虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)外鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

□ 羅 曄

武鋼有限技術(shù)中心 武漢 430080

1 應(yīng)用背景

在鋼鐵工業(yè)中,傳統(tǒng)的設(shè)備培訓(xùn)往往需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,迫切需要開(kāi)發(fā)一種新型系統(tǒng),對(duì)操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)訣竅進(jìn)行規(guī)范化整理和傳授。為了解決這一問(wèn)題,部分鋼鐵企業(yè)應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，具體包括虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)和虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)兩個(gè)方面。

虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)由學(xué)習(xí)程序和實(shí)習(xí)仿真兩部分組成,在學(xué)習(xí)程序結(jié)束后可以提供實(shí)習(xí)培訓(xùn)。學(xué)習(xí)程序采用數(shù)字化學(xué)習(xí)方式,員工可以隨時(shí)隨地接受教育,對(duì)設(shè)備構(gòu)造、操作步驟、操作方法等進(jìn)行系統(tǒng)化學(xué)習(xí)。實(shí)習(xí)仿真時(shí),應(yīng)用虛擬設(shè)備、控制臺(tái)、控制桿、人機(jī)界面等,模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)際操作培訓(xùn)。比虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)更為超前的是虛擬試運(yùn)行系統(tǒng),鋼鐵企業(yè)的新產(chǎn)線建成之后,都需要進(jìn)行試運(yùn)行和調(diào)試。因此,近年來(lái),虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)在國(guó)外先進(jìn)鋼鐵企業(yè)的發(fā)展也是風(fēng)生水起。

2 虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)

韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵公司自主開(kāi)發(fā)的虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于緊湊式無(wú)頭連鑄連軋產(chǎn)線。此外,意大利達(dá)涅利集團(tuán)在電爐產(chǎn)線、德國(guó)西馬克集團(tuán)在薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線上也采用了虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)。

2.1 緊湊式無(wú)頭連鑄連軋產(chǎn)線

緊湊式無(wú)頭連鑄連軋產(chǎn)線由浦項(xiàng)制鐵公司自主開(kāi)發(fā),成套設(shè)備現(xiàn)用于韓國(guó)光陽(yáng)鋼鐵廠的鋼鐵生產(chǎn),連鑄與熱軋兩道工序融為一體，利用電爐生產(chǎn)薄板產(chǎn)品。這一產(chǎn)線的相關(guān)工藝技術(shù)正在向海外市場(chǎng)推廣,在海外產(chǎn)線建成之前,先采用虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)預(yù)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。緊湊式無(wú)頭連鑄連軋產(chǎn)線采用三維圖紙,細(xì)分為基礎(chǔ)工程、試運(yùn)行和虛擬操作培訓(xùn)三部分,可以為從設(shè)計(jì)到試運(yùn)行全過(guò)程提供每個(gè)步驟所需的解決方案。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作,可以將設(shè)備投產(chǎn)初期的運(yùn)行錯(cuò)誤降至最少,減少不必要的浪費(fèi)[1]。在這個(gè)連鑄、粗軋、精軋等工序合為一體的系統(tǒng)中，采用了西門(mén)子S7 和東芝nv兩種類(lèi)型的可編程序控制器。西門(mén)子S7可編程序控制器采用ISO-on-TCP協(xié)議,與虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)相連接。東芝nv可編程序控制器采用TC-net協(xié)議,通過(guò)實(shí)時(shí)通信與虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)相連接。由于可編程序控制器的順序控制大部分采用50 ms以內(nèi)的周期,因此虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)的仿真實(shí)施周期也盡量在50 ms以內(nèi)。因?yàn)槿S圖像更新時(shí)間主要受到零配件數(shù)量和繪制多邊形函數(shù)數(shù)量的影響,而非三維模型本身容量的影響,所以將軋機(jī)的零配件數(shù)量從36 000個(gè)聚合為120個(gè),使多邊形函數(shù)數(shù)量從1 100萬(wàn)個(gè)減至400萬(wàn)個(gè),然后進(jìn)行三維仿真[2]。根據(jù)模塊化設(shè)備設(shè)定參數(shù),組裝出海外工廠擬建產(chǎn)線的布局,從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始,就對(duì)設(shè)備布局、驅(qū)動(dòng)部件構(gòu)造和行為干涉進(jìn)行檢查。在開(kāi)發(fā)階段,將三維產(chǎn)線與可編程序控制器聯(lián)動(dòng),從而完成控制功能的預(yù)測(cè)試。

2.2 電爐設(shè)備

達(dá)涅利集團(tuán)在電爐設(shè)備正式安裝之前,也運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效測(cè)試[3]。在設(shè)備安裝之前,先采用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建虛擬產(chǎn)線,并將可編程序控制器與虛擬傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置相連接,對(duì)機(jī)械試運(yùn)行狀況進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)這一方法,控制系統(tǒng)工程師可以分析不同產(chǎn)線的運(yùn)行條件,也可以預(yù)先確定設(shè)備機(jī)械間干涉、緊急狀態(tài)或錯(cuò)誤指令對(duì)實(shí)際運(yùn)行的影響。

2.3 薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線

在薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線開(kāi)工建成前,為了進(jìn)行有效試運(yùn)行,西馬克集團(tuán)安裝并測(cè)試了一體化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括從控制桌面到軟件的全部要素,使用以產(chǎn)線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的仿真系統(tǒng),由此在試運(yùn)行之前對(duì)電氣和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與優(yōu)化[4]。仿真系統(tǒng)應(yīng)用于薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線,對(duì)包括運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的設(shè)備行為進(jìn)行建模分析,實(shí)時(shí)顯示出機(jī)械、傳感系統(tǒng)及產(chǎn)品的狀態(tài)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和油壓裝置零配件的分離及接合進(jìn)行模擬,通過(guò)傳感溫度、位置、寬度、厚度等關(guān)鍵參數(shù),跟蹤物料的流向。

3 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)

達(dá)涅利集團(tuán)和西馬克集團(tuán)等鋼鐵設(shè)備制造商在構(gòu)建虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)的同時(shí),也將其應(yīng)用于操作培訓(xùn)之中。浦項(xiàng)制鐵公司則對(duì)主要鋼鐵生產(chǎn)工序開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。借助于虛擬設(shè)備，完成操作所需所有項(xiàng)目的培訓(xùn)，主要包括鋼鐵生產(chǎn)工序的虛擬仿真,以及有關(guān)設(shè)備和操作步驟的數(shù)字化程序,涵蓋高爐、轉(zhuǎn)爐、熱軋和中厚板等關(guān)鍵操作崗位。

3.1 高爐

高爐工序操作培訓(xùn)系統(tǒng)采用了數(shù)字化的學(xué)習(xí)程序和仿真實(shí)習(xí)系統(tǒng)。仿真實(shí)習(xí)系統(tǒng)由仿真設(shè)備、人機(jī)界面、控制臺(tái)等組成。仿真實(shí)習(xí)過(guò)程中,實(shí)習(xí)人員在接收到人機(jī)界面或控制臺(tái)的作業(yè)指令后,將設(shè)備運(yùn)行和仿真模型計(jì)算的結(jié)果分別顯示于人機(jī)界面和虛擬設(shè)備上[5-6]。高爐工序的虛擬培訓(xùn)過(guò)程框圖如圖1所示。仿真采用的虛擬設(shè)備還包括燃料運(yùn)輸設(shè)備、爐頂裝料設(shè)備、熱風(fēng)爐、煤粉設(shè)備、氣體凈化設(shè)備等,各設(shè)備的訓(xùn)練場(chǎng)景可根據(jù)操作步驟進(jìn)行分類(lèi)[7]。實(shí)習(xí)人員在不同場(chǎng)景下按順序進(jìn)行操作培訓(xùn),對(duì)設(shè)備操作有更為深刻的認(rèn)識(shí)。在異常情況出現(xiàn)時(shí),不僅可以維持正常操作,還能及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

▲圖1 高爐工序虛擬培訓(xùn)過(guò)程框圖

3.2 轉(zhuǎn)爐

轉(zhuǎn)爐學(xué)習(xí)程序在普通計(jì)算機(jī)上可以運(yùn)行,采用三維動(dòng)畫(huà)和實(shí)際工序人機(jī)界面相結(jié)合的模式,對(duì)轉(zhuǎn)爐設(shè)備構(gòu)造、工藝流程、管道氣體流向進(jìn)行說(shuō)明和講解，便于操作人員理解設(shè)備構(gòu)造和工藝,學(xué)習(xí)操作方法[8]。轉(zhuǎn)爐工藝虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)由虛擬設(shè)備、虛擬控制臺(tái)、人機(jī)界面等組成。虛擬設(shè)備從實(shí)際煉鋼工序的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)入手,在可變的三維設(shè)備模型上進(jìn)行質(zhì)感設(shè)定、投影、渲染等處理,由此營(yíng)造出與實(shí)際工序相似的操作環(huán)境。虛擬控制臺(tái)參考轉(zhuǎn)爐操作室,根據(jù)不同的培訓(xùn)場(chǎng)景提供相應(yīng)的功能,通過(guò)觸控面板的顯示器進(jìn)行操作,所用控制桿也與現(xiàn)場(chǎng)相似,可以進(jìn)行轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)和大車(chē)運(yùn)動(dòng)的操作,從而給操作者如同現(xiàn)場(chǎng)操作一般的體驗(yàn)。

在虛擬培訓(xùn)實(shí)際操作現(xiàn)場(chǎng)，引入人機(jī)界面系統(tǒng)之后,根據(jù)虛擬設(shè)備培訓(xùn)時(shí)的不同情況,對(duì)可能發(fā)生的各種操作結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用操作數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)出可以預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)爐內(nèi)部反應(yīng)的模型,并進(jìn)行仿真。實(shí)際轉(zhuǎn)爐工序由可編程序控制器控制,而虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)則不需要可編程序控制器控制,在人機(jī)界面系統(tǒng)的作用下就可以啟動(dòng)。

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),今后的改進(jìn)方向是將控制臺(tái)的操作結(jié)果與內(nèi)部反應(yīng)預(yù)測(cè)模型計(jì)算的結(jié)果相結(jié)合,并在人機(jī)界面上顯示出來(lái)。

3.3 連鑄

連鑄工序的數(shù)字化學(xué)習(xí)程序主要針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備及操作進(jìn)行解說(shuō)和動(dòng)畫(huà)展示,包括鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)、中間包、結(jié)晶器、扇形段、火焰切割機(jī)等,操作工序有中間包預(yù)熱、引錠桿插入、結(jié)晶器密封、原板坯切割等[9]。此外,還涉及有關(guān)人機(jī)界面操作步驟等的內(nèi)容。虛擬設(shè)備采用光陽(yáng)鋼鐵廠3-2連鑄機(jī)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型,色彩和質(zhì)感更接近于本體。采用實(shí)時(shí)仿真,借助垂直模型反映中間包滑板控制下的鋼水流量，特別針對(duì)自動(dòng)開(kāi)澆失敗、漏鋼和滲漏等異常情況開(kāi)展必要的培訓(xùn),提升應(yīng)對(duì)能力。

3.4 熱軋

熱軋工序的虛擬培訓(xùn)涵蓋加熱爐、粗軋、精軋、卷曲、精整等工藝步驟。由于熱軋工序大部分為自動(dòng)化操作,板坯頂部進(jìn)入軋機(jī)時(shí),設(shè)備的設(shè)定控制極為重要,因此,培訓(xùn)內(nèi)容主要圍繞設(shè)備的設(shè)定控制展開(kāi),同時(shí)兼具自動(dòng)和手動(dòng)操作轉(zhuǎn)換功能,并對(duì)兩種操作提供相應(yīng)的虛擬培訓(xùn)[10]。

3.5 中厚板

中厚板生產(chǎn)工序的虛擬設(shè)備根據(jù)實(shí)際產(chǎn)線的圖紙而創(chuàng)建,其外形和行為都與實(shí)際產(chǎn)線相似,人機(jī)界面系統(tǒng)和控制臺(tái)也與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作室相同。為了有效積累并傳授有關(guān)中厚板生產(chǎn)的操作步驟和訣竅,對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)工人進(jìn)行了訪談,營(yíng)造貼近實(shí)際的場(chǎng)景。這一工序虛擬培訓(xùn)的操作人員直接運(yùn)用人機(jī)界面和控制臺(tái),學(xué)習(xí)操作步驟和內(nèi)容,在各學(xué)習(xí)階段都會(huì)得到專(zhuān)家對(duì)模擬操作的評(píng)價(jià),確認(rèn)經(jīng)模擬培訓(xùn)的操作人員是否達(dá)到實(shí)機(jī)培訓(xùn)人員的同等水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了減少不必要的反復(fù)試驗(yàn),在實(shí)際設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝之前,有必要采用虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行虛擬設(shè)備和控制程序的預(yù)測(cè)試[11]。與此同時(shí),通過(guò)系統(tǒng)化整理技術(shù)工人的經(jīng)驗(yàn)訣竅,開(kāi)發(fā)出虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)新手進(jìn)行高效培訓(xùn)[12-14]。目前,知名鋼鐵企業(yè)和部分鋼鐵工業(yè)設(shè)備制造商在虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)和虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)方面已經(jīng)取得了一些成果。從今后的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,包括虛擬試運(yùn)行系統(tǒng)和虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)在內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域有望得到進(jìn)一步完善和推廣。