一、簡介
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)品開發(fā)過程所有階段，正面臨著眾多的挑戰(zhàn) -- 縮短開發(fā)周期、管理全球供應(yīng) 鏈、激烈的競爭和日益復(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，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放 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在硬件級別集成多系統(tǒng)，從依賴單一供應(yīng)商情況解放出來，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)化過程控制一直使用簡單的二維(2D)圖形，這是多年來一直使用的方法。把最優(yōu)化的三維(3D)圖形引入過程控制應(yīng)用，很多企業(yè)都看到升級現(xiàn)有系統(tǒng)能夠帶來增加值。現(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)場的情況。把過程數(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)由成千上萬3D愛好者、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;不斷增長的全球影響力降低了原型的成本;以及越來越多的預(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。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)而在垂直市場獲得青睞。隨著標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的增長，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)步在介紹和評論，技術(shù)的優(yōu)勢在討論和分享。
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，允許用戶對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行修改，幾乎沒有任何研究和先前開銷。
? 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可以訪問集成組件的一組強(qiáng)大套件。
? DeskArtes ViewExpert?：提供用于查看、驗(yàn)證、測量和通信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(Warehouse)：提供來自Google 3D建模程序的DAE和草圖模型。以及許多其他解決方案，滿足不斷增長的市場需求。
對于專業(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)。對于實(shí)時(shí)運(yùn)行圖形HMI / SCADA軟件，采取了說明，已經(jīng)從可視化仿真行業(yè)轉(zhuǎn)移到對文件存儲(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，更在于對現(xiàn)實(shí)世界的視圖操作。操作員可以通過從任何角度查看所有資產(chǎn)，系統(tǒng)帶來的報(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。
今天和未來的HMI/ SCADA軟件不僅能提供過程控制和數(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看到和感知深度、透視和形式。
產(chǎn)品都以3D的形式問世、交付。工藝和技術(shù)不斷改進(jìn)，無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)際工作條件下的過程 --不應(yīng)該是一個(gè)簡單的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 。
在HMI上用3D顯示可以帶來下列好處：
? 降低生產(chǎn)成本和減小將產(chǎn)品推向市場時(shí)間;
? 加快復(fù)雜的決策過程;
? 查看產(chǎn)品的概念，每個(gè)階段的設(shè)計(jì)和開發(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)庫系統(tǒng)的互操作。
這使得工廠現(xiàn)場的標(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(DA)、OPC報(bào)警和事件(A&E)和OPC 歷史數(shù)據(jù)訪問(HDA)允許從工廠和設(shè)施安全、開放地連接到企業(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)開發(fā)的圖形硬件芯片通過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)記語言)，用于富用戶界面的開發(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。
XAML帶給WPF的具體優(yōu)勢為XAML是 一個(gè)完全的聲明性語言。作為結(jié)果，開發(fā)人員(或設(shè)計(jì)師)描述的行為和組件集成無需編程。這使沒有傳統(tǒng)編程經(jīng)驗(yàn)的人，可以創(chuàng)建整個(gè)應(yīng)用，無需編程。
雖然整個(gè)應(yīng)用完全用XAML建立是罕見的，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)用開發(fā)周期。使用XAML來開發(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)備控制操作員對傳統(tǒng)的2D圖形進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，通過把實(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HMI可視化系統(tǒng)的自動(dòng)生成成為一個(gè)簡單的過程。
（轉(zhuǎn)載）
