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    (紅河學院工學院，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，主要從事工業過程實時智能控制方面的工作。

    摘要：針對昆明鋼鐵集團有限責任公司第二軋鋼廠加熱爐在鋼坯加熱過程中，由于加熱爐爐內熱狀態復雜，測溫技術有限，難以直接測出被加熱鋼坯的內部溫度，以確保適時出鋼。因此導致鋼坯加熱質量不易保證，難以充分發揮加熱爐的效率，造成能源浪費嚴重，故對鋼坯加熱狀態可視化問題的研究就顯得非常重要。鑒于此，本文首先運用VC++6.0軟件制作鋼坯三維溫度場的虛擬可視化操作界面，并用OpenGL進行圖形化表現。實驗數據表明，該圖可以直觀、準確地反應鋼坯的加熱狀態，達到對鋼坯三維熱狀態可視化監控的目的，為實時出鋼提供依據。

    關鍵詞：鋼坯；三維熱狀態；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 

    昆明鋼鐵集團有限責任公司第二軋鋼廠加熱爐屬于三段式連續加熱爐[1]，所采用的控制方案為：加熱爐的三個加熱段每一溫度段采用兩臺可編程單回路調節器構造的雙交叉限幅燃燒控制方案進行控制，溫度設定按工藝要求設定，PID參數人工設定，在工況不穩定時可轉為手工操作。該加熱爐在運行中穩定性較差，能耗較高。為進一步提高鋼坯的加熱質量、提高加熱爐的效率，在原有燃燒控制系統[2] 的基礎上，依據熱傳學知識采用機理建模和BP神經網絡辨識建模相結合的方法建立鋼坯加熱的模型預報系統，在保證產量和質量[3]的前提下，實現以鋼坯溫度為目標的優化預報。

    然而，在鋼坯加熱過程中，預測鋼坯加熱溫度需要進行大量的數值計算，同時通過計算得出的大量結果也不夠直觀明確，因此，對于預測鋼坯加熱溫度的科學計算可視化問題研究就顯得尤為重要。本文采用OpenGL[4-5] 虛擬現實技術實現鋼坯溫度場的可視化(可視化中的某個加熱時間點是以鋼坯進入加熱爐開始加熱為零點計時的），解決了鋼坯加熱溫度預報的計算數據量大、工程分析不直觀的問題，為實時出鋼提供依據。

    1 可視化界面設計的實現過程

    (1）利用VC++6.0設置Op e nGL應用接口。在利用OpenGL開發工具編制應用程序之前，首先應在工程中添加支持OpenGL的連接庫與頭文件，在項目工作區的類視圖中，雙擊CDgwinView，在編輯框中的文件首部添加頭文件，并添加消息函數到視圖類CDgwinView中。然后，設置OpenGL支持的Windows窗口風格。之后設置、測試像素格式并使用渲染描述表。

    (2）利用VC++6.0軟件設置界面圖。設計該界面的簡要步驟為：① 利用MFC APPWIZARD工具建立一個單文檔應用程序；② 利用資源編輯器制作一個命令操作對話框，作為命令操作視圖的界面；③ 為命令操作對話框建立一個相應的類；④ 在CMAINFRAME中創建一個CMainFrame:OnCreateClient(）函數，用于窗口切分，產生相應的一個命令視圖和一個圖形繪制視圖；⑤ 為命令操作對話框內的每一個操作構件編寫事件處理程序，同時編寫命令操作對話框自身的實現函數，使之與每個操作構件變化相對應；⑥ 編寫在圖形繪制視圖內顯示的繪圖函數，使之與命令操作視圖的操作相對應。

    2 鋼坯三維溫度場的虛擬可視化實現

    2.1 操作界面及其功能

    操作界面的過程其實就是旋轉、縮放、切割等相應編輯框內進行相應參數的設置過程。通過參數設置實現任意角度和位置地觀察鋼坯的熱狀態。(當不進行旋轉和切割操作參數輸入時，輸入時間后，可視化界面展現的是鋼坯在該時刻的熱狀態一個主視圖。）

    在進行圖形的相關操作時，只要輸入某項或某幾項操作相關參數，每單擊一次“可視化”按鈕，就對該時刻的圖形進行一次相關的操作，通過連續地單擊“可視化”按鈕，操作就連續進行。點擊“監測”按鈕可隨時了解鋼坯加熱過程中幾個關鍵參數(爐溫、表面溫度、中心溫度）的曲線。共設計了6個操作組合框：旋轉操作組合框；縮放操作組合框；切割操作組合框；顏色溫度對照表組合框；數值曲線組合框；加熱條件及輸出組合框。

他們的主要作用是：

    (1）旋轉操作組合框旋轉操作可以讓視圖中鋼坯實現單獨繞X軸、Y軸、Z軸方向旋轉，以及繞任意兩軸或三軸同時旋轉。

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

    ( 3 ） 切割操作組合框 切割操作是通過使用附加剪切面的方法來實現。A，B，C，D為附加剪切面方程中的系數，即。在編輯窗口中輸入相應剪切面的系數，點擊“可視化實現”按鈕，可實現單面和雙面切割。若只輸入該組合框中剪切面1或2任一系數值， 執行單面切割；剪切面1和2的系數值都輸入，則實現雙面切割。

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

    (5）數值曲線組合框 雖然對應相應的“顏色溫度對照表”，可以直觀地了解到鋼坯的加熱情況，但為了更加準確地掌握鋼坯的加熱狀態，界面中提供了“監測”功能，讓操作人員隨時了解鋼坯在整個加熱過程的加熱曲線。

    (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刻的加熱狀態的具體數值。

    2.2 鋼坯可視化效果

    根據前面所述，使用雙面切割并旋轉后第7 min的可視化效果如圖1所示。(預熱段）
   
    實現圖1的相關參數為繞X軸旋轉11°，使用剪切面1( -x-2y+4.7=0）和剪切面2( x-y+4=0）。
              
                             圖1  雙面切割并旋轉后第7 min的可視化效果圖
   
    雙面切割并旋轉后的第21 min的可視化效果如圖2所示。
             
                                圖2   雙面切割并旋轉后第21 min的可視化效果圖

      實現圖2 的相關參數為繞X 軸旋轉1 3 ° ， 繞Y 軸旋轉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  雙面切割并旋轉后的第26 min的可視化效果圖
   
    實現圖3 的相關參數為繞X軸旋轉3 5 ° ， 繞Y軸旋轉48°，繞Z軸旋轉25°；使用剪切面1( 2x+y+6=0）和剪切面2( -2x+3y+8=0）。

    3 結束語

    本文建立了鋼坯的三維熱狀態虛擬現實可視化系統,該系統比較正確地實現了對鋼坯加熱動態過程進行有效的觀測，達到對鋼坯三維熱狀態可視化監控的目的。在對鋼坯三維溫度場進行虛擬現實可視化的研究方面，提供了一個思路。

    因加熱爐內實際環境復雜，目前所建的模型是在對爐內鋼坯環境進行了一定的假設條件下完成的，而熱輻射、爐壁反射是否與現場吻合，鋼坯與導軌接觸時產生的黑印等實際工程情況，還需要在實際工程應用時進行必要的修正。同時該操作界面的功能略顯單一，只能對鋼坯加熱過程的幾個關鍵參數進行可視化監測，還需對各種功能進行進一步的強化和細化。

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

    參考文獻：

    [1] 蔡喬方. 加熱爐[M]. 北京: 冶金工業出版社，2007.

    [2] 蘭東輝. 軋鋼蓄熱式加熱爐的控制[J]. 控制工程，2004，11(3）: 261-262.

    [3] 梁軍. 軋鋼加熱爐鋼坯加熱質量的檢測研究[J]. 傳感技術學報，2003，3(1）: 59-64.

    [4] 和平鴿工作室. OpenGL高級編程與可視化系統開發–高級編程篇[M]. 北京: 中國水利水電出版社，2002.
  
    [5] 李穎. OpenGL技術應用實例精粹[M]. 北京: 國防工業出版社，2001.

     摘自《自動化博覽》2010年第二期