袁立新

（紫金礦業(yè)集團股份有限公司 信息化研發(fā)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(tǒng)都引入了計算機優(yōu)化控制系統(tǒng)(數(shù)模軟件)，但閃速爐爐況惡劣的情況時有發(fā)生，除了精礦品種復雜成份不穩(wěn)定等客觀因素外，操作工的生產(chǎn)工藝理論與實踐經(jīng)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(xiàn)實仿真技術建設閃速爐虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)仿真培訓系統(tǒng)，可以迅速提高操作工生產(chǎn)工藝理論與實踐的整體水平[1]。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)基礎（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，因此需要使用計算機來優(yōu)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)（簡稱數(shù)模軟件），數(shù)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(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)造锍反應和造渣反應的化學方程式，再根據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)裝入物料的積算值，求出銅锍產(chǎn)量和銅锍品位，11個變量。

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

（2）熱計算（HB1、HB2）。

HB1根據(jù)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(jù)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(shù)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(tǒng)，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(tǒng)功能

在生產(chǎn)過程中，操作工必須選擇控制模式（定風、定氧、定油），然后根據(jù)實際生產(chǎn)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(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，但是實踐證明，無經(jīng)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(jīng)常造成下生料的情況，給生產(chǎn)造成不小的損失。

數(shù)模軟件服務器存儲了大量的真實歷史數(shù)據(jù)，操作工的微調行為，在歷史數(shù)據(jù)都能找到對應的生產(chǎn)結果。

虛擬現(xiàn)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(chǎn)環(huán)境下進行生產(chǎn)操作（輸入溫度修正、風修正等參數(shù)），系統(tǒng)根據(jù)數(shù)學模型和多年的生產(chǎn)真實歷史數(shù)據(jù)，檢驗操作工的操作是否會造成生產(chǎn)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(tǒng)讓操作工迅速成長起來的同時，不會造成真實的生產(chǎn)事故（如果有事故也只是發(fā)生在運行在電腦里的虛擬生產(chǎn)環(huán)境里了）。

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

1.3 系統(tǒng)組成

虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)仿真培訓系統(tǒng)必須與操作工互動，接受操作工在模擬生產(chǎn)過程中的操作（如輸入修正參數(shù)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(tài)顯示在大屏上。

圖2 系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡游戲，“人生”可以重來，“生產(chǎn)”也可以重來[3]。

2 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)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(chǎn)工藝的數(shù)學仿真模型和仿真參數(shù)，以及大量的真實生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，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(wǎng)內通過TCP/IP協(xié)議進行通信。

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)由受訓的操作工輸入(模擬現(xiàn)實生產(chǎn)中的參數(shù)微調)，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

鐳星公司建設的紫金銅業(yè)紫金銅業(yè)VR虛擬現(xiàn)實仿真系統(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(shù)模軟件結合，即可開發(fā)本文所述的閃速爐虛擬現(xiàn)實仿真培訓系統(tǒng)[4]。

4 系統(tǒng)開發(fā)平臺

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、服務器、磁盤陣列、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

鐳星公司的三維虛擬現(xiàn)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(yōu)化控制系統(tǒng)（數(shù)模軟件）離線版， 微軟SQLServer2008。

5 總結

系統(tǒng)使用了可視化技術，將生產(chǎn)現(xiàn)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(shù)據(jù)圖表中解放出來，集中分析生產(chǎn)過程中系統(tǒng)產(chǎn)生故障的根本原因，從中找出規(guī)律來。促進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。

系統(tǒng)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(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，又不會對現(xiàn)實的裝備和生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成任何影響。更不會因為誤操作而產(chǎn)生安全事故，閃速爐虛擬現(xiàn)實仿真培訓軟件的運用有重大現(xiàn)實意義。