本方案围绕大学智慧水务教学科研演示系统展开，系统以真实城市污水处理厂为蓝本，1:10微缩建设九大透明工艺单元，首创A²/O与MBR双工艺阀门切换演示模式，可直观呈现污水由浊到清的全过程。系统采用“端—边—云”三层架构：现场层以PLC控制柜实现泵阀联动与PID调节，边缘层以I系列智联服务器与IntBoxIO实现毫秒级本地控制与离线运行，云端以司水云官平台实现数字孪生可视化、实验数据管理、远程实训与算法二次开发。方案详述工艺流程、设备配置、控制逻辑、教学科研功能，并附完整设备清单与分项参考报价，可直接用于实验室建设立项、招标采购与项目实施。

一、项目概述

智慧水务教学科研演示系统是威泰普科技有限公司面向高等院校环境工程、给排水科学与工程、智慧水务技术等专业，自主研发的“虚实结合、理实一体”综合性实验教学装备。系统严格对标城市污水处理厂标准工艺流程，按1:10比例微缩建设，采用全透明有机玻璃池体与工业级自控系统，完整还原污水从进水、预处理、生物处理到深度净化的全流程。

本方案依据大学环境工程实验室实际安装配置编制，装置集成格栅井、调节池、水解酸化池、缺氧池、接触氧化池、MBBR池、MBR膜池、二沉池、清水池九大单元，配套PAC/PAM加药系统、鼓风曝气系统、泵阀管路系统及在线水质监测仪表，通过工艺切换阀可在A²/O脱氮除磷工艺与MBR膜生物反应器工艺之间灵活切换，一套装置满足两种主流工艺的对比教学与科研实验需求。

控制系统采用威泰普自主研发的智能PLC控制柜、I系列智联服务器、IntBoxIO边缘采集终端与IntVueMet现场显示终端，上位搭载“司水云官”智慧水务云平台与数字孪生可视化系统，实现“实体装置—本地控制—云端孪生”的数据贯通与虚实同步，可同时支撑课堂演示、课程实验、毕业设计、科研算法验证及学科竞赛等多层次需求。

1.1 建设目标

• 建设一套工艺完整、透明可视、运行稳定的污水处理全流程物理模拟装置，满足环境工程核心课程的演示与实验教学；

• 构建“云—边—端”一体化工业物联网控制体系，让学生掌握PLC编程、传感器采集、变频控制、远程运维等工程技能；

• 依托数字孪生与虚拟仿真平台，开展故障模拟、应急演练与智能算法研究，支撑科研课题与学科竞赛；

• 打造产教融合示范基地，形成可展示、可操作、可研究、可扩展的智慧水务教学科研平台。

二、设计依据与标准

• 《室外排水设计标准》GB 50014

• 《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918

• 《膜生物反应器组器技术要求》HJ 2010

• 《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB 50069

• 《自动化仪表工程施工及质量验收规范》GB 50093

• 《可编程控制器系统工程设计规范》GB/T 50770

• 威泰普科技企业标准及现场工艺说明文件

三、工艺设计与流程说明

3.1 工艺流程

系统采用“预处理—生物处理—深度处理”三级处理工艺，总体流程如下：

格栅井→ 调节池 → 水解酸化池 → 缺氧池 → 接触氧化池 → MBBR池 → MBR膜池 → 二沉池 → 清水池

系统通过A²/O工艺阀（7号阀）与MBR膜工艺阀（8号阀）实现两种工艺路线切换：开启A²/O工艺阀、关闭MBR膜工艺阀时，污水经缺氧—好氧生物处理后进入二沉池泥水分离；开启MBR膜工艺阀、关闭A²/O工艺阀时，污水进入MBR膜池经膜组件过滤出水，可开展两种工艺的对比实验。

3.2 各构筑物功能

3.3 主要设备编号与控制逻辑

装置共设27个控制点，涵盖泵、阀、风机等执行机构，编号与作用如下：

3.4 运行操作说明

（1）A²/O工艺：打开A²/O工艺阀（7），关闭MBR膜工艺阀（8）。1#/2#调节池提升泵切换自动，由液位浮球高启低停控制，水解酸化池液位计联锁提升泵（高停低启）；水解池至二沉池自流；末端污泥经污泥回流阀回流至缺氧池；回流量、曝气量、排泥量通过相应手动阀门调节。

（2）MBR工艺：打开MBR膜工艺阀（8），关闭A²/O工艺阀（7）。MBR膜池高液位时产水电磁阀（24）自动打开，产水泵（5）延时3~5秒启动；膜池高液位联锁调节池提升泵停止。中水实验模式下需对膜组件反洗：关闭循环水电磁阀（26）、打开反洗电磁阀（25），反洗结束后复位。

（3）演示模式：以清水循环演示，27号泵作为循环水泵，关闭反洗电磁阀（25）、打开循环水电磁阀（26），清水池循环泵受液位控制高启低停，并与调节池液位联锁（调节池高液位时循环泵停止，低液位时启动）。切换真实污水实验时，打开污水箱提升泵（4）及对应手动阀，关闭循环泵（27）及其手动阀。

四、系统总体架构

系统采用“端—边—云”三层工业互联网架构，自下而上分为物理设备层、现场控制层、边缘计算层与云端应用层，实现“感知—传输—计算—应用”全链路打通。

系统支持4G/以太网双链路冗余通信，采用国密级加密传输与断点续传机制；现场层可在断网状态下独立运行，保障教学实验不中断；云端可实现多设备统一管理、远程OTA升级与参数一键下发。

五、物理模拟实验平台配置

5.1 透明工艺装置

装置主体采用高透有机玻璃池体，开放式钢架结构，按1:10等比建设，池内混合、絮凝、沉淀、曝气、膜过滤过程全程可视。整套装置支持多人同步观摩与现场参数调试，是工艺流程认知与教学演示的核心载体。

5.2 流体输送系统

• 全部采用国标UPVC工业管路，气动/电动调节阀与手动阀结合，管路走向与实际水厂一致；

• 配置变频离心泵组，泵组启停逻辑、阀门启闭力矩与工业现场一致；

• 设曝气风机1台，通过各池曝气阀独立调节曝气量；

• 设污泥回流与排泥系统，回流比可调，模拟真实污泥回流工艺。

5.3 加药与曝气系统

配置PAC/PAM双药剂自动投加系统，支持定量投加、比例投加与联动投加模式；鼓风曝气系统通过曝气阀分配至缺氧池、好氧池、MBBR池与MBR膜池，各池曝气量独立可调，可模拟不同溶解氧工况。

5.4 在线监测仪表

装置配置工业级在线水质与水力仪表，实时采集pH、溶解氧（DO）、浊度、流量、液位、压力等关键参数，数据经IntBoxIO采集后上传PLC与云平台，支持历史曲线存储与数据导出，为教学实验与科研算法提供真实数据支撑。

六、智能控制系统

6.1 智能PLC控制柜

基于高性能PLC实现多设备精准联动，支持时序逻辑与PID闭环调节（如恒液位、恒流量、DO闭环曝气控制）；柜内集成断路器、接触器、变频器、开关电源等工业级电气元件，配置10寸彩色触摸屏，可就地设定与监视加药量、曝气量、回流比等工艺参数，支持历史数据存储与趋势曲线；具备过载、漏电、过压多重保护，支持4G/以太网远程编程调试。

6.2 I系列智联服务器

内嵌“碧水新生”智慧教学科研平台软件，集数据采集、边缘计算、协议转换于一体，兼容Modbus、MQTT等主流工业协议；支持断网本地离线运行，控制逻辑不中断；具备边缘数据清洗与预处理能力，毫秒级响应控制指令，减轻云端负载。

6.3 IntBoxIO边缘采集控制终端

分布式IO采集模块，负责传感器信号采集与执行机构驱动，支持模拟量/数字量混合接入，可灵活扩展IO点位；内置污水处理核心控制算法，实现曝气、加药等环节的本地闭环控制。

6.4 IntVueMet现场显示终端

3.2寸LED现场显示终端，防尘防水抗电磁干扰，支持现场数据实时看板、参数就地组态与故障报警提示，触控+物理按键双操作模式，适应实验室潮湿环境。

七、软件与数字孪生平台

7.1 司水云官智慧水务云平台（教学科研版）

• 数字孪生可视化：构建全流程工艺三维数字映射，实时呈现设备状态、水流走向与水质指标，支持缩放旋转交互；

• 实验数据全维管理：实验数据自动采集、云端结构化存储，支持多维度历史查询、趋势分析与Excel/CSV导出；

• 多端远程实训：PC、平板、手机三端协同，支持远程启停、参数调节与故障工况下发；

• 智能算法中台：内置曝气优化、精准加药、故障诊断等算法库，开放API支持算法二次开发与真机验证。

7.2 污水处理虚拟仿真软件（碧水新生）

1:1还原污水厂全流程中控与工艺场景，可模拟设备故障、水质突变、冲击负荷等30余种典型工况，学生在虚拟环境中反复演练故障排查与应急处置；操作过程全程数字化记录，系统智能提示并自动评分，支持教师自定义考核题库。

7.3 MR混合现实仿真沙盘（选配）

基于MR眼镜与实体沙盘融合，实现虚拟厂貌与实体沙盘1:1映射，支持设备透视解构、手势/语音交互、全流程分步工艺推演与多人协同演练，解决传统教学“看不见、摸不着、进不去”的痛点。

八、教学科研功能

8.1 教学实践功能

8.2 科研创新功能

• 开放全量运行数据API，提供秒级高频水质与设备数据，支持多格式导出；

• 兼容Python、MATLAB等主流框架，支持控制策略、故障诊断、水质预测算法的真机部署验证；

• 提供SDK开发包与技术文档，支持定制实验模块与控制策略，支撑毕业设计与学科竞赛。

8.3 可开设实验项目

• A²/O工艺启动与运行调试实验

• MBR膜生物反应器运行与膜污染控制实验

• A²/O与MBR工艺处理效果对比实验

• 溶解氧、回流比、污泥龄对脱氮除磷效果影响实验

• PAC/PAM混凝加药优化实验

• 水泵变频恒液位PID控制实验

• PLC编程与工业通信组网实验

• 水质在线监测仪表校准与数据采集实验

• 数字孪生建模与虚实同步实验

• 污水处理故障诊断与应急处置综合实验

九、场地与安装条件

• 实验室面积建议不小于80㎡，地面承重满足装置满载（含水）要求，预留排水沟与地漏；

• 供电：AC 380V/220V，总功率约15kW，配置独立配电箱与接地保护；

• 给水：DN25自来水接口；排水：DN50排水接口接入实验室排水系统；

• 网络：实验室覆盖有线网络或WiFi，用于云平台数据上传与远程实训；

十、培训与售后服务

10.1 培训服务

• 现场操作培训：装置启停、工艺切换、参数调节、日常维护；

• 控制系统培训：PLC编程、触摸屏组态、IntBoxIO配置、云平台使用；

• 教学资源培训：虚拟仿真软件使用、考核题库管理、实验数据导出与分析；

• 提供完整实验指导书、操作规程、设备竣工图与电气原理图。

10.2 售后服务

• 整机质保一年，质保期内免费维修更换非人为损坏部件；

• 7×24小时技术响应，远程协助+现场服务相结合；

• 软件终身免费升级，持续更新故障工况库与教学资源；

• 长期提供备品备件供应与设备扩容升级服务。

十一、公司简介

威泰普科技有限公司是国家级高新技术企业，专注于环保领域自动化、数字化与智能化建设，自主研发“司水云官”智慧水务管理平台，业务覆盖农村供水、智慧管网、智慧泵站、污水处理等核心场景。公司从PLC硬件、边缘计算终端到云平台及AI算法全栈自研，落地站点突破10,000个，服务政企客户1,000余家，业务遍及全国30余个省市。

公司打造“碧水新生”教学产品体系，与多所高校共建产教融合实训基地，提供从方案设计、设备制造、软件平台到课程资源、师资培训的一站式服务，致力于为智慧水务行业培养高素质技术技能人才。

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