閃速爐虛擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

袁立新

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 信息化研發(fā)中心，福建 龍巖 364200）

近年來(lái)國(guó)內(nèi)銅冶煉公司的閃速爐自動(dòng)控制系統(tǒng)都引入了計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)(數(shù)模軟件)，但閃速爐爐況惡劣的情況時(shí)有發(fā)生，除了精礦品種復(fù)雜成份不穩(wěn)定等客觀因素外，操作工的生產(chǎn)工藝?yán)碚撆c實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都很缺乏是重要因素。通過(guò)新興的信息軟件與自動(dòng)化技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)建設(shè)閃速爐虛擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，可以迅速提高操作工生產(chǎn)工藝?yán)碚撆c實(shí)踐的整體水平[1]。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)（閃速爐自控系統(tǒng)與數(shù)模優(yōu)化控制系統(tǒng)）

閃速爐主要工藝及自控邏輯如下圖所示。

圖1 閃速爐自控邏輯

從圖中看出，閃速爐生產(chǎn)工藝參數(shù)眾多，互相作用，因此需要使用計(jì)算機(jī)來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱數(shù)模軟件），數(shù)模軟件基本原理說(shuō)明如下：

1.1.1 化學(xué)反應(yīng)

造锍反應(yīng)：2CuFeS2+5/2O2=Cu2S.FeS+FeO+2SO2；

2FeS2+11/2O2=Fe3O4+4SO2；

造 渣 反 應(yīng)：2FeO+SiO2=2FeO.SiO2；FeS+Fe3O4+5SiO2=5（2FeO.SiO2）+SO2。

1.1.2 公式推導(dǎo)

質(zhì)量守恒定律。在穩(wěn)定狀態(tài)下，元素i裝入量=元素i產(chǎn)出量。

能量守恒定律。爐子在穩(wěn)定狀態(tài)下總的熱量平衡，爐子的熱收入=爐子的熱支出+爐子的熱損失。

根據(jù)造锍反應(yīng)和造渣反應(yīng)的化學(xué)方程式，再根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，推導(dǎo)下述物料和能量方程式[2]。

（1）配料計(jì)算（MB1、MB2、MB3、MB4）。

MB1根據(jù)礦倉(cāng)輸出的精礦量，渣精礦量、不定物料量及其各自成分，求石英溶劑量，11個(gè)變量。

MB2根據(jù)當(dāng)前入爐物料量及其成分，求出銅锍量、渣量、及其所需氧量，10個(gè)變量。

MB3根據(jù)裝入物料的積算值，求出銅锍產(chǎn)量和銅锍品位，11個(gè)變量。

MB4根據(jù)銅锍分析值、渣分析值，求出銅锍產(chǎn)量和渣量，2個(gè)變量。

（2）熱計(jì)算（HB1、HB2）。

HB1根據(jù)要求達(dá)到的爐內(nèi)溫度的一定分布，求出反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道的重油量，用于工藝風(fēng)、工藝氧、重油量的計(jì)算，3個(gè)一元一次方程。

HB2根據(jù)已知的反應(yīng)塔油量、沉淀池重油量、上升煙道重油量，求出反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道的煙氣溫度，3個(gè)一元一次方程，用以L/C調(diào)整計(jì)算。

上述計(jì)算公式在數(shù)模軟件服務(wù)器上自動(dòng)運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果直接自動(dòng)輸入DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，在線控制功能為操作工減輕了大量的負(fù)擔(dān)，提供了及時(shí)可靠的計(jì)算結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)功能

在生產(chǎn)過(guò)程中，操作工必須選擇控制模式（定風(fēng)、定氧、定油），然后根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)煙氣溫度、自由空氣、硅酸礦比率進(jìn)行微調(diào)。定油模式是最節(jié)能的控制模式，在不低于正常的礦粉投料量（120T/H）下可以將燃燒的油量定為0，但是實(shí)踐證明，無(wú)經(jīng)驗(yàn)的操作工在該模式下對(duì)微調(diào)風(fēng)和微調(diào)氧的機(jī)理不甚了了，經(jīng)常造成下生料的情況，給生產(chǎn)造成不小的損失。

數(shù)模軟件服務(wù)器存儲(chǔ)了大量的真實(shí)歷史數(shù)據(jù)，操作工的微調(diào)行為，在歷史數(shù)據(jù)都能找到對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)結(jié)果。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)應(yīng)用于閃速爐操作工培訓(xùn)，可以讓操作工在逼真的生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)操作（輸入溫度修正、風(fēng)修正等參數(shù)），系統(tǒng)根據(jù)數(shù)學(xué)模型和多年的生產(chǎn)真實(shí)歷史數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)操作工的操作是否會(huì)造成生產(chǎn)事故或者達(dá)到預(yù)期目標(biāo)（冰銅品位、溫度、渣鐵硅比是否在目標(biāo)范圍內(nèi)）。系統(tǒng)讓操作工迅速成長(zhǎng)起來(lái)的同時(shí)，不會(huì)造成真實(shí)的生產(chǎn)事故（如果有事故也只是發(fā)生在運(yùn)行在電腦里的虛擬生產(chǎn)環(huán)境里了）。

本系統(tǒng)不僅能減少無(wú)效生產(chǎn)成本，而且培訓(xùn)不受場(chǎng)地和時(shí)間的限制（系統(tǒng)支持多客戶端同時(shí)虛擬仿真功能）。

1.3 系統(tǒng)組成

虛擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)必須與操作工互動(dòng)，接受操作工在模擬生產(chǎn)過(guò)程中的操作（如輸入修正參數(shù)等），又要模擬仿真閃速爐設(shè)備的運(yùn)行狀況及爐內(nèi)的各種物理化學(xué)反應(yīng)等，并且將各種模擬計(jì)算的反應(yīng)結(jié)果實(shí)時(shí)3D動(dòng)態(tài)顯示在大屏上。

圖2 系統(tǒng)組成

閃速爐實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)和出銅期、出渣期的時(shí)間較長(zhǎng)（幾個(gè)小時(shí)），而系統(tǒng)是使用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算仿真，幾分鐘之內(nèi)可以出計(jì)算結(jié)果，然后通過(guò)VR引擎生成3D視景、聲音等數(shù)據(jù)通過(guò)大屏反饋給培訓(xùn)者，培訓(xùn)者很快就能對(duì)自己的操作行為做出評(píng)價(jià)和修正，類似虛擬的網(wǎng)絡(luò)游戲，“人生”可以重來(lái)，“生產(chǎn)”也可以重來(lái)[3]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由仿真服務(wù)器、VR服務(wù)器和操作終端構(gòu)成。其中仿真服務(wù)器上存放裝備和生產(chǎn)工藝的數(shù)學(xué)仿真模型和仿真參數(shù)，以及大量的真實(shí)生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，VR服務(wù)器則負(fù)責(zé)渲染虛擬世界和響應(yīng)用戶操作，操作終端用于受訓(xùn)者仿真操作，三者在局域網(wǎng)內(nèi)通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

圖3中的輸入?yún)?shù)由受訓(xùn)的操作工輸入(模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的參數(shù)微調(diào))，系統(tǒng)管理由系統(tǒng)管理員根據(jù)需要初始化和修改優(yōu)化系統(tǒng)各種參數(shù)。

3 VR效果圖

鐳星公司建設(shè)的紫金銅業(yè)紫金銅業(yè)VR虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，其中閃速爐部分的效果圖如下。

圖4 閃速爐自控邏輯

該系統(tǒng)的3維尺寸由瑞林設(shè)計(jì)院和設(shè)備廠家的CAD圖紙而來(lái)，具備權(quán)威性，和瑞林工程公司的閃速爐數(shù)模軟件結(jié)合，即可開(kāi)發(fā)本文所述的閃速爐虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[4]。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

4.1 硬件組成

音響系統(tǒng)、大屏系統(tǒng)（含矩陣控制器）、高性能圖形工作站、服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)（數(shù)模軟件）客戶端。

4.2 軟件平臺(tái)

鐳星公司的三維虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)引擎；VC++、C++Builder、OPENGL；中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司的閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)（數(shù)模軟件）離線版， 微軟SQLServer2008。

5 總結(jié)

系統(tǒng)使用了可視化技術(shù)，將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和流程按照真實(shí)比例3D顯示在大屏上，將使人把注意力從大量的數(shù)據(jù)圖表中解放出來(lái)，集中分析生產(chǎn)過(guò)程中系統(tǒng)產(chǎn)生故障的根本原因，從中找出規(guī)律來(lái)。促進(jìn)操作工直觀理解生產(chǎn)工藝原理，快速積累生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)。

系統(tǒng)使用了虛擬化技術(shù)，使得操作工既可以感受到逼真的裝備和生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，又不會(huì)對(duì)現(xiàn)實(shí)的裝備和生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成任何影響。更不會(huì)因?yàn)檎`操作而產(chǎn)生安全事故，閃速爐虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)軟件的運(yùn)用有重大現(xiàn)實(shí)意義。