(紅河學(xué)院工學(xué)院，云南 蒙自 661100）程加堂，熊偉，艾莉
                                
    程加堂(1976-）男，河南固始人，講師，碩士，主要從事工業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)智能控制方面的工作。

    摘要：針對(duì)昆明鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司第二軋鋼廠加熱爐在鋼坯加熱過(guò)程中，由于加熱爐爐內(nèi)熱狀態(tài)復(fù)雜，測(cè)溫技術(shù)有限，難以直接測(cè)出被加熱鋼坯的內(nèi)部溫度，以確保適時(shí)出鋼。因此導(dǎo)致鋼坯加熱質(zhì)量不易保證，難以充分發(fā)揮加熱爐的效率，造成能源浪費(fèi)嚴(yán)重，故對(duì)鋼坯加熱狀態(tài)可視化問(wèn)題的研究就顯得非常重要。鑒于此，本文首先運(yùn)用VC++6.0軟件制作鋼坯三維溫度場(chǎng)的虛擬可視化操作界面，并用OpenGL進(jìn)行圖形化表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該圖可以直觀、準(zhǔn)確地反應(yīng)鋼坯的加熱狀態(tài)，達(dá)到對(duì)鋼坯三維熱狀態(tài)可視化監(jiān)控的目的，為實(shí)時(shí)出鋼提供依據(jù)。

    關(guān)鍵詞：鋼坯；三維熱狀態(tài)；可視化；OpenGL

    Abstract: During the process of heating up of the slab in furnace of the second steel mill factory of the Kunming Iron and Steel Company, due to the status complication of the heating slab and limitation of temperature measuring method, it is very difficult to measure directly the temperature of the Steelheating Furnace in order to insure the production of steel. As a result, the quality of slab heating and the efficiency of furnace cannot be guaranteed, which causes the serious waste of energy. Therefore, it is very important to analyze the hot state of slab. In this paper, we make use of VC++6.0 OpenGL to visualize the slab temperature field. The system interface provides nimble and succinct operation in visualization process of the slab temperature field. Experimental results show that visualization figure is able to indicate directly and accurately the heating status of reaction furnace and achieve the visual monitoring of 3D heat status, which therefore provides a basis for insuring steel production.

    Key words: Slab; Three Dimensional Hot State; Visualization; OpenGL 

    昆明鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司第二軋鋼廠加熱爐屬于三段式連續(xù)加熱爐[1]，所采用的控制方案為：加熱爐的三個(gè)加熱段每一溫度段采用兩臺(tái)可編程單回路調(diào)節(jié)器構(gòu)造的雙交叉限幅燃燒控制方案進(jìn)行控制，溫度設(shè)定按工藝要求設(shè)定，PID參數(shù)人工設(shè)定，在工況不穩(wěn)定時(shí)可轉(zhuǎn)為手工操作。該加熱爐在運(yùn)行中穩(wěn)定性較差，能耗較高。為進(jìn)一步提高鋼坯的加熱質(zhì)量、提高加熱爐的效率，在原有燃燒控制系統(tǒng)[2] 的基礎(chǔ)上，依據(jù)熱傳學(xué)知識(shí)采用機(jī)理建模和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)建模相結(jié)合的方法建立鋼坯加熱的模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在保證產(chǎn)量和質(zhì)量[3]的前提下，實(shí)現(xiàn)以鋼坯溫度為目標(biāo)的優(yōu)化預(yù)報(bào)。

    然而，在鋼坯加熱過(guò)程中，預(yù)測(cè)鋼坯加熱溫度需要進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)通過(guò)計(jì)算得出的大量結(jié)果也不夠直觀明確，因此，對(duì)于預(yù)測(cè)鋼坯加熱溫度的科學(xué)計(jì)算可視化問(wèn)題研究就顯得尤為重要。本文采用OpenGL[4-5] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼坯溫度場(chǎng)的可視化(可視化中的某個(gè)加熱時(shí)間點(diǎn)是以鋼坯進(jìn)入加熱爐開始加熱為零點(diǎn)計(jì)時(shí)的），解決了鋼坯加熱溫度預(yù)報(bào)的計(jì)算數(shù)據(jù)量大、工程分析不直觀的問(wèn)題，為實(shí)時(shí)出鋼提供依據(jù)。

    1 可視化界面設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

    (1）利用VC++6.0設(shè)置Op e nGL應(yīng)用接口。在利用OpenGL開發(fā)工具編制應(yīng)用程序之前，首先應(yīng)在工程中添加支持OpenGL的連接庫(kù)與頭文件，在項(xiàng)目工作區(qū)的類視圖中，雙擊CDgwinView，在編輯框中的文件首部添加頭文件，并添加消息函數(shù)到視圖類CDgwinView中。然后，設(shè)置OpenGL支持的Windows窗口風(fēng)格。之后設(shè)置、測(cè)試像素格式并使用渲染描述表。

    (2）利用VC++6.0軟件設(shè)置界面圖。設(shè)計(jì)該界面的簡(jiǎn)要步驟為：① 利用MFC APPWIZARD工具建立一個(gè)單文檔應(yīng)用程序；② 利用資源編輯器制作一個(gè)命令操作對(duì)話框，作為命令操作視圖的界面；③ 為命令操作對(duì)話框建立一個(gè)相應(yīng)的類；④ 在CMAINFRAME中創(chuàng)建一個(gè)CMainFrame:OnCreateClient(）函數(shù)，用于窗口切分，產(chǎn)生相應(yīng)的一個(gè)命令視圖和一個(gè)圖形繪制視圖；⑤ 為命令操作對(duì)話框內(nèi)的每一個(gè)操作構(gòu)件編寫事件處理程序，同時(shí)編寫命令操作對(duì)話框自身的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，使之與每個(gè)操作構(gòu)件變化相對(duì)應(yīng)；⑥ 編寫在圖形繪制視圖內(nèi)顯示的繪圖函數(shù)，使之與命令操作視圖的操作相對(duì)應(yīng)。

    2 鋼坯三維溫度場(chǎng)的虛擬可視化實(shí)現(xiàn)

    2.1 操作界面及其功能

    操作界面的過(guò)程其實(shí)就是旋轉(zhuǎn)、縮放、切割等相應(yīng)編輯框內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置過(guò)程。通過(guò)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)任意角度和位置地觀察鋼坯的熱狀態(tài)。(當(dāng)不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和切割操作參數(shù)輸入時(shí)，輸入時(shí)間后，可視化界面展現(xiàn)的是鋼坯在該時(shí)刻的熱狀態(tài)一個(gè)主視圖。）

    在進(jìn)行圖形的相關(guān)操作時(shí)，只要輸入某項(xiàng)或某幾項(xiàng)操作相關(guān)參數(shù)，每單擊一次“可視化”按鈕，就對(duì)該時(shí)刻的圖形進(jìn)行一次相關(guān)的操作，通過(guò)連續(xù)地單擊“可視化”按鈕，操作就連續(xù)進(jìn)行。點(diǎn)擊“監(jiān)測(cè)”按鈕可隨時(shí)了解鋼坯加熱過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(爐溫、表面溫度、中心溫度）的曲線。共設(shè)計(jì)了6個(gè)操作組合框：旋轉(zhuǎn)操作組合框；縮放操作組合框；切割操作組合框；顏色溫度對(duì)照表組合框；數(shù)值曲線組合框；加熱條件及輸出組合框。

他們的主要作用是：

    (1）旋轉(zhuǎn)操作組合框旋轉(zhuǎn)操作可以讓視圖中鋼坯實(shí)現(xiàn)單獨(dú)繞X軸、Y軸、Z軸方向旋轉(zhuǎn)，以及繞任意兩軸或三軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)。

    ( 2 ） 縮放操作組合框 縮放操作可以讓視圖中鋼坯實(shí)現(xiàn)單獨(dú)沿X軸、沿Y軸、沿Z軸方向縮放，以及沿任意兩軸或三軸同時(shí)縮放。

    ( 3 ） 切割操作組合框 切割操作是通過(guò)使用附加剪切面的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。A，B，C，D為附加剪切面方程中的系數(shù)，即。在編輯窗口中輸入相應(yīng)剪切面的系數(shù)，點(diǎn)擊“可視化實(shí)現(xiàn)”按鈕，可實(shí)現(xiàn)單面和雙面切割。若只輸入該組合框中剪切面1或2任一系數(shù)值， 執(zhí)行單面切割；剪切面1和2的系數(shù)值都輸入，則實(shí)現(xiàn)雙面切割。

    (4）顏色溫度對(duì)照表組合框 顏色溫度對(duì)照表是為了方便對(duì)比查詢圖形繪制視圖中鋼坯加熱狀態(tài)的視圖所代表的鋼坯的三維熱狀態(tài)的數(shù)值范圍。

    (5）數(shù)值曲線組合框 雖然對(duì)應(yīng)相應(yīng)的“顏色溫度對(duì)照表”，可以直觀地了解到鋼坯的加熱情況，但為了更加準(zhǔn)確地掌握鋼坯的加熱狀態(tài)，界面中提供了“監(jiān)測(cè)”功能，讓操作人員隨時(shí)了解鋼坯在整個(gè)加熱過(guò)程的加熱曲線。

    (6）加熱條件及輸出組合框 加熱條件及輸出是向操作人員提供了鋼坯各時(shí)刻的加熱狀態(tài)的具體數(shù)值。

    2.2 鋼坯可視化效果

    根據(jù)前面所述，使用雙面切割并旋轉(zhuǎn)后第7 min的可視化效果如圖1所示。(預(yù)熱段）
   
    實(shí)現(xiàn)圖1的相關(guān)參數(shù)為繞X軸旋轉(zhuǎn)11°，使用剪切面1( -x-2y+4.7=0）和剪切面2( x-y+4=0）。
              
                             圖1  雙面切割并旋轉(zhuǎn)后第7 min的可視化效果圖
   
    雙面切割并旋轉(zhuǎn)后的第21 min的可視化效果如圖2所示。
             
                                圖2   雙面切割并旋轉(zhuǎn)后第21 min的可視化效果圖

      實(shí)現(xiàn)圖2 的相關(guān)參數(shù)為繞X 軸旋轉(zhuǎn)1 3 ° ， 繞Y 軸旋轉(zhuǎn)1 0 ° ； 使用剪切面1 (2x+y+6=0 ） 和剪切面2( -2x+3y+7=0）。

    雙面切割并旋轉(zhuǎn)后的第26 min的可視化效果如圖3所示。
              
                              圖3  雙面切割并旋轉(zhuǎn)后的第26 min的可視化效果圖
   
    實(shí)現(xiàn)圖3 的相關(guān)參數(shù)為繞X軸旋轉(zhuǎn)3 5 ° ， 繞Y軸旋轉(zhuǎn)48°，繞Z軸旋轉(zhuǎn)25°；使用剪切面1( 2x+y+6=0）和剪切面2( -2x+3y+8=0）。

    3 結(jié)束語(yǔ)

    本文建立了鋼坯的三維熱狀態(tài)虛擬現(xiàn)實(shí)可視化系統(tǒng),該系統(tǒng)比較正確地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼坯加熱動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行有效的觀測(cè)，達(dá)到對(duì)鋼坯三維熱狀態(tài)可視化監(jiān)控的目的。在對(duì)鋼坯三維溫度場(chǎng)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)可視化的研究方面，提供了一個(gè)思路。

    因加熱爐內(nèi)實(shí)際環(huán)境復(fù)雜，目前所建的模型是在對(duì)爐內(nèi)鋼坯環(huán)境進(jìn)行了一定的假設(shè)條件下完成的，而熱輻射、爐壁反射是否與現(xiàn)場(chǎng)吻合，鋼坯與導(dǎo)軌接觸時(shí)產(chǎn)生的黑印等實(shí)際工程情況，還需要在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)進(jìn)行必要的修正。同時(shí)該操作界面的功能略顯單一，只能對(duì)鋼坯加熱過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)，還需對(duì)各種功能進(jìn)行進(jìn)一步的強(qiáng)化和細(xì)化。

    其它作者：熊偉(1965-），男，云南人，副教授，主要從事過(guò)程自動(dòng)化方面的工作；艾莉(1978-），女，湖北人，講師，碩士，主要從事過(guò)程自動(dòng)化方面的工作。

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     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第二期