閃速爐虛擬現實生產仿真培訓系統

袁立新

（紫金礦業集團股份有限公司 信息化研發中心，福建 龍巖 364200）

近年來國內銅冶煉公司的閃速爐自動控制系統都引入了計算機優化控制系統(數模軟件)，但閃速爐爐況惡劣的情況時有發生，除了精礦品種復雜成份不穩定等客觀因素外，操作工的生產工藝理論與實踐經驗都很缺乏是重要因素。通過新興的信息軟件與自動化技術——虛擬現實仿真技術建設閃速爐虛擬現實生產仿真培訓系統，可以迅速提高操作工生產工藝理論與實踐的整體水平[1]。

1 系統介紹

1.1 系統基礎（閃速爐自控系統與數模優化控制系統）

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，閃速爐生產工藝參數眾多，互相作用，因此需要使用計算機來優化生產控制系統（簡稱數模軟件），數模軟件基本原理說明如下：

1.1.1 化學反應

造锍反應：2CuFeS2+5/2O2=Cu2S.FeS+FeO+2SO2；

2FeS2+11/2O2=Fe3O4+4SO2；

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

1.1.2 公式推導

質量守恒定律。在穩定狀態下，元素i裝入量=元素i產出量。

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

根據造锍反應和造渣反應的化學方程式，再根據質量守恒定律和能量守恒定律，推導下述物料和能量方程式[2]。

（1）配料計算（MB1、MB2、MB3、MB4）。

MB1根據礦倉輸出的精礦量，渣精礦量、不定物料量及其各自成分，求石英溶劑量，11個變量。

MB2根據當前入爐物料量及其成分，求出銅锍量、渣量、及其所需氧量，10個變量。

MB3根據裝入物料的積算值，求出銅锍產量和銅锍品位，11個變量。

MB4根據銅锍分析值、渣分析值，求出銅锍產量和渣量，2個變量。

（2）熱計算（HB1、HB2）。

HB1根據要求達到的爐內溫度的一定分布，求出反應塔、沉淀池、上升煙道的重油量，用于工藝風、工藝氧、重油量的計算，3個一元一次方程。

HB2根據已知的反應塔油量、沉淀池重油量、上升煙道重油量，求出反應塔、沉淀池、上升煙道的煙氣溫度，3個一元一次方程，用以L/C調整計算。

上述計算公式在數模軟件服務器上自動運行，計算結果直接自動輸入DCS自動控制系統，在線控制功能為操作工減輕了大量的負擔，提供了及時可靠的計算結果。

1.2 系統功能

在生產過程中，操作工必須選擇控制模式（定風、定氧、定油），然后根據實際生產情況對煙氣溫度、自由空氣、硅酸礦比率進行微調。定油模式是最節能的控制模式，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，但是實踐證明，無經驗的操作工在該模式下對微調風和微調氧的機理不甚了了，經常造成下生料的情況，給生產造成不小的損失。

數模軟件服務器存儲了大量的真實歷史數據，操作工的微調行為，在歷史數據都能找到對應的生產結果。

虛擬現實（VR）技術應用于閃速爐操作工培訓，可以讓操作工在逼真的生產環境下進行生產操作（輸入溫度修正、風修正等參數），系統根據數學模型和多年的生產真實歷史數據，檢驗操作工的操作是否會造成生產事故或者達到預期目標（冰銅品位、溫度、渣鐵硅比是否在目標范圍內）。系統讓操作工迅速成長起來的同時，不會造成真實的生產事故（如果有事故也只是發生在運行在電腦里的虛擬生產環境里了）。

本系統不僅能減少無效生產成本，而且培訓不受場地和時間的限制（系統支持多客戶端同時虛擬仿真功能）。

1.3 系統組成

虛擬現實生產仿真培訓系統必須與操作工互動，接受操作工在模擬生產過程中的操作（如輸入修正參數等），又要模擬仿真閃速爐設備的運行狀況及爐內的各種物理化學反應等，并且將各種模擬計算的反應結果實時3D動態顯示在大屏上。

圖2 系統組成

閃速爐實際的化學反應和出銅期、出渣期的時間較長（幾個小時），而系統是使用計算機來計算仿真，幾分鐘之內可以出計算結果，然后通過VR引擎生成3D視景、聲音等數據通過大屏反饋給培訓者，培訓者很快就能對自己的操作行為做出評價和修正，類似虛擬的網絡游戲，“人生”可以重來，“生產”也可以重來[3]。

2 系統結構

本系統由仿真服務器、VR服務器和操作終端構成。其中仿真服務器上存放裝備和生產工藝的數學仿真模型和仿真參數，以及大量的真實生產歷史數據，VR服務器則負責渲染虛擬世界和響應用戶操作，操作終端用于受訓者仿真操作，三者在局域網內通過TCP/IP協議進行通信。

系統的數據流程如圖3所示。

圖3 系統數據流程圖

圖3中的輸入參數由受訓的操作工輸入(模擬現實生產中的參數微調)，系統管理由系統管理員根據需要初始化和修改優化系統各種參數。

3 VR效果圖

鐳星公司建設的紫金銅業紫金銅業VR虛擬現實仿真系統，其中閃速爐部分的效果圖如下。

圖4 閃速爐自控邏輯

該系統的3維尺寸由瑞林設計院和設備廠家的CAD圖紙而來，具備權威性，和瑞林工程公司的閃速爐數模軟件結合，即可開發本文所述的閃速爐虛擬現實仿真培訓系統[4]。

4 系統開發平臺

4.1 硬件組成

音響系統、大屏系統（含矩陣控制器）、高性能圖形工作站、服務器、磁盤陣列、閃速爐優化控制系統（數模軟件）客戶端。

4.2 軟件平臺

鐳星公司的三維虛擬現實(VR)引擎；VC++、C++Builder、OPENGL；中國瑞林工程技術有限公司的閃速爐優化控制系統（數模軟件）離線版， 微軟SQLServer2008。

5 總結

系統使用了可視化技術，將生產現場設備和流程按照真實比例3D顯示在大屏上，將使人把注意力從大量的數據圖表中解放出來，集中分析生產過程中系統產生故障的根本原因，從中找出規律來。促進操作工直觀理解生產工藝原理，快速積累生產操作經驗。

系統使用了虛擬化技術，使得操作工既可以感受到逼真的裝備和生產工藝環節，又不會對現實的裝備和生產環節造成任何影響。更不會因為誤操作而產生安全事故，閃速爐虛擬現實仿真培訓軟件的運用有重大現實意義。