CC BY
21
УДК 004.457
Калайчев Г.В., Кольцова Э.М.
ПРОГРАММНОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ИНФОРМАЦИИ, ПОСТУПАЮЩЕЙ С ЦИФРОВОГО ЗАВОДА
Калайчев Глеб Валерьевич, студент 2 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга
e-mail: [email protected]
Кольцова Элеонора Моисеевна, д.т.н., профессор, заведующая кафедрой информационных компьютерных технологий
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Представлено программное приложение, разработанное для мониторинга технологических данных цифрового двойника. Программа представляет собой WEB-интерфейс и связанную с ним базу данных, в которую поступают измеряемые параметры с аппаратов. Для реализации программного модуля использовался язык программирования Python. Также был написан скрипт, позволяющий связывать данный сервер со средой разработки Unity3D.
Ключевые слова: цифровые двойники, мониторинг процессов, WEB-интерфейс
SOFTWARE APPLICATION FOR MONITORING INFORMATION COMING FROM A DIGITAL FACTORY
Kalaychev G.V., Koltsova E.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The software application developed for monitoring the technological data of a digital double is presented. The program is a WEB-interface and a database connected with it, into which the measured parameters are received from the devices. To implement the software module, the Python programming language was used. A script was also written that allows you to associate this server with the Unity3D development environment. Keywords: digital twin, process monitoring, WEB-interface
В настоящее время в мировой экономике происходят обширные изменения, направленные на всеобщую цифровизацию [1-2]. Цифровые технологии, с учетом глобализации общества, увеличения доступности и ускорения передачи информации, открывают новые возможности для стимуляции и исполнения инновационных процессов. Все это привело к бурному развитию компонентов, которые стали важной частью, так называемой, цифровой экономики.
Технологические системы - это сложные социально-технические системы, подверженные различным коллизиям из-за постоянных процессов, происходящие внутри них, механизмов и приборов, благодаря которым возможно протекание этих процессов, а также из-за человеческого фактора. Как правило, материалы на производственных предприятиях являются токсичными,
легковоспламеняющимися или взрывоопасными, в то время как необходимость оптимизации производства приводит к тому, что условия эксплуатации подвергаются жестким ограничениям, таким как высокое давление или высокая температура. В промышленности имеется множество датчиков и исполнительных механизмов, продолжительная неисправность которых
сказывается на производительности процесса, что может привести к серьезным проблемам безопасности. В целях пресечения аварийных ситуаций на производстве существует
необходимость внедрять интеллектуальные системы мониторинга и управления. Одним из способов является создание цифрового двойника производства.
Цифровой двойник - программный аналог физического устройства, точные виртуальные копии машин или систем, которые моделируют внутренние процессы объекта, его техническую спецификацию, поведение в реальной среде, а также имеют обратную связь, которая характеризуется программным воздействием на копию. Следовательно, использование цифровых двойников позволяет моделировать ситуации, которые невозможно воспроизвести на реальном объекте. Это могут быть как преднамеренные коллизии, исследование которых позволяют предсказать поведение устройства в нештатных ситуациях, так и попытки оптимизации, связанные либо с заменой каких-либо аппаратов внутри реально существующего объекта, либо с отладкой процессов внутри системы [3-4].
Для анализа временных рядов, которые были получены в специализированном пакете моделирования технологических систем, была разработана программа, которая представляет собой WEB-интерфейс и базу данных, накапливающая поступающие данные. Также был реализован клиент-серверный механизм взаимодействия между существующей математической моделью реального объекта, которая была создана в прикладном пакете моделирования ИшБт и средством 3Б визуализации
Unity3D. Данная связь осуществляется путем обмена данных между Unity и сервером. Со стороны клиента отправляется GET-запрос с ключом, который определяет выбранный аппарат, для получения информации из базы данных об этом устройстве. В обратном направлении отправляется объект JSON, информацией об объектах/объекте. Полученные данные обрабатываются при получении, если нужно разбиваются на части в зависимости от того, для какого аппарата требуется получить необходимые данные, пользователь может увидеть актуальные
значения параметров объекта, смоделированного в UniSim. (рисунок 1).
Приложение состоит из следующих модулей, связанных между собой (рисунок 2). Точкой входа в программу является запуск основного файла manage.py, который является диспетчером процессов. По мере получения информации, и ее сохранения в базе данных, в отдельном файле ведется логирование осуществляемых записей, также предусмотрено сохранение общих логов приложения. Настройка сервера, базы данных и уровень логирования задается в конфигурационном файле.
Анализ временных рядов
Данные цифрового двойника в re^l-time
Сервер для обработки и хранения данных
YR-очки для получения информации real-time Рис. 1. Основной функционал сервера
Рис. 2. Схема WEB-сервера
После запуска сервера, информация о состоянии аппаратов принимается из сторонних источников в формате JSON с помощью технологии REST (Representational State Transfer — «передача состояния представления»), в дальнейшем, эта информация парсится и сохраняется в базе данных. Для отображения WEB-страниц, созданы статические шаблоны, которые принимают текущую информацию, непосредственно во время их открытия. Это позволяет снизить нагрузку на сервер и ускорить его производительность.
Одна из шаблонных страниц является таблицей со списком всех аппаратов, она содержит следующие
Change restrictions
поля: время, когда была создана последняя запись, имя аппарата, параметр, значение которого мы получили, а также значение этого параметра. Таблица имеет возможность автоматического обновления данных, для их мониторинга в режиме реального времени. Также, пользователь может выбрать интересующий его объект из списка и наблюдать за изменением его значений в режиме реального времени. Помимо этого, существует возможность проверки и/или настройки ограничений аппаратов процесса, отслеживание средних и экстремальных значений параметров объекта (рисунок 3).
Work with parameters
GET GRAPHIC
GET TIME STEP
ф
Рис. 3. Пример изменения параметров одного из аппаратов
Для приложения был выбран язык программирования Python, серверная часть, запросы из базы данных и сторонних источников реализованы с помощью фреймворка Django. Для визуализации данных был подключен фреймворк Dash, который направлен для визуализации научных данных. В качестве базы данных используется объектно-реляционная СУБД PostgreSQL и ее расширение TimeseriesDB. Данное расширение позволяет использование технологий создания, так называемых, гипертаблиц, которые упрощают работу с временными рядами и ускоряют запросы и транзакции.
Использование WEB-интерфейса, существенно упрощает взаимодействия между облачными системами хранения информации, а благодаря кроссплатформенности и развитию интернета упрощает удаленный доступ пользователей физического объекта к его цифровой копии. Скрипт, осуществляющей передачу информации из базы данных в среду разработки 3D моделей Unity, написан на языке C#, с использованием библиотеки UnityWebRequest, для настройки клиент-серверного взаимодействия.
Для корректной и универсальной работы сервера, а также для взаимосвязи сред моделирования выбран абстрактный, объектно-ориентированный подход. В результате, была получена модель, которая не зависит от количества и вида объектов, информацию о которых необходимо получить. В связи с этим работа API сервера масштабируема, единственным
условием является одинаковые названия объектов, которые существуют в визуальном интерфейсе и в математической модели. Имя объекта является ключом к получению информации о нем, так как для создания цифрового двойника используется спецификация, в техническом регламенте которой, указаны имена аппаратов.
1.
2.
3.
4.
Список литературы Müller, R., Vette-Steinkamp, M., Hörauf, L., Speicher, C., Burkhard, D. Development of an Intelligent Material Shuttle to Digitize and Connect Production Areas with the Production Process Planning Department. Procedia // CIRP. - 2018 . -vol. 72. - pp. 967-972.
Gianluca Elia, Alessandro Margherita, Claudio Petti An Operational Model to Develop Technology Entrepreneurship "EGO-System" // International Journal of Innovation and Technology Management. - 2016. - vol. 13. - pp. 1-23. Rui He, Guoming Chen ,Che Dong Shufeng, Sun Xiaoyu Shen Data-driven digital twin technology for optimized control in process systems // ISA Transactions. - 2019. - vol. 95. - pp. 221-234. Cheng Y, Zhang Y, Ji P. Cyber-physical integration for moving digital factories forward towards smart manufacturing: a survey // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2018. -№12. - pp. 9-21
