虛擬現實技術在國外鋼鐵工業中的應用

□ 羅 曄

武鋼有限技術中心 武漢 430080

1 應用背景

在鋼鐵工業中,傳統的設備培訓往往需要耗費較長時間,迫切需要開發一種新型系統,對操作經驗和技術訣竅進行規范化整理和傳授。為了解決這一問題,部分鋼鐵企業應用了虛擬現實技術，具體包括虛擬試運行系統和虛擬培訓系統兩個方面。

虛擬培訓系統由學習程序和實習仿真兩部分組成,在學習程序結束后可以提供實習培訓。學習程序采用數字化學習方式,員工可以隨時隨地接受教育,對設備構造、操作步驟、操作方法等進行系統化學習。實習仿真時,應用虛擬設備、控制臺、控制桿、人機界面等,模擬現場環境進行實際操作培訓。比虛擬培訓系統更為超前的是虛擬試運行系統,鋼鐵企業的新產線建成之后,都需要進行試運行和調試。因此,近年來,虛擬試運行系統在國外先進鋼鐵企業的發展也是風生水起。

2 虛擬試運行系統

韓國浦項制鐵公司自主開發的虛擬試運行系統已經應用于緊湊式無頭連鑄連軋產線。此外,意大利達涅利集團在電爐產線、德國西馬克集團在薄板坯連鑄連軋產線上也采用了虛擬試運行系統。

2.1 緊湊式無頭連鑄連軋產線

緊湊式無頭連鑄連軋產線由浦項制鐵公司自主開發,成套設備現用于韓國光陽鋼鐵廠的鋼鐵生產,連鑄與熱軋兩道工序融為一體，利用電爐生產薄板產品。這一產線的相關工藝技術正在向海外市場推廣,在海外產線建成之前,先采用虛擬試運行系統對預控制系統進行測試。緊湊式無頭連鑄連軋產線采用三維圖紙,細分為基礎工程、試運行和虛擬操作培訓三部分,可以為從設計到試運行全過程提供每個步驟所需的解決方案。通過在計算機上進行操作,可以將設備投產初期的運行錯誤降至最少,減少不必要的浪費[1]。在這個連鑄、粗軋、精軋等工序合為一體的系統中，采用了西門子S7 和東芝nv兩種類型的可編程序控制器。西門子S7可編程序控制器采用ISO-on-TCP協議,與虛擬試運行系統相連接。東芝nv可編程序控制器采用TC-net協議,通過實時通信與虛擬試運行系統相連接。由于可編程序控制器的順序控制大部分采用50 ms以內的周期,因此虛擬試運行系統的仿真實施周期也盡量在50 ms以內。因為三維圖像更新時間主要受到零配件數量和繪制多邊形函數數量的影響,而非三維模型本身容量的影響,所以將軋機的零配件數量從36 000個聚合為120個,使多邊形函數數量從1 100萬個減至400萬個,然后進行三維仿真[2]。根據模塊化設備設定參數,組裝出海外工廠擬建產線的布局,從設計階段開始,就對設備布局、驅動部件構造和行為干涉進行檢查。在開發階段,將三維產線與可編程序控制器聯動,從而完成控制功能的預測試。

2.2 電爐設備

達涅利集團在電爐設備正式安裝之前,也運用了虛擬現實技術,對控制系統進行有效測試[3]。在設備安裝之前,先采用三維計算機輔助設計軟件構建虛擬產線,并將可編程序控制器與虛擬傳感器、驅動裝置相連接,對機械試運行狀況進行驗證。通過這一方法,控制系統工程師可以分析不同產線的運行條件,也可以預先確定設備機械間干涉、緊急狀態或錯誤指令對實際運行的影響。

2.3 薄板坯連鑄連軋產線

在薄板坯連鑄連軋產線開工建成前,為了進行有效試運行,西馬克集團安裝并測試了一體化控制系統。系統包括從控制桌面到軟件的全部要素,使用以產線設計數據為基礎的仿真系統,由此在試運行之前對電氣和自動化系統進行測試與優化[4]。仿真系統應用于薄板坯連鑄連軋產線,對包括運動學和動力學在內的設備行為進行建模分析,實時顯示出機械、傳感系統及產品的狀態。對發動機和油壓裝置零配件的分離及接合進行模擬,通過傳感溫度、位置、寬度、厚度等關鍵參數,跟蹤物料的流向。

3 虛擬培訓系統

達涅利集團和西馬克集團等鋼鐵設備制造商在構建虛擬試運行系統的同時,也將其應用于操作培訓之中。浦項制鐵公司則對主要鋼鐵生產工序開發了相應的虛擬培訓系統。借助于虛擬設備，完成操作所需所有項目的培訓，主要包括鋼鐵生產工序的虛擬仿真,以及有關設備和操作步驟的數字化程序,涵蓋高爐、轉爐、熱軋和中厚板等關鍵操作崗位。

3.1 高爐

高爐工序操作培訓系統采用了數字化的學習程序和仿真實習系統。仿真實習系統由仿真設備、人機界面、控制臺等組成。仿真實習過程中,實習人員在接收到人機界面或控制臺的作業指令后,將設備運行和仿真模型計算的結果分別顯示于人機界面和虛擬設備上[5-6]。高爐工序的虛擬培訓過程框圖如圖1所示。仿真采用的虛擬設備還包括燃料運輸設備、爐頂裝料設備、熱風爐、煤粉設備、氣體凈化設備等,各設備的訓練場景可根據操作步驟進行分類[7]。實習人員在不同場景下按順序進行操作培訓,對設備操作有更為深刻的認識。在異常情況出現時,不僅可以維持正常操作,還能及時采取應對措施。

▲圖1 高爐工序虛擬培訓過程框圖

3.2 轉爐

轉爐學習程序在普通計算機上可以運行,采用三維動畫和實際工序人機界面相結合的模式,對轉爐設備構造、工藝流程、管道氣體流向進行說明和講解，便于操作人員理解設備構造和工藝,學習操作方法[8]。轉爐工藝虛擬培訓系統由虛擬設備、虛擬控制臺、人機界面等組成。虛擬設備從實際煉鋼工序的三維計算機輔助設計數據入手,在可變的三維設備模型上進行質感設定、投影、渲染等處理,由此營造出與實際工序相似的操作環境。虛擬控制臺參考轉爐操作室,根據不同的培訓場景提供相應的功能,通過觸控面板的顯示器進行操作,所用控制桿也與現場相似,可以進行轉爐傾動和大車運動的操作,從而給操作者如同現場操作一般的體驗。

在虛擬培訓實際操作現場，引入人機界面系統之后,根據虛擬設備培訓時的不同情況,對可能發生的各種操作結果進行預測。利用操作數據開發出可以預測轉爐內部反應的模型,并進行仿真。實際轉爐工序由可編程序控制器控制,而虛擬培訓系統則不需要可編程序控制器控制,在人機界面系統的作用下就可以啟動。

通過仿真發現,今后的改進方向是將控制臺的操作結果與內部反應預測模型計算的結果相結合,并在人機界面上顯示出來。

3.3 連鑄

連鑄工序的數字化學習程序主要針對關鍵設備及操作進行解說和動畫展示,包括鋼包回轉臺、中間包、結晶器、扇形段、火焰切割機等,操作工序有中間包預熱、引錠桿插入、結晶器密封、原板坯切割等[9]。此外,還涉及有關人機界面操作步驟等的內容。虛擬設備采用光陽鋼鐵廠3-2連鑄機三維計算機輔助設計模型,色彩和質感更接近于本體。采用實時仿真,借助垂直模型反映中間包滑板控制下的鋼水流量，特別針對自動開澆失敗、漏鋼和滲漏等異常情況開展必要的培訓,提升應對能力。

3.4 熱軋

熱軋工序的虛擬培訓涵蓋加熱爐、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化操作,板坯頂部進入軋機時,設備的設定控制極為重要,因此,培訓內容主要圍繞設備的設定控制展開,同時兼具自動和手動操作轉換功能,并對兩種操作提供相應的虛擬培訓[10]。

3.5 中厚板

中厚板生產工序的虛擬設備根據實際產線的圖紙而創建,其外形和行為都與實際產線相似,人機界面系統和控制臺也與現場實際操作室相同。為了有效積累并傳授有關中厚板生產的操作步驟和訣竅,對經驗豐富的技術工人進行了訪談,營造貼近實際的場景。這一工序虛擬培訓的操作人員直接運用人機界面和控制臺,學習操作步驟和內容,在各學習階段都會得到專家對模擬操作的評價,確認經模擬培訓的操作人員是否達到實機培訓人員的同等水平。

4 結束語

為了減少不必要的反復試驗,在實際設備進行現場安裝之前,有必要采用虛擬試運行系統進行虛擬設備和控制程序的預測試[11]。與此同時,通過系統化整理技術工人的經驗訣竅,開發出虛擬培訓系統對新手進行高效培訓[12-14]。目前,知名鋼鐵企業和部分鋼鐵工業設備制造商在虛擬試運行系統和虛擬培訓系統方面已經取得了一些成果。從今后的發展趨勢來看,包括虛擬試運行系統和虛擬培訓系統在內的虛擬現實技術在鋼鐵工業領域有望得到進一步完善和推廣。