水處理仿真實驗教學設計與實踐

金 文 李 潔 吳 奇西安航空學院能源與建筑學院 陜西西安 710077

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水處理仿真實驗教學設計與實踐

金 文 李 潔 吳 奇
西安航空學院能源與建筑學院 陜西西安 710077

摘 要：針對傳統(tǒng)水處理實驗受實驗場所、實驗設備、實驗學時制約的問題，設計和開發(fā)了水處理實驗教學仿真系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設計方案及實踐教學應用。該系統(tǒng)具有高效、開放、經(jīng)濟、易維護等優(yōu)點，可輔助水處理實體設備實驗，進一步使學生虛擬操作水處理工藝過程和控制過程，利用系統(tǒng)內(nèi)專業(yè)設備圖庫對水處理系統(tǒng)及其自動控制進行仿真設計，虛擬完成工程安裝、系統(tǒng)運行管理等工作，達到提高學生工程實踐能力與科技創(chuàng)新能力的目的。

關鍵詞：實踐教學；仿真；水處理

水處理工程是一門工程性強的課程，要求理論與實踐并重，理論教學使學生掌握工藝原理知識，而實踐教學決定著對學生能力的培養(yǎng)。然而，實踐教學依賴于實驗條件，為了提高實踐教學質(zhì)量，我們投建了一套水處理實驗教學系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有水處理設備具有很強的工程處理能力，而在教學上可操作性差，由于工藝系統(tǒng)龐大而復雜、設備數(shù)量多且管道錯綜復雜，系統(tǒng)運行時設置教學知識點或操作點對設備損耗較大，使設備成為認識工程系統(tǒng)的“模型”，實踐教學的“教”與“學”落不到實處，因此，改造實驗平臺勢在必行[1,2]。

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，用軟件仿真實驗平臺、模擬系統(tǒng)運行、加控制點操作管理等方法已成為改善實踐教學的經(jīng)濟可行之路[3-4]。在水處理工程課程實踐教學平臺(以下簡稱“水處理實驗平臺”)改造中，基于現(xiàn)有的一套水處理實驗設備，利用計算機仿真技術(shù)模擬實際的工藝系統(tǒng)，通過程序控制實驗條件，使學生在虛擬環(huán)境中開展水處理工程的實驗操作，以增強學生的學習興趣，提高實驗教學效果[5,6]。

1 實驗平臺及功能

我校水處理實驗平臺采用RO反滲透水處理技術(shù)，利用先進的初濾、活性炭過濾、PVC合金超濾膜過濾和紫外線消毒等的組合處理工藝，建成水質(zhì)凈化實驗平臺，并且配套建立水質(zhì)分析實驗平臺，對凈化水進行分析檢測。實驗平臺的基本工藝流程如圖1所示。水處理實驗平臺在實踐教學方面可開設多實驗項目，如水體中COD、微生物、含氧量等多項指標測定，石英砂濾、超濾等各項水質(zhì)處理的實驗與評價，使學生在專業(yè)課程學習的基礎上開展綜合性、設計性、搭接式實驗。

圖1　水處理實驗平臺工藝流程圖

水處理實驗平臺是一套真實的工程系統(tǒng)，在實踐教學中存在著一定教學困難，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法剖析，對核心設備結(jié)構(gòu)及工藝過程的學習仍來源于理論指導。

(2)水處理工藝過程中測量點及控制點的確定單一，運行調(diào)節(jié)只能設置系統(tǒng)在正常運行時的工況，實驗臺基本做不到對系統(tǒng)設故障，實踐教學難以操作完成故障分析和排除，實踐教學內(nèi)容受限。

(3)水處理系統(tǒng)工藝設計方案只有實驗臺一種，局限了學生對水處理工藝方法的認知，直接影響學生在水處理工程方案設計方面的專業(yè)能力。

(4)學生操作實體設備損耗較大，且實體設備價高、數(shù)量少，無法滿足學生人人動手操作的需求。為此，在已建的水處理實驗平臺上，開發(fā)制作一套水處理實驗教學仿真系統(tǒng)，通過仿真教學系統(tǒng)為學生創(chuàng)造工程運行操作環(huán)境，讓學生能夠?qū)嶒灐嵙曧椖窟M行獨立操作、獨立完成，調(diào)動學生的學習主動性，進一步提高教學質(zhì)量。

2 仿真系統(tǒng)設計及實踐教學

水處理實驗教學仿真系統(tǒng)(以下簡稱“水處理系統(tǒng)”)是配合已建的水處理實驗平臺建立的一套可操作的模擬實驗教學平臺。在仿真系統(tǒng)中，構(gòu)建了該水處理系統(tǒng)中各類設備、儀表、工具，可通過工控組態(tài)軟件設計工藝流程、組建完整的水處理系統(tǒng)。其最大特點是利用基于Windows環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、處理和控制工控組態(tài)軟件，實現(xiàn)對水處理工程的設計、工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與工藝過程的控制，為實踐教學提供了良好的操作界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，在實驗操作上只要將預設置的各種實驗功能以軟件模塊形式進行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成實踐教學需要達到的各項功能。

在水處理系統(tǒng)建設中，第一，利用圖形軟件繪制RO反滲透水處理系統(tǒng)中主要設備及常用工具圖形，再利用組態(tài)軟件中點位圖的導入功能，將所有圖形導入組態(tài)軟件中，建立水處理系統(tǒng)設備專業(yè)圖庫子系統(tǒng)，以方便學生能夠通過圖庫選擇系統(tǒng)設備，搭建系統(tǒng)工程界面，通過圖形組態(tài)完成對系統(tǒng)工藝的方案設計。設備圖庫子系統(tǒng)內(nèi)對關鍵設備均做了結(jié)構(gòu)仿真設計，學生可以從外形到內(nèi)部構(gòu)造進行感性認識，可以剖解或拆裝設備，達到對設備結(jié)構(gòu)及其工作原理的學習。

第二，在組態(tài)軟件的開發(fā)界面下，設計系統(tǒng)工藝流程界面(如圖2所示)和子系統(tǒng)的運行界面，并且可以方便地進行兩個界面的切換。

圖2　水處理系統(tǒng)工藝流程仿真界面

在這一環(huán)節(jié)中，既要完成有針對性地指導學生學習水處理系統(tǒng)中典型設備的工作過程，如多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器、RO反滲透機組的水處理過程和反沖洗過程，又要幫助學生掌握反滲透水處理系統(tǒng)的組成及其工藝流程的設計[7]，把眾多的水處理設備、儀表閥門用管道有效的組合成一個完整的系統(tǒng)，完成特定的水質(zhì)處理要求并達到國家標準。在這一教學環(huán)節(jié)中可以以課程設計的方式提出教學任務，要求學生對一個水處理系統(tǒng)進行合理設計，并提交水處理工程方案及其設計圖紙。因此，水處理實驗教學仿真系統(tǒng)還利用C語言編寫的接口軟件將CAD制圖軟件與組態(tài)軟件連接構(gòu)成一個整體，使學生能夠根據(jù)自己所設計的水處理工程方案，完成設計系統(tǒng)的CAD制圖。同時，利用C語言編寫的接口軟件將WORD軟件也植入軟件包內(nèi)，使學生能夠在該系統(tǒng)中編寫工程設計方案。教師可對學生編寫的工程設計方案及繪制的CAD圖的質(zhì)量進行考核評判，作為課程設計最終評分。

第三，利用PLC技術(shù)進行水處理工藝過程動畫連接，模擬現(xiàn)場設備運行，實現(xiàn)對水處理系統(tǒng)工藝過程的運行管理進行仿真操作，實現(xiàn)系統(tǒng)的起停車、故障停車的基本操作，掌握設備運行控制、故障查詢的操作方法，模擬與工業(yè)現(xiàn)場狀況同步的運行管理操作等。在這一環(huán)節(jié)中，學生可以在仿真系統(tǒng)上動手操作練習，不必擔心對設備的損傷，通過反復的實操達到實踐教學目的。

第四，水處理實驗教學仿真系統(tǒng)對水處理工藝流程設置了測量點和控制點，將水處理工程系統(tǒng)自動控制內(nèi)容引入仿真平臺。在這一部分虛擬環(huán)境中加入了常用的測量儀表，通過儀表仿真結(jié)構(gòu)圖，學生可對其結(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。通過這部分內(nèi)容的學習和練習，可以讓學生認識測量和自動控制在水處理工程系統(tǒng)運行中的作用，明確對主要設備的控制要求，并且掌握自控儀表選擇及安裝規(guī)范，準確操作水處理工程系統(tǒng)的運行和維護，提高學生面對實際工程出現(xiàn)問題時的應變能力和分析能力。

3 結(jié)束語

水處理系統(tǒng)是在現(xiàn)有的硬件實驗條件基礎上，通過建立虛擬的實踐工程環(huán)境，實現(xiàn)對水處理過程、工程系統(tǒng)設計以及系統(tǒng)自動控制進行仿真訓練的實踐教學改革。它補充完善了水處理工程的實踐教學條件，是一套操作性強的實驗教學平臺，能夠完成多項實驗、實習、設計教學項目，在虛擬的工程環(huán)境中讓學生進行獨立思考、獨立設計、獨立操作、獨立完成工程任務，調(diào)動學生的學習積極性和主動性，同時可增強學生的安全意識，借用虛擬環(huán)境中因錯誤操作而產(chǎn)生的安全事故來警示自己，并且能夠分析故障原因，掌握排除故障的技巧。實踐表明，仿真實驗有利于學生理解和掌握水處理工程的理論學習和實際操作，有利于激發(fā)學生的學習積極性，有利于學生的創(chuàng)新實踐活動。

參考文獻

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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

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

作者簡介：金文，博士，教授。

收稿日期：2015-09-16