水處理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

金 文 李 潔 吳 奇西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 陜西西安 710077

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水處理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

金 文 李 潔 吳 奇
西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 陜西西安 710077

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)水處理實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)制約的問(wèn)題，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用。該系統(tǒng)具有高效、開(kāi)放、經(jīng)濟(jì)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可輔助水處理實(shí)體設(shè)備實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步使學(xué)生虛擬操作水處理工藝過(guò)程和控制過(guò)程，利用系統(tǒng)內(nèi)專業(yè)設(shè)備圖庫(kù)對(duì)水處理系統(tǒng)及其自動(dòng)控制進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，虛擬完成工程安裝、系統(tǒng)運(yùn)行管理等工作，達(dá)到提高學(xué)生工程實(shí)踐能力與科技創(chuàng)新能力的目的。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)；仿真；水處理

水處理工程是一門(mén)工程性強(qiáng)的課程，要求理論與實(shí)踐并重，理論教學(xué)使學(xué)生掌握工藝原理知識(shí)，而實(shí)踐教學(xué)決定著對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)。然而，實(shí)踐教學(xué)依賴于實(shí)驗(yàn)條件，為了提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，我們投建了一套水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有水處理設(shè)備具有很強(qiáng)的工程處理能力，而在教學(xué)上可操作性差，由于工藝系統(tǒng)龐大而復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量多且管道錯(cuò)綜復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)設(shè)置教學(xué)知識(shí)點(diǎn)或操作點(diǎn)對(duì)設(shè)備損耗較大，使設(shè)備成為認(rèn)識(shí)工程系統(tǒng)的“模型”，實(shí)踐教學(xué)的“教”與“學(xué)”落不到實(shí)處，因此，改造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)勢(shì)在必行[1,2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，用軟件仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、模擬系統(tǒng)運(yùn)行、加控制點(diǎn)操作管理等方法已成為改善實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)濟(jì)可行之路[3-4]。在水處理工程課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”)改造中，基于現(xiàn)有的一套水處理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬實(shí)際的工藝系統(tǒng)，通過(guò)程序控制實(shí)驗(yàn)條件，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展水處理工程的實(shí)驗(yàn)操作，以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[5,6]。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及功能

我校水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用RO反滲透水處理技術(shù)，利用先進(jìn)的初濾、活性炭過(guò)濾、PVC合金超濾膜過(guò)濾和紫外線消毒等的組合處理工藝，建成水質(zhì)凈化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且配套建立水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)凈化水進(jìn)行分析檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本工藝流程如圖1所示。水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)踐教學(xué)方面可開(kāi)設(shè)多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如水體中COD、微生物、含氧量等多項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定，石英砂濾、超濾等各項(xiàng)水質(zhì)處理的實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)，使學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上開(kāi)展綜合性、設(shè)計(jì)性、搭接式實(shí)驗(yàn)。

圖1　水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工藝流程圖

水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一套真實(shí)的工程系統(tǒng)，在實(shí)踐教學(xué)中存在著一定教學(xué)困難，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)法剖析，對(duì)核心設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝過(guò)程的學(xué)習(xí)仍來(lái)源于理論指導(dǎo)。

(2)水處理工藝過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)及控制點(diǎn)的確定單一，運(yùn)行調(diào)節(jié)只能設(shè)置系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的工況，實(shí)驗(yàn)臺(tái)基本做不到對(duì)系統(tǒng)設(shè)故障，實(shí)踐教學(xué)難以操作完成故障分析和排除，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容受限。

(3)水處理系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)方案只有實(shí)驗(yàn)臺(tái)一種，局限了學(xué)生對(duì)水處理工藝方法的認(rèn)知，直接影響學(xué)生在水處理工程方案設(shè)計(jì)方面的專業(yè)能力。

(4)學(xué)生操作實(shí)體設(shè)備損耗較大，且實(shí)體設(shè)備價(jià)高、數(shù)量少，無(wú)法滿足學(xué)生人人動(dòng)手操作的需求。為此，在已建的水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)制作一套水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)，通過(guò)仿真教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)生創(chuàng)造工程運(yùn)行操作環(huán)境，讓學(xué)生能夠?qū)?shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)項(xiàng)目進(jìn)行獨(dú)立操作、獨(dú)立完成，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐教學(xué)

水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“水處理系統(tǒng)”)是配合已建的水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的一套可操作的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在仿真系統(tǒng)中，構(gòu)建了該水處理系統(tǒng)中各類設(shè)備、儀表、工具，可通過(guò)工控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)工藝流程、組建完整的水處理系統(tǒng)。其最大特點(diǎn)是利用基于Windows環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、處理和控制工控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理工程的設(shè)計(jì)、工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與工藝過(guò)程的控制，為實(shí)踐教學(xué)提供了良好的操作界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，在實(shí)驗(yàn)操作上只要將預(yù)設(shè)置的各種實(shí)驗(yàn)功能以軟件模塊形式進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成實(shí)踐教學(xué)需要達(dá)到的各項(xiàng)功能。

在水處理系統(tǒng)建設(shè)中，第一，利用圖形軟件繪制RO反滲透水處理系統(tǒng)中主要設(shè)備及常用工具圖形，再利用組態(tài)軟件中點(diǎn)位圖的導(dǎo)入功能，將所有圖形導(dǎo)入組態(tài)軟件中，建立水處理系統(tǒng)設(shè)備專業(yè)圖庫(kù)子系統(tǒng)，以方便學(xué)生能夠通過(guò)圖庫(kù)選擇系統(tǒng)設(shè)備，搭建系統(tǒng)工程界面，通過(guò)圖形組態(tài)完成對(duì)系統(tǒng)工藝的方案設(shè)計(jì)。設(shè)備圖庫(kù)子系統(tǒng)內(nèi)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備均做了結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)，學(xué)生可以從外形到內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行感性認(rèn)識(shí)，可以剖解或拆裝設(shè)備，達(dá)到對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)及其工作原理的學(xué)習(xí)。

第二，在組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)界面下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)工藝流程界面(如圖2所示)和子系統(tǒng)的運(yùn)行界面，并且可以方便地進(jìn)行兩個(gè)界面的切換。

圖2　水處理系統(tǒng)工藝流程仿真界面

在這一環(huán)節(jié)中，既要完成有針對(duì)性地指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)水處理系統(tǒng)中典型設(shè)備的工作過(guò)程，如多介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、RO反滲透機(jī)組的水處理過(guò)程和反沖洗過(guò)程，又要幫助學(xué)生掌握反滲透水處理系統(tǒng)的組成及其工藝流程的設(shè)計(jì)[7]，把眾多的水處理設(shè)備、儀表閥門(mén)用管道有效的組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，完成特定的水質(zhì)處理要求并達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中可以以課程設(shè)計(jì)的方式提出教學(xué)任務(wù)，要求學(xué)生對(duì)一個(gè)水處理系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并提交水處理工程方案及其設(shè)計(jì)圖紙。因此，水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)還利用C語(yǔ)言編寫(xiě)的接口軟件將CAD制圖軟件與組態(tài)軟件連接構(gòu)成一個(gè)整體，使學(xué)生能夠根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的水處理工程方案，完成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CAD制圖。同時(shí)，利用C語(yǔ)言編寫(xiě)的接口軟件將WORD軟件也植入軟件包內(nèi)，使學(xué)生能夠在該系統(tǒng)中編寫(xiě)工程設(shè)計(jì)方案。教師可對(duì)學(xué)生編寫(xiě)的工程設(shè)計(jì)方案及繪制的CAD圖的質(zhì)量進(jìn)行考核評(píng)判，作為課程設(shè)計(jì)最終評(píng)分。

第三，利用PLC技術(shù)進(jìn)行水處理工藝過(guò)程動(dòng)畫(huà)連接，模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理系統(tǒng)工藝過(guò)程的運(yùn)行管理進(jìn)行仿真操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的起停車(chē)、故障停車(chē)的基本操作，掌握設(shè)備運(yùn)行控制、故障查詢的操作方法，模擬與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)狀況同步的運(yùn)行管理操作等。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以在仿真系統(tǒng)上動(dòng)手操作練習(xí)，不必?fù)?dān)心對(duì)設(shè)備的損傷，通過(guò)反復(fù)的實(shí)操達(dá)到實(shí)踐教學(xué)目的。

第四，水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)對(duì)水處理工藝流程設(shè)置了測(cè)量點(diǎn)和控制點(diǎn)，將水處理工程系統(tǒng)自動(dòng)控制內(nèi)容引入仿真平臺(tái)。在這一部分虛擬環(huán)境中加入了常用的測(cè)量?jī)x表，通過(guò)儀表仿真結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生可對(duì)其結(jié)構(gòu)加以剖解分析，加深理解和掌握其工作原理和電氣控制原理及其安裝、使用等知識(shí)。通過(guò)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)和練習(xí)，可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)測(cè)量和自動(dòng)控制在水處理工程系統(tǒng)運(yùn)行中的作用，明確對(duì)主要設(shè)備的控制要求，并且掌握自控儀表選擇及安裝規(guī)范，準(zhǔn)確操作水處理工程系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)，提高學(xué)生面對(duì)實(shí)際工程出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的應(yīng)變能力和分析能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

水處理系統(tǒng)是在現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，通過(guò)建立虛擬的實(shí)踐工程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理過(guò)程、工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)自動(dòng)控制進(jìn)行仿真訓(xùn)練的實(shí)踐教學(xué)改革。它補(bǔ)充完善了水處理工程的實(shí)踐教學(xué)條件，是一套操作性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，能夠完成多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，在虛擬的工程環(huán)境中讓學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考、獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立操作、獨(dú)立完成工程任務(wù)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，同時(shí)可增強(qiáng)學(xué)生的安全意識(shí)，借用虛擬環(huán)境中因錯(cuò)誤操作而產(chǎn)生的安全事故來(lái)警示自己，并且能夠分析故障原因，掌握排除故障的技巧。實(shí)踐表明，仿真實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理解和掌握水處理工程的理論學(xué)習(xí)和實(shí)際操作，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。

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Practice and Design of Simulation Experiment Teaching of Water Treatment

Jin Wen, Li Jie, Wu Qi
School of Energy and Architecture, Xi'an Aeronautical University, Xi'an, 710077, China

Abstract:New simulation system for experiment teaching of water treatment, for traditional experiments are often stuck with experimental sites, experimental equipment and teaching time. The system has the advantages like high efficiency, much economy and being easy to maintain, etc.. It can help assist the teaching experiment of water treatment equipment, enable students to operate on virtual treatment process and the control process. Students can also design water treatment system and fulfill its automatic control with the professional equipment graph library at hand, and finally complete the installation, system operation management etc. to improve their ability of engineering practice and science and technology innovation.

Key words:experiment teaching; simulation; water treatment

基金項(xiàng)目：陜西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(編號(hào)：SGH13417)。

作者簡(jiǎn)介：金文，博士，教授。

收稿日期：2015-09-16