽車的hmi圖形
在hmi上用3d顯示可以帶來(lái)下列好處：
· 降低生產(chǎn)成本和減小將產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)間；
· 加快復(fù)雜的決策過(guò)程；
· 查看產(chǎn)品的概念，每個(gè)階段的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；
· 減少依賴于2d繪圖 解釋，以避免生產(chǎn)失誤；
· 易于理解的可視化計(jì)劃容易操作；
· 在大規(guī)模生產(chǎn)前，從不同的角度展示工業(yè)環(huán)境和產(chǎn)品特性。
使用3d顯示可極大地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量， 因?yàn)樗且粋€(gè)比2d設(shè)計(jì)更完整的過(guò)程。作為結(jié)果，許多用傳統(tǒng)2d設(shè)計(jì)方法發(fā)生的錯(cuò)誤是可以避免的。
這使3d hmi解決方案成為一個(gè)強(qiáng)大的商業(yè)工具：可以快速溝通復(fù)雜的問(wèn)題，降低成本和錯(cuò)誤率，使協(xié)作更加高效和靈活。
四、利用先進(jìn)的技術(shù)
隨著64位、多核、多處理器計(jì)算的發(fā)展；引入新的64位 操作系統(tǒng)和對(duì)高性能64位應(yīng)用程序的需求，現(xiàn)代可視化解決方案為客戶提供最大的可銷售性，可靠性和靈活性。
從底層設(shè)計(jì)，利用 opc- ua通信標(biāo)準(zhǔn)、.net管理代碼和sharepoint?技術(shù)，最新的hmi 解決方案允許從工廠現(xiàn)場(chǎng)和業(yè)務(wù)設(shè)施到企業(yè)商務(wù)系統(tǒng)的連接。
opc統(tǒng)一架構(gòu)（opc-ua）是對(duì)基于com /dcom經(jīng)典opc標(biāo)準(zhǔn)通信 協(xié)議非常成功的擴(kuò)展。 opc-ua允許最佳品種的實(shí)時(shí)、報(bào)警管理和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的互操作。
圖 3. opc-ua規(guī)范層
這使得工廠現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)模型與企業(yè)集成。任何當(dāng)前使用opc通信的工業(yè)或設(shè)施控制系統(tǒng)，可以很容易添加最新的opc-ua 應(yīng)用程序到現(xiàn)有系統(tǒng)，給他們提供的 web服務(wù)，增加企業(yè)的連通性。下一代的opc數(shù)據(jù)訪問(wèn)（da）、opc報(bào)警和事件（a＆e）和opc 歷史數(shù)據(jù)訪問(wèn)（hda）允許從工廠和設(shè)施安全、開(kāi)放地連接到企業(yè)層，展示了基于標(biāo)準(zhǔn)的下一代通信。
今天，工業(yè)和制造業(yè)解決方案，可最大限度地利用最先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的圖形硬件芯片通過(guò)directx10加速，與視窗表現(xiàn)基金會(huì)（windows presentation foundation，wpf）集成，用于富2d和3d的hmi應(yīng)用。
wpf是 .net框架 3.0中的一個(gè)圖形子系統(tǒng)，使用一個(gè)被稱為xaml（可擴(kuò)展應(yīng)用標(biāo)記語(yǔ)言），用于富用戶界面的開(kāi)發(fā)。
使用wpf特性的hmi應(yīng)用程序有下列收益：
· 支持基于矢量的圖形；
· 支持3d模型渲染和 2d應(yīng)用程序互動(dòng)；
· 疊加在3d表面的2d內(nèi)容交互；
· 卸載一些圖形任務(wù)到計(jì)算機(jī)圖形卡的圖形處理單元中。
圖4. 微軟net 3.0堆棧
xaml帶給wpf的具體優(yōu)勢(shì)為xaml是 一個(gè)完全的聲明性語(yǔ)言。作為結(jié)果，開(kāi)發(fā)人員（或設(shè)計(jì)師）描述的行為和組件集成無(wú)需編程。這使沒(méi)有傳統(tǒng)編程經(jīng)驗(yàn)的人，可以創(chuàng)建整個(gè)應(yīng)用，無(wú)需編程。
雖然整個(gè)應(yīng)用完全用xaml建立是罕見(jiàn)的，xaml的引入使應(yīng)用設(shè)計(jì)人員的精力能更有效地貢獻(xiàn)給應(yīng)用開(kāi)發(fā)周期。使用xaml來(lái)開(kāi)發(fā)用戶界面還能分離模型與視圖，這被認(rèn)為是一種良好的架構(gòu)原則。
五、結(jié)論：把人機(jī)界面提升到新的水平
下一代工業(yè)自動(dòng)化軟件的目標(biāo)包括給用戶：迅速而有效地創(chuàng)建hmi集成顯示、實(shí)時(shí)制造數(shù)據(jù)和商業(yè)信息。
為了在今天的hmi中充分利用先進(jìn)的3d圖形，制造及設(shè)備控制操作員對(duì)傳統(tǒng)的2d圖形進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，通過(guò)把實(shí)時(shí)的3d圖形納入到控制hmi的顯示中，最終減少設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作流之間的差距 。
建立于高性能圖形硬件子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，未來(lái)的人機(jī)界面系統(tǒng)（hmi）系統(tǒng)在配置和整體操作方面需要更高的水平。有3d圖形的hmi給今天的制造及設(shè)備控制設(shè)計(jì)帶到了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)水平?，F(xiàn)在需要的是自動(dòng)化的軟件工具， 使設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)和hm