CN114360094B - 一种大型轧机三维可视化实现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型轧机三维可视化实现方法及系统，确定轧机设备本体数据和生产过程中的工艺状态数据的数据类型；确定设备数据种类；确定工艺状态数据种类；设备本体的监测数据通过多个传感器实时采集，对系统的数据设定统一的数据通信与转换标准，传输到云中心进行存储和处理，实现多源异构数据的集成和融合。本发明在三维模型驱动和多源数据交互融合驱动下，建立设备数字孪生体，通过可视化系统从多方向、多维度地展现设备信息，实现员工虚拟拆装过程培训展示和轧机生产动态可视化监控，帮助管理者实时掌握设备运行状态和工作参数，及时做出决策调整生产计划，提高设备运维管理的灵活性与直观性。

Description

一种大型轧机三维可视化实现方法及系统

技术领域

本发明涉及属于冶金工业设备的智能制造技术领域，尤其涉及一种大型轧机三维可视化实现方法及系统。

背景技术

轧机是实现金属轧制过程的设备，大型轧机可以完成板材轧制的全过程。目前的轧机主要由主电机、机架、压下装置、传动装置、润滑系统、控制系统和装辊装置等组成。

轧机的控制过程主要通过远程PLC控制以及近端手动控制等等。对于轧机运行过程的监控，主要是通过远程界面监控，由监控人员监测界面的数字来实现。由于轧机监控数据显示的仅仅是数字，导致监控人员仅能从数字来判断轧机的运行状态。而有的为了体现轧机的运行过程，在界面上增加了曲线图，或者柱状图，但是还是仅仅由单一的状态数据来显示轧机的运行状态。

在轧机生产过程中如果出现原料变化频繁，工况波动剧烈、机理复杂特征下，无法有效的进行展示，无法让监控人员全面了解轧机的状态，容易出现监控不到位，造成轧机运行故障或者轧制过程中出现不合格产品。

发明内容

本发明提供一种大型轧机三维可视化实现方法，方法能实时展示轧机设备各种状态信息的三维可视化平台，从而提高轧机设备生产过程的透明程度和管理控制水平。

方法包括：步骤一、确定轧机设备本体数据和生产过程中的工艺状态数据的数据类型；

步骤二、确定设备数据种类；

步骤三、确定工艺状态数据种类；

步骤四、通过多个传感器实时采集设备本体的运行数据；

步骤五、将工艺轧制模型下发数据与轧件监测数据共同融合纠错后形成工艺状态数据；

步骤六、对系统数据设定为统一的通信转换标准，由PLC通过OPCUA实现多源异构数据统一转换与封装，传输到云中心进行存储和处理，实现多源异构数据的集成和融合。

进一步需要说明的是，方法还包括构建设备孪生虚拟体的方法步骤：

获取轧机纸质图纸和电子版图纸；

获取现场设备不同部位和角度照片；

现场录制钢坯轧制过程不同阶段视频；

绘制轧钢工艺流程图，统计不同钢种工艺数据，为可视化模型驱动提供数据支撑。

进一步需要说明的是，以轧机本体入口侧机架辊面为基准面对轧机本体、压下系统、支撑辊、工作辊、传动系统进行零件级三维建模；

轧机部件外的其它部件和周边环境进行示意级三维建模；

设备三维建模模型具备几何、物理、行为规则等多个维度的联系关系，能够从结构和功能上进行融合。

进一步需要说明的是，构建轧机设备三维可视化轧机孪生虚拟体，其与实体设备形成对应关系；

以轧机设备本体某一点为坐标原点，设备内的任一零件相对于该设备孪生体空间坐标值是一个常量，具有唯一性。

进一步需要说明的是，孪生虚拟体包括设备三维模型驱动的初始孪生体与设备三维模型、设备动态数据、静态数据和工艺过程数据融合驱动的数字孪生体；

初始孪生体包含轧机物理模型、几何模型、材料模型的多尺度、多层次、多时间、多维度、多尺寸集成模型，含有高维零件级设备三维模块、部件级低维模块和设备性能模块，该模型能与设备同步映射，以便综合反映设备的内部结构和实时状态。

进一步需要说明的是，数字孪生体以Unity3D软件构建高仿真环境，将Solidworks中构建好的轧机模型进行平衡渲染逼真效果和模型体积轻量化后导入Unity3D软件中，通过设备数据和实时生产过程数据驱动轧机设备模型进行高真度仿真，依据建立设备运行逻辑和工艺流程数据与模型的通信，通过OPCUA协议，实现与云平台数据库和传感器的连接，形成虚实映射关系，实现对三维可视化模型的动态驱动。

进一步需要说明的是，步骤二中设备数据种类包括主电机电压、电流、转矩和温度，冷却水温度、流量，轧机重要部件转动轴承的温度、油温、油压等参数。

步骤三中的工艺状态数据包括钢坯编号、材质、外形尺寸、压下量、辊缝、轧制力等相关参数。

本发明还提供一种大型轧机三维可视化实现系统，系统包括：建模数据获取模块、轧机数据集成构建模块以及三维建模模块；

建模数据获取模块用于获取轧机纸质图纸和电子版图纸，获取现场设备不同部位和角度照片，现场录制钢坯轧制过程不同阶段视频，绘制轧钢工艺流程图，统计不同钢种工艺数据，为可视化模型驱动提供数据支撑；

轧机数据集成构建模块用于通过多个传感器实时采集设备本体的监测数据；对系统的数据设定统一的数据通信与转换标准，由PLC通过OPCUA实现多源异构数据统一转换与封装，传输到云中心进行存储和处理，实现多源异构数据的集成和融合；

三维建模模块用于将Solidworks中构建好的轧机模型进行平衡渲染逼真效果和模型体积轻量化后导入Unity3D软件中，通过设备数据和实时生产过程数据驱动轧机设备模型进行高真度仿真，依据建立设备运行逻辑和工艺流程数据与模型的通信，通过OPCUA协议，实现与云平台数据库和传感器的连接，形成虚实映射关系，实现对三维可视化模型的动态驱动。

进一步需要说明的是，系统还包括：输出模块和终端机；

输出模块基于浏览B/S模式将轧机三维可视化推送给终端机显示；

用户根据需求通过终端机访问系统进行查看，并对设备或设备运行系统的实际运行状况进行监控；将设备的实时数据与历史数据进行对比功能，形成一个自主监控模型，当设备性能变化超出阈值时，系统推送预警结果到终端机；同时系统按照用户的定制化要求，配置数据表格输出和数据输出功能。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明的系统及方法针对轧机设备运行环境复杂、工艺过程控制不易观察的状况，选取主流三维可视化开发平台构建部件级和示意级三维设备模型，融合现场环境，确定设备三维空间定位，在三维模型驱动和多源数据交互融合驱动下，建立设备数字孪生体，通过可视化系统从多方向、多维度地展现设备信息，实现员工虚拟拆装过程培训展示和轧机生产动态可视化监控，帮助管理者实时掌握设备运行状态和工作参数，及时做出决策调整生产计划，提高设备运维管理的灵活性与直观性。

本发明提供的大型轧机三维可视化实现方法及系统实现客户个性化定制、大规模生产、高品质制造、可持续制造，以信息驱动闭环控制、系统进化与自学习、人与机器融合以及虚拟物理融合等为特性的智能制造被提出并得到钢铁行业的重视。设备与数据是智能制造的核心单元，也是执行制造活动的基础，数字孪生技术可以很好的将设备与数据进行有效结合，实现物理设备的数字化表达，并将实时采集到的设备状态、工艺流程、生产进度等信息以可视化的形式展示出来，让人能对设备运行状态有清楚的了解，从而进行有效把控，提高设备生产过程的透明程度和管理控制水平。

在轧机生产过程中原料变化频繁，工况波动剧烈、机理复杂特征下，基于数字孪生技术构建大型轧机实时性好、易用普适性强、沉浸感强、能实时展示轧机设备各种状态信息的三维可视化平台，从而提高轧机设备生产过程的透明程度和管理控制水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为大型轧机三维可视化实现方法流程图；

图2为大型轧机三维可视化实现系统示意图；

图3为大型轧机三维可视化实现系统实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的大型轧机三维可视化实现方法及系统中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明提供的大型轧机三维可视化实现方法及系统的附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本发明提供的大型轧机三维可视化实现方法及系统中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

如图1所示，本发明提供的大型轧机三维可视化实现方法，方法包括：

S101、确定轧机设备本体数据和生产过程中的工艺状态数据的数据类型；

S102、确定设备数据种类；

S103、确定工艺状态数据种类；

S104、通过多个传感器实时采集设备本体的运行数据；

S105、将工艺轧制模型下发数据与轧件监测数据共同融合纠错后形成工艺状态数据；

S106、对系统数据设定为统一的通信转换标准，由PLC通过OPCUA实现多源异构数据统一转换与封装，传输到云中心进行存储和处理，实现多源异构数据的集成和融合。

本发明以2500mm-5000mm轧机实体来实现三维可视化举例来讲，具体方式如下：

基于数字孪生技术的大型轧机三维可视化系统：系统基于数据处理模型、设备三维模型、孪生虚拟体、可视化显示模型来实现三维可视化。

其中，先确定轧机设备本体数据和生产过程中的工艺状态数据的数据类型，

再确定设备数据种类，包括主电机电压、电流、转矩和温度，冷却水温度、流量，轧机重要部件转动轴承的温度、油温、油压等参数。

确定工艺状态数据种类，包括钢坯编号、材质、外形尺寸、压下量、辊缝、轧制力等相关参数。

通过多个传感器实时采集设备本体的监测数据，对于工艺状态数据来讲，是由工艺轧制模型下发数据与轧件监测数据共同融合纠错后的调整数据，为了保证孪生虚拟体能够实时迭代优化，上述数据设定统一的数据通信与转换标准，由PLC通过OPCUA(UnifiedArchitecture,统一架构)实现多源异构数据统一转换与封装，传输到云中心进行存储和处理，实现多源异构数据的集成和融合。

进一步的讲，本发明在实现三维可视化前，先整理轧机纸质图纸和电子版图纸，为设备部件级和零件级建模提供基础材料，为三维孪生体设计提供支撑。

准备现场设备不同部位和角度照片，包括轧机设备本体、轧机机架辊、出入口辊道、推床、轧机周边厂房，为三维设备背景渲染创造条件；现场录制钢坯轧制过程不同阶段视频，为轧机三维数字孪生体设计研究提供流程演示及工艺指导。

绘制轧钢工艺流程图，统计不同钢种工艺数据，为可视化模型驱动提供数据支撑。

以轧机本体入口侧机架辊面为基准面对轧机本体、压下系统、支撑辊、工作辊、传动系统进行零件级三维建模；上述轧机部件外的其它部件和周边环境进行示意级三维建模；设备三维建模模型具备几何、物理、行为规则等多个维度的联系关系，能够从结构和功能上进行融合。

构建轧机设备三维可视化轧机孪生虚拟体，其与实体设备形成对应关系。即以轧机设备本体某一点为坐标原点，轧机设备孪生体也已这一点为另一坐标原点，设备内的任一零件相对于该设备孪生体空间坐标值是一个常量，具有唯一性。孪生虚拟体包括设备三维模型驱动的初始孪生体与设备三维模型、设备动态数据、静态数据和工艺过程数据融合驱动的数字孪生体；初始孪生体包含轧机物理模型、几何模型、材料模型的多尺度、多层次、多时间、多维度、多尺寸集成模型，含有高维零件级设备三维模块、部件级低维模块和设备性能模块，该模型能与设备同步映射，以便综合反映设备的内部结构和实时状态；数字孪生体以Unity3D软件构建高仿真环境，将Solidworks中构建好的轧机模型进行平衡渲染逼真效果和模型体积轻量化后导入Unity3D软件中，通过设备数据和实时生产过程数据驱动轧机设备模型进行高真度仿真，依据建立设备运行逻辑和工艺流程数据与模型的通信，通过OPCUA协议，实现与云平台数据库和传感器的连接，形成虚实映射关系，实现对三维可视化模型的动态驱动；上述数据包含静态数据和动态数据，如工作辊支撑辊的尺寸、钢坯重量、材质等静态数据制作成系统配置文件，压下量、辊缝、轧制力、温度等动态数据采用xlsx配置文件方式来模拟动态数据的接入过程，以映射钢坯轧制过程。

作为本发明的系统及方法针对轧机设备运行环境复杂、工艺过程控制不易观察的状况，选取主流三维可视化开发平台构建部件级和示意级三维设备模型，融合现场环境，确定设备三维空间定位，在三维模型驱动和多源数据交互融合驱动下，建立设备数字孪生体，通过可视化系统从多方向、多维度地展现设备信息，实现员工虚拟拆装过程培训展示和轧机生产动态可视化监控，帮助管理者实时掌握设备运行状态和工作参数，及时做出决策调整生产计划，提高设备运维管理的灵活性与直观性。

基于上述方法本发明还提供一种大型轧机三维可视化实现系统，如图2和图3所示，系统包括：建模数据获取模块1、轧机数据集成构建模块2以及三维建模模块3；

建模数据获取模块1用于获取轧机纸质图纸和电子版图纸，获取现场设备不同部位和角度照片，现场录制钢坯轧制过程不同阶段视频，绘制轧钢工艺流程图，统计不同钢种工艺数据，为可视化模型驱动提供数据支撑；

轧机数据集成构建模块2用于通过多个传感器实时采集设备本体的监测数据；对系统的数据设定统一的数据通信与转换标准，由PLC通过OPCUA实现多源异构数据统一转换与封装，传输到云中心进行存储和处理，实现多源异构数据的集成和融合；

三维建模模块3用于将Solidworks中构建好的轧机模型进行平衡渲染逼真效果和模型体积轻量化后导入Unity3D软件中，通过设备数据和实时生产过程数据驱动轧机设备模型进行高真度仿真，依据建立设备运行逻辑和工艺流程数据与模型的通信，通过OPCUA协议，实现与云平台数据库和传感器的连接，形成虚实映射关系，实现对三维可视化模型的动态驱动。

系统还包括：输出模块4和终端机5；输出模块4基于浏览B/S模式将轧机三维可视化推送给终端机5显示；

用户根据需求通过终端机5访问系统进行查看，并对设备或设备运行系统的实际运行状况进行监控；将设备的实时数据与历史数据进行对比功能，形成一个自主监控模型，当设备性能变化超出阈值时，系统推送预警结果到终端机5；同时系统按照用户的定制化要求，配置数据表格输出和数据输出功能。

也就是说系统可视化显示模型的图像输出及浏览基于B/S(Browser/Server浏览器-服务器)模式推送到终端机5；为保证模型的安全性以及降低客户端所需硬件要求，将终端机5的应用程序模块与显示功能分离；管理人员可根据需求在终端机5访问该系统或通过电视及其他显示设备进行查看，并对设备或设备运行系统的实际运行状况进行监控。同时系统按照管理人员的定制化要求，具备数据表格输出和数据输出功能，为提高管理水平提供数据支撑。

本发明提供的大型轧机三维可视化实现方法及系统是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属技术领域的技术人员能够理解，本发明提供的大型轧机三维可视化各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本公开的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

本发明提供的大型轧机三维可视化实现方法及系统可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种大型轧机三维可视化实现方法，其特征在于，方法包括：

步骤一、确定轧机设备本体数据和生产过程中的工艺状态数据的数据类型；

步骤二、确定设备数据种类；

步骤三、确定工艺状态数据种类；

步骤四、通过多个传感器实时采集设备本体的运行数据；

步骤五、将工艺轧制模型下发数据与轧件监测数据共同融合纠错后形成工艺状态数据；

步骤六、对系统数据设定为统一的通信转换标准，由PLC通过OPCUA实现多源异构数据统一转换与封装，传输到云中心进行存储和处理，实现多源异构数据的集成和融合；

方法还包括构建设备孪生虚拟体的方法步骤：

获取轧机纸质图纸和电子版图纸；

获取现场设备不同部位和角度照片；

现场录制钢坯轧制过程不同阶段视频；

绘制轧钢工艺流程图，统计不同钢种工艺数据，为可视化模型驱动提供数据支撑；

构建轧机设备三维可视化轧机孪生虚拟体，其与实体设备形成对应关系；

以轧机设备本体某一点为坐标原点，设备内的任一零件相对于该设备孪生虚拟体空间坐标值是一个常量，具有唯一性；

孪生虚拟体包括设备三维模型驱动的初始孪生体与设备三维模型、设备动态数据、静态数据和工艺过程数据融合驱动的数字孪生体；

数字孪生体以Unity3D软件构建高仿真环境，将Solidworks中构建好的轧机模型进行平衡渲染逼真效果和模型体积轻量化后导入Unity3D软件中，通过设备数据和实时生产过程数据驱动轧机设备模型进行高真度仿真，依据建立设备运行逻辑和工艺流程数据与模型的通信，通过OPCUA协议，实现与云平台数据库和传感器的连接，形成虚实映射关系，实现对三维可视化模型的动态驱动；

初始孪生体包含轧机物理模型、几何模型、材料模型的多尺度、多层次、多时间、多维度、多尺寸集成模型，含有高维零件级设备三维模块、部件级低维模块和设备性能模块，该模型能与设备同步映射，以便综合反映设备的内部结构和实时状态。

2.根据权利要求1所述的大型轧机三维可视化实现方法，其特征在于，

以轧机本体入口侧机架辊面为基准面对轧机本体、压下系统、支撑辊、工作辊、传动系统进行零件级三维建模；

轧机部件外的其它部件和周边环境进行示意级三维建模；

设备三维建模模型具备几何、物理、行为规则多个维度的联系关系，能够从结构和功能上进行融合。

3.根据权利要求1所述的大型轧机三维可视化实现方法，其特征在于，

步骤二中设备数据种类包括主电机电压、电流、转矩和温度，冷却水温度、流量，轧机重要部件转动轴承的温度、油温、油压参数。

4.根据权利要求1所述的大型轧机三维可视化实现方法，其特征在于，步骤三中的工艺状态数据包括钢坯编号、材质、外形尺寸、压下量、辊缝、轧制力相关参数。

5.一种大型轧机三维可视化实现系统，其特征在于，系统采用如权利要求1至4任意一项所述的大型轧机三维可视化实现方法；

系统包括：建模数据获取模块、轧机数据集成构建模块以及三维建模模块；

建模数据获取模块用于获取轧机纸质图纸和电子版图纸，获取现场设备不同部位和角度照片，现场录制钢坯轧制过程不同阶段视频，绘制轧钢工艺流程图，统计不同钢种工艺数据，为可视化模型驱动提供数据支撑；

轧机数据集成构建模块用于通过多个传感器实时采集设备本体的监测数据；对系统的数据设定统一的数据通信与转换标准，由PLC通过OPCUA实现多源异构数据统一转换与封装，传输到云中心进行存储和处理，实现多源异构数据的集成和融合；

三维建模模块用于将Solidworks中构建好的轧机模型进行平衡渲染逼真效果和模型体积轻量化后导入Unity3D软件中，通过设备数据和实时生产过程数据驱动轧机设备模型进行高真度仿真，依据建立设备运行逻辑和工艺流程数据与模型的通信，通过OPCUA协议，实现与云平台数据库和传感器的连接，形成虚实映射关系，实现对三维可视化模型的动态驱动。

6.根据权利要求5所述的大型轧机三维可视化实现系统，其特征在于，

系统还包括：输出模块和终端机；

输出模块基于浏览B/S模式将轧机三维可视化推送给终端机显示；

用户根据需求通过终端机访问系统进行查看，并对设备或设备运行系统的实际运行状况进行监控；将设备的实时数据与历史数据进行对比功能，形成一个自主监控模型，当设备性能变化超出阈值时，系统推送预警结果到终端机；同时系统按照用户的定制化要求，配置数据表格输出和数据输出功能。

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