CN106842983A - 一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，首先对前台余热发电工业过程中的各实验对象和场景进行三维虚拟设计与实现；然后建立后台余热发电工业过程的数据模型；最后在前台余热发电工业过程的各实验对象和场景的相应位置设置采集参数输入界面和输出参数显示界面，将采集参数输入界面、输出参数显示界面通过数据传递组件与后台余热发电工业过程的数据模型建立联系；当输入的监控参数实时变动时，余热发电工业过程所控制的过程指标变量会随之实时计算并在前台实时显示。本发明可对余热发电生产过程进行模拟和再现，加深操作人员对实际过程与环境的认识，大大改善生产调度手段，提高工厂管理水平。

Description

一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法

技术领域

本发明涉及一种面向余热发电工业过程的三维动态监控系统的建立方法，属于虚拟技术监控系统技术领域。

背景技术

冶金流程烧结工序能耗约占钢铁企业总能耗的9％～12％，其排放的余热约占烧结总能耗热能的50％。烧结矿在冷却过程中，通过冷却机空气带走的热量占烧结总能耗的30％左右。回收利用这部分热能，对烧结工序的节能降耗具有举足轻重的作用。目前，大部分钢铁企业都在考虑用余热发电节能工艺，来进一步降低烧结能耗。

由于计算机技术、网络技术仪表技术等的迅速发展，使工业控制技术发生了空前的变化，一系列技术已广泛地应用在工业控制上，如现场总线、无线通讯智能控制、基于Web的三层或多层B/S监控模型等。针对冶金、化工等企业数据测点分散的特点，用智能数据采集前端实现生产数据的实时数据采集，并用现场总线通计网络将现场采集前端连接起来构成数据采集网络，通过网络接口将实时生产数据传送到工厂管理网络中，从而构成一个完整的生产调度分布式监控系统，可大大改善生产调度手段，提高工厂管理水平。

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术、前沿学科和研究领域。

监控是一门涉及到多学科的交叉性科学，它包括计算机、控制、仿真、通讯、图像处理等多学科，其中任何一门科学研究的突破，都会给监控系统的建立带来新的发展。虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃，它为监控系统提供了一种全新的实现途径。将虚拟现实技术应用到监控系统中，可以构造一个形象直观、实时性好、具有较强机器智能特点的虚拟三维动态监控系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何将虚拟现实技术应用到监控系统中，以模拟余热发电工业过程，提供一种可对余热发电生产过程进行模拟和再现的三维动态监控系统，加深操作人员对实际过程与环境的认识。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对前台余热发电工业过程中的各实验对象和场景进行三维虚拟设计与实现；

步骤2：建立后台余热发电工业过程的数据模型，完成整个余热发电工业过程的数据计算和分析；

步骤3：在前台余热发电工业过程的各实验对象和场景的相应位置设置采集参数输入界面、预测指标输出界面、实时曲线显示界面，将采集参数输入界面通过数据传递组件与后台余热发电工业过程的数据模型的相应输入参数建立联系，将预测指标输出界面、实时曲线显示界面通过数据传递组件与后台余热发电工业过程的数据模型的相应输出参数建立联系；当输入的监控参数实时变动时，余热发电工业过程所控制的过程指标变量会随之实时计算并在前台实时显示。

优选地，所述步骤1中，前台余热发电工业过程中的实验对象包括热烧结矿输送装置、烧结矿破碎机、竖式冷却炉、鼓风装置、旋转排矿阀、冷烧结矿输送装置、除尘器、引风机、余热锅炉、汽包、除氧器、压力阀门、汽轮发电机。

优选地，所述步骤1的具体实现方法如下：

步骤1.1：选取余热发电工艺设备的基本截面进行草绘，利用几何构型的方式建立余热发电工艺设备各部件的外观属性；

步骤1.2：综合已有的图像信息和图形信息，布置一个三维虚拟工业过程平台场景；根据真实的余热发电生产过程设备的位置、大小、遮挡关系，制作热烧结矿输送装置、烧结矿破碎机、竖式冷却炉、鼓风装置、旋转排矿阀、冷烧结矿输送装置、除尘器、引风机、余热锅炉、汽包、除氧器、压力阀门、汽轮发电机的三维模型；

步骤1.3：将步骤1.2中制作的所有三维模型配合三维实验室地形摆放到场景中，摄像机正对整个三维模型场景，并将整个三维场景囊括进摄像机镜头中；

步骤1.4：在虚拟余热发电工艺过程场景中，制作监控余热发电生产过程中烧结矿传送速度、破碎机转动速度、鼓风装置转动速度、高低压蒸汽参数、余热锅炉参数的脚本；鼠标左键控制场景摄像机旋转脚本；鼠标滚轮控制场景的放大缩小、场景摄像机的上下移动脚本；参数传递控制三维模型位置、方向、删除、添加脚本：文本框显示脚本。

步骤1.5：将脚本附着于对应的三维余热发电工艺生产过程模型上，按照余热发电工业过程的工序串行、并行地将脚本融合在一起；在场景中添加摄像机、灯光、预置模型，并设置模型属性和父子关系；

步骤1.6：设计交互属性可更新的执行脚本，打包发布为可供人机交互操作界面调用的组件。

优选地，所述步骤2中，后台余热发电工业过程的数据模型用于反映高压蒸汽温度和压力、低压蒸汽温度和压力、高压接近点和节点温差、低压接近点和节点温差、以及余热发电系统的发电功率和余热锅炉效率之间的特性关系。

优选地，所述步骤2的具体实现方法如下：将高压蒸汽温度和压力、低压蒸汽温度和压力、高压接近点温差和节点温差、低压接近点温差和节点温差作为实时输入参数变量，将余热锅炉效率、系统发电功率作为过程指标，建立后台余热发电数据和计算模型。

优选地，所述步骤2中，采用支持向量机的学习方法对已有工业数据进行机器学习，该学习方法在MATLAB中进行打包，在Visual Studio中进行调用，进行余热发电工业过程指标的预测。

优选地，所述步骤3的具体实现方法如下：

步骤3.1：将后台余热发电数据模型中的监控参数：高压蒸汽压力和温度、低压蒸汽压力和温度、高压接近点温差和节点温差、低压接近点温差和节点温差，通过数据传递组件传递到前台余热发电三维模拟对象中，建立采集参数输入界面，作为人机交互模块用于输入监控参数；

步骤3.2：将输入的监控参数以数据库存入再读取的方式传递给后台余热发电数据模型；当输入的监控参数进行实时变动时，所控制的过程指标变量会随之实时计算；将余热发电工艺过程采集及计算的参数存入数据库中，在前台建立预测指标输出界面，读取数据库中输入、输出数据，进行三维监控系统的外观显示和参数输出界面文字及数码字体显示。

步骤3.3：读取数据库中的余热发电工业参数蒸汽压力、温度、节点和接近点温差，利用曲线显示工具进行二维曲线绘制，并在前台建立实时曲线显示界面，进行二维曲线显示。

更优选地，所述步骤3.1中，采集参数输入界面中，将高压蒸汽温度输入参数范围设定为6MPa～10MPa，高压蒸汽温度输入参数范围设定为480℃～520℃，低压蒸汽压力输入参数范围设定为0.4MPa～0.8MPa，低压蒸汽温度输入参数范围设定为280℃～330℃，高压节点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，高压接近点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，低压节点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，低压接近点温差的输入参数范围设定为5℃～25℃。

更优选地，所述步骤3.1中，当监控参数输入超出其边界限定值时，数据监控界面将弹出文本框警示，如果无警告，将输入的监控数据存入数据库中。

更优选地，所述步骤3.3中，二维曲线显示具有数据选点、滚动条、波形刷新的功能。

虚拟现实是通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃，它为监控系统提供了一种全新的实现途径。

本发明基于虚拟现实技术和数据建模技术，模拟余热发电工业过程；将虚拟现实技术应用到监控系统中，构造了一个形象直观、实时性好、具有较强机器智能特点的虚拟三维动态监控系统。通过三维引擎技术、搭建场景、实时交互、数据通信等功能，具备逼真的工业参数蒸汽温度、压力、烧结矿传送速度、鼓风机转动等显示效果，同时将监控数据传送给人机交互监控系统。

本发明建立的面向余热发电的三维动态监控系统，可对余热发电生产过程进行模拟和再现，加深操作人员对实际过程与环境的认识，大大改善生产调度手段，提高工厂管理水平。也可方便余热发电工业过程的仿真操作和演习练习平台的搭建，能够进行技能操作仿真和理论学习，同时提供的全新多媒体展示方式使操作人员身临其境地体验余热发电工业流程的真实环境，全面了解余热发电工业生产的相关信息，借以实现操作人员经验的积累和知识的共享。

附图说明

图1为本实施例提供的面向余热发电的三维动态监控系统实现结构示意图；

图2为三维虚拟对象开发流程图；

图3为余热发电过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明提供了一种面向余热发电工业过程的三维动态监控系统的建立方法，包括虚拟余热发电工业过程后台数据模型的建立和模拟；数据库的搭建和配置；前台三维虚拟对象和场景的设计与实现；人机交互模块的创建和应用。

其中，前台余热发电工艺三维虚拟对象中的实施方式如图2所示。虚拟工业对象包括热烧结矿输送装置、烧结矿破碎机、竖式冷却炉、鼓风装置、旋转排矿阀、冷烧结矿输送装置、除尘器、引风机、余热锅炉、汽包、除氧器、压力阀门、汽轮发电机等部件。采用虚拟三维可视化运行器与三维场景交互技术设计，实现步骤如下：

步骤1.1：选取余热发电工业设备的基本截面进行草绘，在取得余热发电设备的长、宽、高数据的基础上，进行结构的拆分，利用几何构型的方式，借助3DMAX或maya三维模型制作软件进行三维建模。

步骤1.2：利用旋转、拉伸车削等操作将基本的圆柱体，圆锥体、长方体、管状体制作成初步成型的余热发电工艺设备。

步骤1.3：修改初步成型的余热发电工艺设备模型各曲面弯曲程度，界面大小等。尽量减少模型面数，并删除看不见的面和没有关联的点，提高贴图的利用率。

步骤1.4：在保证余热发电工艺设备模型失真性小的情况下，对各转弯处进行平滑和优化。

步骤1.5：布置个余热发电设备模型，最后利用阵列、倒角、拔模等操作完成整体制作。

步骤1.6：进行材质和贴图的制作，附着于余热发电设备模型之上，完成渲染工作。

步骤1.7：将制作完的余热发电设备模型进行对应FBX格式文件的导出操作，导出到下述三维交互引擎开发平台工程文件中。

步骤1.8：综合已有的图像信息和图形信息，利用Unity3D平台，布置一个三维虚拟工业平台场景。根据真实的余热发电生产设备的位置、大小遮挡关系，摆放热烧结矿输送装置、烧结矿破碎机、竖式冷却炉、鼓风装置、旋转排矿阀、冷烧结矿输送装置、除尘器、引风机、余热锅炉、汽包、除氧器、压力阀门、汽轮发电机等三维模型。

步骤1.9：在虚拟余热发电工艺过程场景制作监控余热发电生产过程中烧结矿传送速度、破碎机转动速度、鼓风装置转动速度、高低压蒸汽参数、余热锅炉参数的脚本；鼠标左键控制场景摄像机旋转脚本；鼠标滚轮控制场景的放大缩小、场景摄像机的上下移动脚本；参数传递控制三维模型位置、方向、删除、添加脚本：文本框显示脚本。

步骤1.10：确定烧结矿的粒子类型，初始化粒子系统，设置粒子数量、颜色、大小、形状、初始位置。结合烧结矿的运动规律设置其运动规律，制作粒子效果的更新和消亡的脚本。

步骤1.11：将脚本附着于对应的三维余热发电工艺生产过程模型上，按照余热发电工业过程的工序串行、并行地将脚本融合在一起。在场景中添加摄像机、灯光、预置模型，并设置模型属性和父子关系。

步骤1.12：设计交互属性可更新的执行脚本，打包发布为可供人机交互操作界面调用的组件。

其中，后台余热发电数据模型的特征在于反映高压蒸汽温度和压力、低压蒸汽温度和压力、高压接近点和节点温差、低压接近点和节点温差与余热发电系统的发电功率和余热锅炉效率之间的特性关系。如图3所示，实现步骤如下：

步骤2.1：将高压蒸汽温度和压力、低压蒸汽温度和压力、高压接近点温差和节点温差、低压接近点温差和节点温差作为实时输入参数变量，将余热锅炉效率、系统发电功率作为过程指标；建立后台余热发电数据模型。

步骤2.2：采用支持向量机SVM机器学习方法对已有工业数据进行机器学习，其中80％的工业数据进行机器学习，20％的工业数据进行学习测试，损失量小于2％，证明该学习方法相对准确可靠，相比采用BP神经网络机器学习方法误差较小，该学习方法在MATLAB中进行打包，在Visual Studio中进行调用，进行余热发电工业过程指标的预测。

步骤2.3：将完成的数据模型进行动态软件模型的转换，打包完成可由对应交互界面软件制作框架可载入的接口模型。

三维动态监控系统模块包括采集参数输入界面、数据传递组件、预测指标输出界面、实时曲线显示界面，具体实现步骤如下：

步骤3.1：在前台余热发电工业过程的各实验对象和场景的相应位置设置采集参数输入界面、预测指标输出界面、实时曲线显示界面。

采集参数输入界面的特征在于：将监控数据高压蒸汽温度输入参数范围设定为6MPa～10MPa，高压蒸汽温度输入参数范围设定为480℃～520℃，低压蒸汽压力输入参数范围设定为0.4MPa～0.8MPa，低压蒸汽温度输入参数范围设定为280℃～330℃，高压节点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，高压接近点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，低压节点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，低压接近点温差的输入参数范围设定为5℃～25℃。当上述监控参数输入超出其边界限定值时，数据监控界面将弹出文本框警示，如果无警告，将上述监控数据输入存入数据库中。

通过人机交互模块输入监控参数，将输入监控参数以数据库存入再读取的方式传递给后台余热发电数据模型。

将采集得到的余热发电工艺过程参数，高压蒸汽压力和温度、低压蒸汽压力和温度、高压接近点和节点温差、低压接近点和节点温差在人机监控交互界面进行显示，从而运用支持向量机SVM机器学习方法进行对于余热发电过程指标余热发电功率的实时预测显示和控制。

步骤3.2：结合监控系统要求，建立一个体系完整的Access数据库，在数据库基础上实现Winform平台用户的登录和登出。操作人员可通过唯一ID号，作为进出工厂三维动态监控系统的通行证，操作人员可以通过注册帐号完成这一行为，当监控完成后，相应的工业过程数据结果会保存在对应存储设备中。

步骤3.3：读取数据数据库中输出、输出数据，进行三维监控虚拟对象外观显示和参数输出界面文字及数码字体显示。

步骤3.4：读取数据库中的余热发电工业参数蒸汽压力、温度、节点和接近点温差，利用曲线显示工具进行二维曲线显示，其中加入数据选点、滚动条、波形刷新的功能。

Claims (10)

1.一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对前台余热发电工业过程中的各实验对象和场景进行三维虚拟设计与实现；

步骤2：建立后台余热发电工业过程的数据模型，完成整个余热发电工业过程的数据计算和分析；

步骤3：在前台余热发电工业过程的各实验对象和场景的相应位置设置采集参数输入界面、预测指标输出界面、实时曲线显示界面，将采集参数输入界面通过数据传递组件与后台余热发电工业过程的数据模型的相应输入参数建立联系，将预测指标输出界面、实时曲线显示界面通过数据传递组件与后台余热发电工业过程的数据模型的相应输出参数建立联系；当输入的监控参数实时变动时，余热发电工业过程所控制的过程指标变量会随之实时计算并在前台实时显示。

2.如权利要求1所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤1中，前台余热发电工业过程中的实验对象包括热烧结矿输送装置、烧结矿破碎机、竖式冷却炉、鼓风装置、旋转排矿阀、冷烧结矿输送装置、除尘器、引风机、余热锅炉、汽包、除氧器、压力阀门、汽轮发电机。

3.如权利要求1所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法如下：

步骤1.1：选取余热发电工艺设备的基本截面进行草绘，利用几何构型的方式建立余热发电工艺设备各部件的外观属性；

步骤1.2：综合已有的图像信息和图形信息，布置一个三维虚拟工业过程平台场景；根据真实的余热发电生产过程设备的位置、大小、遮挡关系，制作热烧结矿输送装置、烧结矿破碎机、竖式冷却炉、鼓风装置、旋转排矿阀、冷烧结矿输送装置、除尘器、引风机、余热锅炉、汽包、除氧器、压力阀门、汽轮发电机的三维模型；

步骤1.3：将步骤1.2中制作的所有三维模型配合三维实验室地形摆放到场景中，摄像机正对整个三维模型场景，并将整个三维场景囊括进摄像机镜头中；

步骤1.4：在虚拟余热发电工艺过程场景中，制作监控余热发电生产过程中烧结矿传送速度、破碎机转动速度、鼓风装置转动速度、高低压蒸汽参数、余热锅炉参数的脚本；鼠标左键控制场景摄像机旋转脚本；鼠标滚轮控制场景的放大缩小、场景摄像机的上下移动脚本；参数传递控制三维模型位置、方向、删除、添加脚本：文本框显示脚本。

步骤1.5：将脚本附着于对应的三维余热发电工艺生产过程模型上，按照余热发电工业过程的工序串行、并行地将脚本融合在一起；在场景中添加摄像机、灯光、预置模型，并设置模型属性和父子关系；

步骤1.6：设计交互属性可更新的执行脚本，打包发布为可供人机交互操作界面调用的组件。

4.如权利要求1所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤2中，后台余热发电工业过程的数据模型用于反映高压蒸汽温度和压力、低压蒸汽温度和压力、高压接近点和节点温差、低压接近点和节点温差、以及余热发电系统的发电功率和余热锅炉效率之间的特性关系。

5.如权利要求1或4所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法如下：将高压蒸汽温度和压力、低压蒸汽温度和压力、高压接近点温差和节点温差、低压接近点温差和节点温差作为实时输入参数变量，将余热锅炉效率、系统发电功率作为过程指标，建立后台余热发电数据和计算模型。

6.如权利要求5所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤2中，采用支持向量机的学习方法对已有工业数据进行机器学习，该学习方法在MATLAB中进行打包，在Visual Studio中进行调用，进行余热发电工业过程指标的预测。

7.如权利要求5所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法如下：

步骤3.1：将后台余热发电数据模型中的监控参数：高压蒸汽压力和温度、低压蒸汽压力和温度、高压接近点温差和节点温差、低压接近点温差和节点温差，通过数据传递组件传递到前台余热发电三维模拟对象中，建立采集参数输入界面，作为人机交互模块用于输入监控参数；

步骤3.2：将输入的监控参数以数据库存入再读取的方式传递给后台余热发电数据模型；当输入的监控参数进行实时变动时，所控制的过程指标变量会随之实时计算；将余热发电工艺过程采集及计算的参数存入数据库中，在前台建立预测指标输出界面，读取数据库中输入、输出数据，进行三维监控系统的外观显示和参数输出界面文字及数码字体显示。

步骤3.3：读取数据库中的余热发电工业参数蒸汽压力、温度、节点和接近点温差，利用曲线显示工具进行二维曲线绘制，并在前台建立实时曲线显示界面，进行二维曲线显示。

8.如权利要求7所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤3.1中，采集参数输入界面中，将高压蒸汽温度输入参数范围设定为6MPa～10MPa，高压蒸汽温度输入参数范围设定为480℃～520℃，低压蒸汽压力输入参数范围设定为0.4MPa～0.8MPa，低压蒸汽温度输入参数范围设定为280℃～330℃，高压节点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，高压接近点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，低压节点温差输入参数范围设定为5℃～25℃，低压接近点温差的输入参数范围设定为5℃～25℃。

9.如权利要求8所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤3.1中，当监控参数输入超出其边界限定值时，数据监控界面将弹出文本框警示，如果无警告，将输入的监控数据存入数据库中。

10.如权利要求1所述的一种面向余热发电的三维动态监控系统的建立方法，其特征在于：所述步骤3.3中，二维曲线显示具有数据选点、滚动条、波形刷新的功能。