虛實結合的焚燒與堆肥仿真工藝系統開發與應用

銀玉容，馬偉文，朱能武，史 偉，施召才，宋小飛

（華南理工大學 環境與能源學院，廣東 廣州 510006）

“固體廢物處理與處置”課程是環境工程專業必修的主干課程之一，教學內容具有非常強的實踐操作性，需要實踐教學緊密配合，才能讓學生掌握好相關知識[1-4]。但是由于該課程的核心內容實驗項目（例如焚燒、堆肥、填埋等處理處置工藝實驗）存在成本高、難度大、風險大、周期長的問題，并且不太適合在實驗室內操作，所以很多高校未開設或少開設這類實驗項目[5-6]。

隨著虛擬仿真技術的發展，很多高校開發了虛擬仿真實驗項目[7-10]。我院實驗教學中心利用虛擬仿真技術，遵循“虛實結合、能實則不虛”的原則，構建了固體廢物焚燒與堆肥仿真工藝系統，讓學生有更好的條件進行實踐，掌握相關內容，并促進學生實際應用能力和綜合素質的提高。

1 固體廢物焚燒與堆肥處理工藝實驗的要求

焚燒是一種高溫處理技術，是指固體廢物中的可燃性物質與空氣中的氧在焚燒爐內進行氧化燃燒反應，使其有害物質在高溫下氧化、熱解而被破壞[11-12]。學生通過相關實驗，要了解焚燒的目的、作用以及影響焚燒的因素，掌握熱值、減容率、停留時間、溫度、湍流度、空氣過剩系數等相關指標的含義，掌握仿真實驗的操作流程。

好氧堆肥是在有氧條件下，好氧菌對廢物進行吸收、氧化、分解。微生物通過自身的生命活動，把一部分被吸收的有機物氧化成簡單的有機物，同時釋放出可供微生物生長活動需要的能量；而把另一部分有機物合成新的細胞質，使微生物不斷生長繁殖，產生出更多的生物體[13-14]。學生通過此實驗，應了解好氧堆肥發酵的全過程和控制方法，掌握相關影響因素和堆肥穩定化判斷方法，掌握仿真裝置操作流程等。

2 虛實結合的焚燒與堆肥仿真系統開發

為避免純虛擬仿真實驗的弊端[15]，虛實結合的焚燒與堆肥仿真工藝系統以真實設備為原型，采用虛擬現實技術，對設備的外形、材質、零部件和內部構造進行三維建模，把設備的外觀、內部結構、設計原理、工作過程、使用方法等以動態視頻的形式演示出來，

使學生能夠全方位了解設備構造、觀察設備運行情況、了解設備工作原理。整個系統開發平臺是由東方仿真公司提供的仿真系統開發平臺PISP3.0.NET，用VC++編譯而成，是真正的模塊化、面向對象設計、圖形化建模界面的OTS模型開發平臺。

該系統對固體廢物焚燒與堆肥處理工藝有整體描述，有實驗操作功能。學生可以通過該系統學習相關內容課件（包括視頻、動畫、文字、圖片等），并可以進行一定的手動操作并完成操作考核。

2.1 垃圾焚燒仿真系統開發

2.1.1 硬件裝置

垃圾焚燒仿真系統裝置分為數據處理中心、操作箱和焚燒爐等3部分。

數據處理中心包括數據服務器（基于OPC的數據服務器為仿真軟件提供采集的數據與仿真數據輸出）、仿真軟件客戶端（用于仿真實驗系統，提供實驗過程的數據顯示與交換操作）和服務器（OPC服務器與仿真客戶端位于同一臺PC）。

操作箱包括低壓供配電回路（為數據處理中心提供供電配電）和數據采集控制系統（采用ARMSTM32-F103VE作為數據采集平臺），并集中放置電源按鈕、電源指示燈、風機開關按鈕、風機運行指示燈、1#燃燒器按鈕、1#燃燒器運行指示燈、2#燃燒器按鈕、2#燃燒器運行指示燈等一些實際按鈕和指示燈。

焚燒爐為河南省新鄉晨光環保設備廠生產的WRF-15型可移動焚燒爐，每小時焚燒量為15 kg。此焚燒爐有爐型簡單、無煙囪、占地面積小、操作方便、使用壽命長等優點，非常適合于實驗室展示使用。為增加實驗操作性，對鼓風機風門位置進行仿真改造，在閥門位置加設位置傳感器，實現閥門位置的檢測，并通過仿真電氣OPC接口把數據輸送到仿真系統。

改造完的垃圾焚燒仿真硬件如圖1所示。

圖1 垃圾焚燒仿真硬件

2.1.2 軟件開發

軟件整體基于PISP3.0.NET進行開發，主要內容包括：

（1）賬號登錄：用于聯網操作；單機操作時，直接點擊“單機練習”；

（2）焚燒爐簡介：用于介紹焚燒工藝基本知識；

（3）焚燒DCS（分散控制系統）：用于人機交互，其界面如圖2所示；

（4）焚燒爐現場和操作質量評分系統：用于實驗操作提示、記錄與評分。

圖2 焚燒DCS界面

2.2 好氧堆肥仿真系統開發

2.2.1 硬件裝置

好氧堆肥仿真系統裝置分為數據處理中心、操作箱和發酵罐等3部分。

數據處理中心與垃圾焚燒仿真系統相同（見2.1.1節）。

操作箱也基本與垃圾焚燒仿真系統相同，集中布置了電源開關與指示燈、電磁閥開關與指示燈、溫控器工作開關、壓縮機開關與指示燈和除臭開關與指示燈等。

發酵罐是外加熱密閉式控溫堆肥發酵罐。好氧堆肥仿真系統有3個發酵罐、1套鼓風系統和1套尾氣處理系統。為增加實驗的操作性，對發酵罐的進料、排廢液、排氣和物料翻轉等4項操作進行仿真改造，在相應的閥門等位置加設傳感器和監控器，實現對操作的檢測，并通過仿真電氣OPC接口把數據輸送到仿真系統。

改造完的好氧堆肥仿真硬件如圖3所示。

圖3 好氧堆肥仿真硬件

2.2.2 軟件開發

軟件整體基于PIS P3.0.NET進行開發，主要內容包括：

（1）賬號登錄：用于聯網操作；單機操作時，直接點擊“單機練習”；

（2）垃圾堆肥簡介：用于介紹垃圾堆肥工藝基本知識；

（3）垃圾堆肥DCS：用于人機交互，其界面如圖4所示；

（4）垃圾堆肥現場和操作質量評分系統：用于實驗操作提示、記錄與評分。

圖4 垃圾堆肥DCS界面

3 仿真系統實驗教學操作

3.1 垃圾焚燒仿真系統

垃圾焚燒仿真系統的實驗教學操作過程如下：

（1）啟動電腦，打開仿真軟件，選擇“單機練習”，然后點擊“啟動項目”。

（2）在軟件標題欄的“OPC Server”里，選擇連接到“OPC Server”，讓系統軟硬件連接。

（3）瀏覽“焚燒爐簡介”“焚燒 DCS”和“焚燒爐現場”等界面，學習焚燒相關知識。

（4）焚燒爐加料。選擇“操作質量評分系統”—“焚燒爐現場圖”實驗界面，把鼠標移至焚燒爐門口中間后單擊，彈出“進料選擇”對話框。選擇待焚燒垃圾種類，再點擊“進料量”，輸入數量，然后回車即可。完成操作后，關閉所有彈出框，會看到“操作質量評分系統”的S0操作評分，操作正確得10分。

（5）點火。在裝置控制面板上，依次啟動“二級燃燒器風機”“二級燃燒器點火”“一級燃燒器點火”，就會在“焚燒DCS”界面上看到相關指示燈亮燈。此時就會在“操作質量評分系統”里看到 S1—S5操作評分，如果操作正確，分別得10分。

（6）設置爐溫。在焚燒 DCS界面上，把鼠標放在溫度顯示框內，單擊后會彈出“TIN104溫度設定”框，進行焚燒溫度設置。設置完成后，系統就會自動升溫，“操作質量評分系統”里看到S6操作評分，如果操作正確，得10分，焚燒爐內的LED燈也會閃亮。

（7）焚燒。當爐溫升至設定溫度，并保持一段時間后（顯示的爐溫在會設定的溫度值上下波動），在“操作質量評分系統”里看到 S7就會有一定的得分。以上操作完成后，就會在“操作質量評分系統”看到對應的評分。若溫度控制不在 800～1000 ℃時，會顯示“質量評定嚴重錯誤”。

（8）停爐。在裝置控制面板上，依次關閉一級燃燒器點火開關和二級燃燒器點火開關，系統就會慢慢降低爐溫，并在“操作質量評分系統”的“停爐”欄中的S0和S1顯示操作正確，分別得10分。等爐溫低于300 ℃時，S2左邊的紅點變綠，提示可以關閉二級燃燒器風機，關閉后即可得到對應的10分。然后就可以關系系統電源和電腦，完成所有操作。

3.2 好氧堆肥仿真系統

好氧堆肥仿真系統的整個實驗教學操作過程如下（以1#罐為例）：

（1）啟動電腦，打開仿真軟件，選擇“單機練習”，然后點擊“啟動項目”。

（2）在軟件標題欄的“OPC Server”里，選擇連接到“OPC Server”，讓系統軟硬件連接。

（3）瀏覽垃圾堆肥簡介、垃圾堆肥 DCS和垃圾堆肥現場等界面，學習氧堆肥相關知識。

（4）選擇“操作質量評分系統”，拔掉發酵罐門上的4個插銷，然后打開罐門。系統會檢測到信號，在“垃圾堆肥現場”界面中，對應的罐會顯示“罐門開”，操作質量評分系統中的S0會顯示正確，得10分。

（5）加入物料。在“垃圾堆肥現場”界面中，鼠標移到1#罐“加料”字符上單擊，彈出“進料選擇”對話框。選擇其中一種或多種物料，然后設置“進料量”，再回車，然后關閉所有彈出框，即完成加入物料。此時，“操作質量評分系統”中的S1會顯示正確，得10分。

（6）完成物料投加后，蓋上發酵罐門，并插上所有插銷，“操作質量評分系統”中的S2會顯示正確，得10分。

（7）設置發酵溫度。在裝置控制面板中，打開“1#溫控器”，然后在垃圾堆肥DCS界面上，把鼠標放在溫度顯示框內，單擊后會彈出“TIN101溫度設定”框，進行發酵最高溫度設置。設置完成后，系統就會自動升溫，“操作質量評分系統”里看到S9和S10操作都正確，各得10分。

（8）發酵。打開在發酵罐上的尾氣排放閥門，打開裝置控制面板中“1#電磁閥”“壓縮機操作”和“除臭操作”3個開關，然后抓住“翻動把手”，左右輕輕轉動罐體，即完成所有發酵過程操作。此時“操作質量評分系統”里看到S16、S19、S22、S23、S24和S27都會顯示操作都正確，各得10分。等發酵溫度在設定溫度穩定一段時間后，在“操作質量評分系統”里就會看到S30得到一定的分數。以上操作完成后，就會在“操作質量評分系統”看到對應的評分。

（9）關閉實驗裝置控制面板上所有已打開的開關和電源，結束實驗。

4 結語

利用東方仿真公司的PISP3.0.NET開發平臺開發的焚燒與堆肥仿真工藝系統，具有操作界面簡明、鑲嵌知識點豐富、可靠性高等優點。經過實踐證明，此系統不僅能充分提高學生的學習興趣和動手能力，進一步掌握相關知識點，還能讓學生了解一些物理和光電方面的知識，為培養創新、創造、創業的“三創型”[16]人才作為一份貢獻。