基于3D可视化技术的膨胀线冷端虚拟系统

赵浩东，赵强，刘玉民，段志勇，王进安

(山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂，山东 济南 250104）

近年来，三维建模技术在各领域应用广泛。以三维建模为基础，衍生出了设备可视化管理，促进了企业智能制造的发展。随着烟草行业智能化和信息化的进步，建模技术在烟草行业逐渐应用，为科学培训、工艺流程的可视化提供了支撑。

1 背景

膨胀烟丝生产线由于其设备和工艺的复杂性，一直是制丝车间、企业乃至公司安全生产、设备管理的重点。根据生产介质的不同，膨胀线设备分为冷端和热端。其中，冷端设备多为压力容器、压力管道，这些压力容器、压力管道和气动阀门相互配合完成浸渍工艺的核心流程。浸渍工艺涉及阀门众多、管道繁杂，如何让操作、维修人员清晰便捷地掌握冷端生产流程，快速解决设备问题是生产的迫切需要，也是摆在技术人员面前的一大课题。

2 课题内涵

在充分学习浸渍工艺、研究现场设备压力管道走向、设备空间布置的基础上，利用现有资料并通过测绘手段绘制设备草图、运用三维建模平台SolidWorks建立压缩机、浸渍器、制冷机组、工艺罐等主机设备及安全阀、气动阀等部件的三维模型，运用SolidWorks Routing 建立了膨胀冷端所有压力管道模型，完成了整个膨胀冷端的3D建模。并以此为基础，将浸渍工艺流程在计算机平台上虚拟实现。

3 技术路线

论文以膨胀冷端的三维建模为核心，在三维建模的基础上，完成浸渍工艺流程的虚拟呈现，实现压力管道、安全阀的统计功能，实现膨胀工艺布局的3D化。项目的流程如图1。

4 建模过程

4．1 建模平台的选择

SolidWorks作为一款功能强大的三维建模平台，不仅具备零部件建模能力，还具备强大的管道系统建模功能。通过在车间内的推广及应用实践，验证了SolidWorks作为本项目建模平台的适用性。

膨胀线的核心在冷端，冷端的核心在浸渍工艺流程。膨胀冷端压力管道纵横交错，流体通过弹簧回动式气动阀门的开闭控制在管道中输送以完成烟丝浸渍的工艺流程。项目前期主要准备工作是熟练应用三维建模平台并做好膨胀冷端的知识储备。

图1 制丝设备3D建模流程图

4．2 阀门架的建模

如果将膨胀冷端比作一个完整的神经系统，阀门架就相当于这个系统的神经中枢。阀门架是将具有特殊功能的一组阀门用管道连接在一起，组成的一个固定的构架。它囊括了完成浸渍工艺需要的绝大多数阀门及所有接口。阀门架有10个接口，分别连接着浸渍器、工艺罐、充压罐、气球等冷端设备。准确绘制出阀门架的模型是整个虚拟系统建立的第一步，也是最关键的一步。阀门架的建模主要包括以下几个步骤：（1）拍摄多角度现场照片，准确把握管道的走向，尤其关注管道交叉点、拐点的位置。（2）通过测绘获得阀门架的全局尺寸，阀门架内部管道拐点尺寸，准确得到各接口准确位置。通过现场调查确定各气动球阀位置及编号，绘制阀门架草图。（3）根据草图绘制阀门架三维模型，测绘并绘制出气动球阀模型，并进行整体装配。

4．3 主要管道的3D建模

以阀门架为基准，以10个接口为起点，利用SolidWorks Routing专业管道建模模块，测绘并完成10条关键管道的3D建模（部分管道及装配模型如图4所示）。以此确定与这些管道直接相连的浸渍器、冲压罐、气球、工艺罐的空间位置。

图2 阀门架局部视图

图3 阀门架三维装配模型

图4 阀门架的主要管道连接

4．4 主机设备的3D建模

阀门架与连接管道的位置确定后，大部分主机设备的空间位置已经确定。根据测绘及部分纸质图纸获得的数据建立主机设备的三维模型。由于结构的复杂性，压缩机、制冷机组是该部分建模的难点。在此，建模过程不再赘述。部分主机模型如图5所示。

图5 部分主机3D模型

4．5 系统装配及调试

主机设备的建模工作完成后，将上述所建模型进行统一装配。为了使系统更加完善，还需做以下几个方面的工作：

（1）辅连管道的建模；

（2）工艺泵建模；

（3）安全阀，手动阀，气动球阀的选型、测绘、建模；

（4）整个系统的装配、调试、渲染。整机装配模型如图6所示。

5 虚拟系统的功能实现

浸渍工艺是膨胀冷端的核心流程。图7所示为冷端设备流程图和操作屏显示界面。二者是实际设备流程的抽象，在指导生产中具有十分重要的意义。但两图很难直观地表达出膨胀线的复杂流程，利用其进行设备学习和故障排除难度较大。

5．1 系统操作界面

通过系统集成化的手段，将3D建模在可视化的平台上展现，输出不依赖于三维建模平台的.exe可执行文件，在Windows系统下即可以进行缩放、测量、旋转等操作，实现自由的人机交互操作。

5．2 设备可视化管理

安全阀、压力管道的管理是设备管理的一项内容，如图9所示，本虚拟系统的建立为膨胀冷端的设备管理提供了可视化的手段。

图6 冷端装配模型

图7 膨胀冷端工艺流程

图8 人机交互界面

5．3 3D定置图功能实现

膨胀线作为济南卷烟厂安全管理的重点之一。定置图的悬挂是安全管理的基本工作。鉴于整个膨胀冷端设备是空间布置，二维定置图不能十分清晰地表达设备位置。基于三维模型建立的三维定置图则可达到这一目的。冷端虚拟系统的建立为三维定置图绘制提供了技术支撑（图10）。

6 结语

（1）推动数字化车间建设由单机设备建模向更高层次的生产线建模发展。

（2）为设备精益管理提供数据支撑，实现压力管道、安全阀的统计及可视化管理等功能。

图9 安全阀、压力管道统计功能的实现

（3）为复杂的冷端浸渍工艺提供直观、形象的3D培训资料。

（4）虚拟系统应用膨胀设备故障分析中，缩短了故障解决的时间。

图10 二维、三维定置图对比