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基于LABVIEW的氧化沟仿真实验设计论文

发布时间:2021-04-24 16:40:32 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.scipaper.net):

摘要:虚拟实验是建立在虚拟现实技术上的新型实验模式。在Labview平台开发氧化沟工艺的仿真操作程序,选择相应的设备及环境参数,构造虚拟实验中氧化沟处理工艺流程的子模块及程序,模拟氧化沟内部的反应和运行过程。通过改变氧化沟进出水水质,研究其他相关变量对处理过程的影响,探讨其动态关系。突破传统实验时空、设备的限制,提高学生实践创新能力。

关键词:氧化沟;LABVIEW;虚拟实验

本文引用格式:胡钰贤,等.基于LABVIEW的氧化沟仿真实验设计[J].教育现代化,2019,6(94):141–143,158.

Design of Simulation Experiment of Oxidation Ditch Process Based on Labview

HU Yu-xian,SUN Tao,ZHANG Shuai,SHI Ze-peng

(School of Environment and Safety,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan)

Abstract:Virtual experiment is a new experimental model developed based on virtual reality technology.The simulation experiment of Oxidation Ditch process was developed based on the platform of Labview.This paper selected the corresponding equipments and environmental parameters,and constructed the sub-modules and programs of the oxidation ditch treatment processes in virtual experiments to the reaction and operation of oxidation ditch.By changing the quality of the raw wastewater and the treated water dynamically,the influences of other related variables on the treatment process were studied.The virtual experiment methods break through the traditional experiment limitation of time and space,and improve students'innovation ability in practice.
Key words:Oxidation ditch;Labview;Virtual experiment

一引言

实验教学环节是高等教育中培养计划中的重要部分,通过实践教学可以培养当代大学生的动手实践及操作能力、创新能力。环境工程、环保设备专业是是典型的工科专业,环境保护相关的工艺及设备繁多、复杂。环境工程处于不同生产环境,许多设备处于极端恶劣的环境之中,且具有不可及或不可逆、高风险、高消耗、高成本、高污染的特点。

传统的环境工程专业的实验实训教学是以固定实验仪器为对象,无法满足当今社会对人才的需求。本研究根据国家高等工程教育要求和环境工程行业特色,在labview平台上,制作虚拟仪器对工业生产中难以实际操作的情形进行虚拟操作,采用信息化技术中多媒体、仿真、虚拟现实等技术进行虚拟实验与仿真优化两种教学模式的氧化沟仿真实验的设计,以弥补传统实验实训教学中的不足的问题,满足高等教育的内涵式发展对学生实践创新能力培养的要求。

虚拟仿真作为一种新技术,已经在近些年来在化工、自动化等领域得到了越来越多的关注。Labview是由美国的NI公司研制出来的图形编程仿真平台,它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。与一般计算机语言不同,Labview是可视化的程序语言能将繁琐的编程简化成简单的功能连接,使程序及过程更加直观明朗[1]。本文主要是在Labview平台上设计氧化沟工艺的相关工序,并生成可安装的exe文件,提供虚拟实验相关计算界面。

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二LABVIEW系统中氧化沟工艺模块设计

本设计主要以微生物反应动力学模型为基础,根据生物反应单元的氧传递准则构造氧化沟、二沉池这两个工艺环节。利用工艺流程关系,模拟氧化沟工艺的处理过程。系统主要由四部分组成:氧化沟曝气单元、二沉池沉淀单元、污泥回流单元、剩余污泥单元[2,3]。这四个子模块共同控制程序的运行,在确定相关运行参数后,主程序仿真运行,调整工艺的运行参数可以改变出水水质。系统所涉及二沉池只考虑回流污泥和回流比对曝气池的影响,不考虑污染物在其中的消耗去除。其主程序的结构图如图1所示。


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氧化沟的运行管理与多种因素相关,设计主要以微生物反应动力学模型为基础,按照氧传输准则构造曝气反应池虚拟设备模块、二沉池等模块,把模块通过工艺结构连接,模拟氧化沟工艺的运行。氧化沟模拟程序通过若干子模块:氧化沟模块、二沉池子模块、充氧子模块和污泥泥龄子模块控制氧化沟工艺程序的运行,确定进水水量、水质、温度、反应速率、曝气量、氧化沟各段尺寸、二沉池回流污泥浓度等参数后,主程序仿真运行,工艺处理出水结果直观显现。可通过改变工艺流程线、氧化沟池体结构、反应条件等输入参数的方法改变水处理相关工艺,氧化沟总程序框图如图2所示。

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在 Labview 平台上利用微生物动力学模型,据公式(1)-(3)等(虚拟仿真实验中设计的计算公式众多,文章不再一一列举)。公式对氧化沟模块进行设计、计算。设计参数包括进出水水质、污泥量、氧化沟内部体积分配、污泥泥龄、微生物的比生长速率污泥产率系数、反硝化速率、污水碱度、系统每天排泥量、氧化沟碟片 安装数目、各区域体积、长度、SS 等[4-8]。

氧化沟处理段出水 BOD 的浓度:

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根据公式(1)-(3)等可以在 Labview 上氧化沟曝气子模块的程序语言和相应的控制面板,其控制界面和程序框图如下所示。

三 相关子模块设计计算

本氧化沟模拟程序通过子模块对氧化沟处理过程进行模拟,除氧化沟曝气子模块,其余模块包含二沉池子模块、污泥泥龄、充氧子模块[9]。二沉池模块通过计算活性污泥的浓度,根据污泥回流比R和污泥体积指数SVI的计算,SVI值直接影响氧化沟的出水水质,是控制氧化沟生化反应的主要参数。其程序框图如图3所示。

二沉池的活性污泥浓度可以通过公式(4,5)来计算:


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污泥泥龄模块根据污水中的 PH 值、溶解氧的浓度温度等参数来编程,通过该子模块可计算出活性污泥泥龄,MLSS 直接影响硝化区反应。奥贝尔氧化沟道利用转碟对不同沟道充氧,充氧模块根据氧传输动力学理论进行设计计算,根据不同沟道的标准需氧量SOR,确定转碟安装数目;根据进出水氨氮含量、反硝化速率,确定氧化沟中各段段体积,如图4所示。

建立起相关子模块,根据模块之间的相互关系,将子模块连接构成主程序的循环结构,如图2所示。氧化沟虚拟仿真教学系统中界面设计根据进出口水质、模型参数控制、影响因素等不同方面进行设计,旨在便于人机交互,使学生对影响氧化沟出水的因素一目了然。此模拟实验的系统操作简单,可以引导学生自主探究氧化沟中各参数对污水处理效果的影响规律,图5面板中的参数,可根据实际试验环境进行调节。

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四 程序封装

使用者无须懂得项目开发过程及源代码,只需要将发布出的应用程序及应用程序执行需要的数据放在同一个文件夹下,改模拟实验就可执行。在输入结构,初始设定值后,计算机直接计算出工艺相关的数值。在计算中,如需调整微生物生长动力学参数、温度、池体结构、进出水水质等,只需直接输入相关参数的值,便可以直观得出相应工艺的处理效果。

五 结论

水污染课程的实验室的实际操作实验,大多单一、简单,学生只能从单一层面了解某个参数对生物处理的某些参数的影响。传统氧化沟的水厂实验,属于中大型实验,受实验场地、时间的影响很大,学生无法参与其中。传统的实验,受生物反应时间的影响,调整处理工艺中的相关参数后,出水水质不可能立刻发生响应,因而学生无法对影响出水的众多参数有直观、系统的认识,更不能真正掌握影响污水处理效果的控制参数的重要意义。

虚拟仿真的氧化沟实验,通过计算机将影响处理工艺的参数,在labview平台上联系起来。构建的氧化沟工艺的虚拟工艺环节,既有联系,又相对独立。本虚拟实验,根据奥贝尔氧化沟的特点,完成了曝气、二沉、微生物动力学等环节的虚拟仿真实验系统的总体设计和开发流程的编制。学生通过虚拟实验,根据不同的回流污泥浓度、动力学模拟参数的改变,利用计算机模拟程序计算处理工艺中的相关数值,直观得出该工艺参数变化对污水的处理效果的影响规律。虚拟仿真实验可与实际实验教学相结合[10],这种新的教学模式,可以弥补当前环境工程实验教学存在的问题,从而达到提高实践教学质量的目的,提升学生实践创新能力。

虚拟模拟程序还可以在反复实验中,采集不同工况下的运行数据,得出氧化沟处理效果的影响规律,为水厂提标改造提供相应的参考。

参考文献

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[7]张自杰,林荣枕,金儒霖,等.排水工程[M].第四版,北京:中国建筑工业出版社,2000.
[8]张建丰.活性污泥法工艺控制[M].第二版,北京:中国电力出版社,2011:36–65.
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[10]顾昊,孙志杰,李勤.生物学虚实结合实验教学模式探索与研究[J].实验室研究与探索,2016:35(4):108–110.

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