虚实结合的焚烧与堆肥仿真工艺系统开发与应用

银玉容，马伟文，朱能武，史 伟，施召才，宋小飞

（华南理工大学 环境与能源学院，广东 广州 510006）

“固体废物处理与处置”课程是环境工程专业必修的主干课程之一，教学内容具有非常强的实践操作性，需要实践教学紧密配合，才能让学生掌握好相关知识[1-4]。但是由于该课程的核心内容实验项目（例如焚烧、堆肥、填埋等处理处置工艺实验）存在成本高、难度大、风险大、周期长的问题，并且不太适合在实验室内操作，所以很多高校未开设或少开设这类实验项目[5-6]。

随着虚拟仿真技术的发展，很多高校开发了虚拟仿真实验项目[7-10]。我院实验教学中心利用虚拟仿真技术，遵循“虚实结合、能实则不虚”的原则，构建了固体废物焚烧与堆肥仿真工艺系统，让学生有更好的条件进行实践，掌握相关内容，并促进学生实际应用能力和综合素质的提高。

1 固体废物焚烧与堆肥处理工艺实验的要求

焚烧是一种高温处理技术，是指固体废物中的可燃性物质与空气中的氧在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，使其有害物质在高温下氧化、热解而被破坏[11-12]。学生通过相关实验，要了解焚烧的目的、作用以及影响焚烧的因素，掌握热值、减容率、停留时间、温度、湍流度、空气过剩系数等相关指标的含义，掌握仿真实验的操作流程。

好氧堆肥是在有氧条件下，好氧菌对废物进行吸收、氧化、分解。微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的有机物，同时释放出可供微生物生长活动需要的能量；而把另一部分有机物合成新的细胞质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多的生物体[13-14]。学生通过此实验，应了解好氧堆肥发酵的全过程和控制方法，掌握相关影响因素和堆肥稳定化判断方法，掌握仿真装置操作流程等。

2 虚实结合的焚烧与堆肥仿真系统开发

为避免纯虚拟仿真实验的弊端[15]，虚实结合的焚烧与堆肥仿真工艺系统以真实设备为原型，采用虚拟现实技术，对设备的外形、材质、零部件和内部构造进行三维建模，把设备的外观、内部结构、设计原理、工作过程、使用方法等以动态视频的形式演示出来，

使学生能够全方位了解设备构造、观察设备运行情况、了解设备工作原理。整个系统开发平台是由东方仿真公司提供的仿真系统开发平台PISP3.0.NET，用VC++编译而成，是真正的模块化、面向对象设计、图形化建模界面的OTS模型开发平台。

该系统对固体废物焚烧与堆肥处理工艺有整体描述，有实验操作功能。学生可以通过该系统学习相关内容课件（包括视频、动画、文字、图片等），并可以进行一定的手动操作并完成操作考核。

2.1 垃圾焚烧仿真系统开发

2.1.1 硬件装置

垃圾焚烧仿真系统装置分为数据处理中心、操作箱和焚烧炉等3部分。

数据处理中心包括数据服务器（基于OPC的数据服务器为仿真软件提供采集的数据与仿真数据输出）、仿真软件客户端（用于仿真实验系统，提供实验过程的数据显示与交换操作）和服务器（OPC服务器与仿真客户端位于同一台PC）。

操作箱包括低压供配电回路（为数据处理中心提供供电配电）和数据采集控制系统（采用ARMSTM32-F103VE作为数据采集平台），并集中放置电源按钮、电源指示灯、风机开关按钮、风机运行指示灯、1#燃烧器按钮、1#燃烧器运行指示灯、2#燃烧器按钮、2#燃烧器运行指示灯等一些实际按钮和指示灯。

焚烧炉为河南省新乡晨光环保设备厂生产的WRF-15型可移动焚烧炉，每小时焚烧量为15 kg。此焚烧炉有炉型简单、无烟囱、占地面积小、操作方便、使用寿命长等优点，非常适合于实验室展示使用。为增加实验操作性，对鼓风机风门位置进行仿真改造，在阀门位置加设位置传感器，实现阀门位置的检测，并通过仿真电气OPC接口把数据输送到仿真系统。

改造完的垃圾焚烧仿真硬件如图1所示。

图1 垃圾焚烧仿真硬件

2.1.2 软件开发

软件整体基于PISP3.0.NET进行开发，主要内容包括：

（1）账号登录：用于联网操作；单机操作时，直接点击“单机练习”；

（2）焚烧炉简介：用于介绍焚烧工艺基本知识；

（3）焚烧DCS（分散控制系统）：用于人机交互，其界面如图2所示；

（4）焚烧炉现场和操作质量评分系统：用于实验操作提示、记录与评分。

图2 焚烧DCS界面

2.2 好氧堆肥仿真系统开发

2.2.1 硬件装置

好氧堆肥仿真系统装置分为数据处理中心、操作箱和发酵罐等3部分。

数据处理中心与垃圾焚烧仿真系统相同（见2.1.1节）。

操作箱也基本与垃圾焚烧仿真系统相同，集中布置了电源开关与指示灯、电磁阀开关与指示灯、温控器工作开关、压缩机开关与指示灯和除臭开关与指示灯等。

发酵罐是外加热密闭式控温堆肥发酵罐。好氧堆肥仿真系统有3个发酵罐、1套鼓风系统和1套尾气处理系统。为增加实验的操作性，对发酵罐的进料、排废液、排气和物料翻转等4项操作进行仿真改造，在相应的阀门等位置加设传感器和监控器，实现对操作的检测，并通过仿真电气OPC接口把数据输送到仿真系统。

改造完的好氧堆肥仿真硬件如图3所示。

图3 好氧堆肥仿真硬件

2.2.2 软件开发

软件整体基于PIS P3.0.NET进行开发，主要内容包括：

（1）账号登录：用于联网操作；单机操作时，直接点击“单机练习”；

（2）垃圾堆肥简介：用于介绍垃圾堆肥工艺基本知识；

（3）垃圾堆肥DCS：用于人机交互，其界面如图4所示；

（4）垃圾堆肥现场和操作质量评分系统：用于实验操作提示、记录与评分。

图4 垃圾堆肥DCS界面

3 仿真系统实验教学操作

3.1 垃圾焚烧仿真系统

垃圾焚烧仿真系统的实验教学操作过程如下：

（1）启动电脑，打开仿真软件，选择“单机练习”，然后点击“启动项目”。

（2）在软件标题栏的“OPC Server”里，选择连接到“OPC Server”，让系统软硬件连接。

（3）浏览“焚烧炉简介”“焚烧 DCS”和“焚烧炉现场”等界面，学习焚烧相关知识。

（4）焚烧炉加料。选择“操作质量评分系统”—“焚烧炉现场图”实验界面，把鼠标移至焚烧炉门口中间后单击，弹出“进料选择”对话框。选择待焚烧垃圾种类，再点击“进料量”，输入数量，然后回车即可。完成操作后，关闭所有弹出框，会看到“操作质量评分系统”的S0操作评分，操作正确得10分。

（5）点火。在装置控制面板上，依次启动“二级燃烧器风机”“二级燃烧器点火”“一级燃烧器点火”，就会在“焚烧DCS”界面上看到相关指示灯亮灯。此时就会在“操作质量评分系统”里看到 S1—S5操作评分，如果操作正确，分别得10分。

（6）设置炉温。在焚烧 DCS界面上，把鼠标放在温度显示框内，单击后会弹出“TIN104温度设定”框，进行焚烧温度设置。设置完成后，系统就会自动升温，“操作质量评分系统”里看到S6操作评分，如果操作正确，得10分，焚烧炉内的LED灯也会闪亮。

（7）焚烧。当炉温升至设定温度，并保持一段时间后（显示的炉温在会设定的温度值上下波动），在“操作质量评分系统”里看到 S7就会有一定的得分。以上操作完成后，就会在“操作质量评分系统”看到对应的评分。若温度控制不在 800～1000 ℃时，会显示“质量评定严重错误”。

（8）停炉。在装置控制面板上，依次关闭一级燃烧器点火开关和二级燃烧器点火开关，系统就会慢慢降低炉温，并在“操作质量评分系统”的“停炉”栏中的S0和S1显示操作正确，分别得10分。等炉温低于300 ℃时，S2左边的红点变绿，提示可以关闭二级燃烧器风机，关闭后即可得到对应的10分。然后就可以关系系统电源和电脑，完成所有操作。

3.2 好氧堆肥仿真系统

好氧堆肥仿真系统的整个实验教学操作过程如下（以1#罐为例）：

（1）启动电脑，打开仿真软件，选择“单机练习”，然后点击“启动项目”。

（2）在软件标题栏的“OPC Server”里，选择连接到“OPC Server”，让系统软硬件连接。

（3）浏览垃圾堆肥简介、垃圾堆肥 DCS和垃圾堆肥现场等界面，学习氧堆肥相关知识。

（4）选择“操作质量评分系统”，拔掉发酵罐门上的4个插销，然后打开罐门。系统会检测到信号，在“垃圾堆肥现场”界面中，对应的罐会显示“罐门开”，操作质量评分系统中的S0会显示正确，得10分。

（5）加入物料。在“垃圾堆肥现场”界面中，鼠标移到1#罐“加料”字符上单击，弹出“进料选择”对话框。选择其中一种或多种物料，然后设置“进料量”，再回车，然后关闭所有弹出框，即完成加入物料。此时，“操作质量评分系统”中的S1会显示正确，得10分。

（6）完成物料投加后，盖上发酵罐门，并插上所有插销，“操作质量评分系统”中的S2会显示正确，得10分。

（7）设置发酵温度。在装置控制面板中，打开“1#温控器”，然后在垃圾堆肥DCS界面上，把鼠标放在温度显示框内，单击后会弹出“TIN101温度设定”框，进行发酵最高温度设置。设置完成后，系统就会自动升温，“操作质量评分系统”里看到S9和S10操作都正确，各得10分。

（8）发酵。打开在发酵罐上的尾气排放阀门，打开装置控制面板中“1#电磁阀”“压缩机操作”和“除臭操作”3个开关，然后抓住“翻动把手”，左右轻轻转动罐体，即完成所有发酵过程操作。此时“操作质量评分系统”里看到S16、S19、S22、S23、S24和S27都会显示操作都正确，各得10分。等发酵温度在设定温度稳定一段时间后，在“操作质量评分系统”里就会看到S30得到一定的分数。以上操作完成后，就会在“操作质量评分系统”看到对应的评分。

（9）关闭实验装置控制面板上所有已打开的开关和电源，结束实验。

4 结语

利用东方仿真公司的PISP3.0.NET开发平台开发的焚烧与堆肥仿真工艺系统，具有操作界面简明、镶嵌知识点丰富、可靠性高等优点。经过实践证明，此系统不仅能充分提高学生的学习兴趣和动手能力，进一步掌握相关知识点，还能让学生了解一些物理和光电方面的知识，为培养创新、创造、创业的“三创型”[16]人才作为一份贡献。