基于MR的离心泵单元操作开发

王志平（上海石化工业学校，上海 200000）

0 引言

职业教育承担着培养专业技术技能人才，传承专业技术技能的社会责任。因此培养一个专业知识丰富，操作技能水平高，职业素养好的企业操作员工一直是职业教育追求的目标。特别是化工行业，因其原料的特殊性、工艺的复杂性、安全的重要性，一线操作员工的整体素质将直接影响企业的高质量生产。职业院校在培养化工行业操作员工的过程中必须紧贴企业生产实际，紧跟企业生产动态，积极提升学生的专业操作能力，培养学生严谨的工作态度，为学生日后成为一名合格的化工行业操作人员打下坚实的基础。根据《关于推动现代职业教育高质量发展的意见》相关文件，现代化工的大力发展更需要高素质技术技能人才，需要能工巧匠[1]。因此职业院校必须不断整合教学资源，优化教学过程，培养具有匠心匠艺的操作人员，为2035年职业教育整体水平进入世界前列、技能型社会基本建成而努力。

为培养高素质的技术技能人才，职业院校的老师们必须开发与之相适应的教学资源。文章以离心泵单元操作的教学为切入点，阐述离心泵单元操作的开发过程。

随着信息技术、人工智能、虚拟技术、物联网等的不断发展，现代化工的发展越来越多的和这些技术融合在一起。化工教学过程也一样，依托于信息技术、虚拟技术，借助人工智能和物联网，模拟化工厂真实生产环节，呈现化工厂真实生产情景，让学生能够沉浸式学习，从而使得学生学到的理论知识更扎实，操作技能水平更精湛。文章作者总结阐述了基于MR虚拟技术，离心泵单元操作的开发过程。

1 MR虚拟技术

MR是指增强现实的技术，和VR、AR一样，MR技术的出现，使得真实的装置和无法触摸的虚拟世界结合起来。使用者在使用MR的过程中，很难区分现实装置和虚拟画面，这就是增强现实技术[2]。MR的实现依托于实物装置，还需要借助电脑、投屏电视、特定眼镜等设备，为了达到虚拟画面和实物装置的融合，还需要在实物装置现场进行测量定位[3]。例如微软的Hololens眼镜完全能实现MR教学的要求。教师电脑端能够选择眼镜上需要呈现的操作内容，投屏电视上能够看到学员戴上眼镜所能看到的画面，保证所有学员教学同步。正是由于MR的出现，很多无法在实物装置上呈现的教学内容可以以虚拟的方式展现出来。将虚拟的画面叠加在实物装置中，做到全息影像[4]，构建沉浸式的学习环境，从而使得学生对理论知识的理解更深入，实际操作技巧和能力更娴熟。

以化工装置操作中单元级设备离心泵的学习为例，离心泵的工作原理，离心泵泵壳、叶轮、轴承的内部结构，离心泵各部件的拆解和组装，离心泵的正常开车操作，离心泵的停车操作，离心泵的故障和应急处理都可以通过MR教学实现。具体实现过程需要依托离心泵实物装置，装置配套的教学区，现场定位系统等。例如离心泵配套全息装置教学台，配置有教师站LED大屏、全息展示台、全息眼镜若干。教师通过LED大屏幕控制全息展示台中现实的影像内容，学员戴上眼镜可以现场操作，LED屏幕上能展示学员操作过程。学员佩戴MR眼镜，在现场进行巡检，能查看设备的运行状态和运行参数。除此之外，MR会带来更强烈的沉浸感，能实现立体抓取离心泵的各部件进行组装，达到二维向三维立体质变的体验，让知识与人交互起来。总之，MR教学更直观，更具体，操作性强，符合现代化工信息化与趣味性的教学理念。下面作者将展开分析MR在离心泵单元操作中的应用开发。

2 离心泵的结构

离心泵是在化工行业广泛应用的用于输送液体的动设备。相比于其他输送设备，离心泵性能稳定、结构简单、操作容易、实用性强，超过80%的液体输送工作都采用离心泵实现。因此离心泵单元操作是化工生产中最基本的单元操作，也是化工职业院校学生必须要掌握的化工单元操作技能。

离心泵的种类很多，这里我们以最基本的离心泵——单级单吸式离心泵为例开发设计。一台离心泵分为两部分，转动部分和固定部分。转动部分主要包括电机、叶轮和泵轴。固定部分主要包括泵壳和密封装置。在常规的教学过程中，通过图片讲解，学生对离心泵的结构有了一定的认识，再通过剖面图讲解，学生对离心泵的结构有了更深入理解。这种认识离心泵结构的教学方式过于单一，学生不能一目了然看到离心泵的内部结构，但通过利用MR技术可以改变当前的教学过程。

利用MR技术，把离心泵的3D影像植入电脑端，在电脑端，离心泵的结构可以进行拆解和组装。而通过佩戴MR眼镜，离心泵的影像可以和实训现场的离心泵装置完全叠加[4]，并且离心泵的各部件可以随意拆解和组装。在离心泵单元操作中，站在固定的位置，学生只需戴上MR眼镜，离心泵全息影像就展现在眼镜中，离心泵的叶轮和泵轴可以进行抓取，离心泵的端盖可以进行拆解，离心泵的机械密封可以进行组装，同时每一部分的操作过程中，都配备有语音说明和操作详解，学生通过各部件的抓取、拆解和组装实现交互式和沉浸式学习，并最终以离心泵的设备认知卡作为检验本内容学习掌握情况的手段。采用此种教学方式，学生能完全掌握并学会离心泵的基本结构。

3 离心泵的工作原理

离心泵的工作原理是电动机通过联轴器带动离心泵的叶轮进行运转。在离心泵输送液体的过程中，通常会先进行罐泵操作。当开启电机后，电动机开始运转，叶轮在电动机的带动下旋转，离心泵中的液体受到叶片高速旋转的推力，也开始旋转。同时由于离心力的作用，离心泵内的液体从叶轮中心被甩入到叶轮的周围，并因此获得了能量，泵内液体高速流入离心泵泵壳内。离心泵的泵壳一般呈蜗形通道，液体在流入泵壳蜗形通道后，由于截面积不断扩大，液体的动能转变成了静压能，因此液体以较高的压力输送到了需要的地方。叶轮的不断旋转使得输送液体的流速增大，叶轮中心的液体不断被甩出，离心泵泵壳的吸入口和泵中心位置都形成了一定程度的真空，在这种压差下，液体不断被吸入离心泵泵壳内，以此来补充被甩出的液体。离心泵不断地吸入液体，不断地给予吸入液体一定的能量，将液体输送到所需的位置。这便是离心泵连续不断输送液体的具体过程。

基于MR的离心泵的工作原理教学过程不单单是讲解液体在离心泵内的流动过程，还需要将离心泵的初始状态、泵入口阀开启后液体流动状态、电机开启后液体流动状态、泵出口阀开启后液体流动状态对比起来动态学习，如表1所示。在动态对比学习之后，把平面的图片转化成3D液体流动特效，和实物装置进行叠加，完成离心泵正常开车单元操作。

表1 离心泵单元操作液体流动状态对比

同时，MR可以实现“透视”效果。离心泵输送液体时，液体在管道内和泵腔内的流动状态皆不可见，因此操作者只能通过老师的讲解想象泵内的流动状态，而看不到内部物料的流动。利用MR技术可以把液体流动画面做成3D特效形式，再利用技术把特效叠加在离心泵实物装置上。当离心泵在正常运转时，操作者借助MR眼镜能一目了然看到离心泵内液体的流动状态，加深对理论知识点的理解。从而操作者在离心泵单元操作过程中，能直观感受离心泵的工作原理，进行沉浸式学习。

4 离心泵的开车操作

离心泵作为最基本的单元设备，正常操作离心泵非常重要。离心泵的开车操作包括开车前的检查，开车操作，以及开车后的确认。其中开车前的检查包含泵的轴承润滑油是否加到位，盘泵确认泵是否运转，罐泵排气操作，确认好后续流程是否打通等。开车操作是指长按机泵电机启动离心泵，密切关注电流和压力确保泵正常启动，启动正常后缓慢开启出口阀。开车后的确认是指确认压力、温度、声音等是否正常。

基于MR虚拟技术的离心泵开车操作把实物离心泵和MR虚拟技术融合在一起。首先通过拖拽卡片的形式正确描述离心泵的正常开车过程。然后戴上MR眼镜在离心泵装置上操作。MR眼镜中看到的影像能和现场离心泵装置做全息叠加。学生首先确认离心泵入口阀打开，此时学生手动打开入口阀，会从眼镜中看到流体随着入口阀的打开，液体充满了泵腔体，也能直观地从压力表上看到离心泵入口压力的变化。学生手动按住电机3～4秒确定离心泵开启，叶轮随着轴承开始运转，眼镜中能看到泵腔体内的液体也开始做离心旋转，同时能看到出口管路中的液体呈现晃动状态，出口压力表指针晃动。学生手动打开出口阀，泵进入正常运行状态，液体充满整个管路。通过虚拟技术，眼镜中能看到离心泵正常运转中的电流、压力、流量等参数。从而借助MR虚拟技术实现了万物可视的画面，如图1所示。

图1 离心泵全息影像叠加画面

基于MR的离心泵开车操作，不仅完成了离心泵的正常开车操作，还能在操作过程中重现离心泵的工作原理，学生能够实现沉浸式和交互式学习，从而加深了对知识的理解，提升了操作技能。

5 离心泵机械密封泄漏着火应急处理

离心泵机械密封泄漏着火是离心泵常见的故障之一，而教学过程中不可能在装置现场实际引发泄漏着火进行知识点的讲解。因此如何在教学过程中模拟离心泵机械密封泄漏着火，并进行相关应急处理知识讲解是传统教学过程中的教学难点[5]。依托离心泵实物装置和MR虚拟技术结合，在装置现场配合声、光、电等特效，可以把离心泵机械密封泄漏着火及应急处理过程呈现出来。

外操佩戴MR眼镜在现场发现泄漏引发的初期小火，外操用灭火器灭火。2 min后，没有及时灭火，火势增大，MR眼镜中呈现中期火灾场景。紧接着MR眼镜给出应急预案流程指示和疏散逃离路线指示。内操、外操和班长一起启动应急预案和火灾疏散。并在相应的环境监测后解除应急预案。利用MR技术展示应急事故处理可以模拟火灾现场，在实际情境中，模拟火灾应急处置流程，灭火和报警及相应的疏散过程，并可模拟人员中毒救护情景，而这些技术都是传统教学不可能呈现的教学效果。

MR在事故案例教学方面能够弥补传统教学的不足，贴合企业实际生产需求。MR技术可以在实训装置中进行的安全生产应急事故演练。主要是针对化工厂特有硫化氢泄漏中毒、液体烃泄漏着火、氢气泄漏着火等突发事故，对中毒人员的救治、救援人员的应急处置、非救援人员的疏散逃离进行模式，并融入声、光、电等舞台设计特效，还原化工厂生产事故情景，以提高学员安全防护意识与临危不乱的心理素质，强化安全技能、固化安全行为。

6 结语

文章阐述了基于MR混合现实技术，离心泵单元操作的设计和开发过程。并从离心泵的结构、离心泵的工作原理、离心泵的开车操作、离心泵的着火应急处置等方面分析总结了MR技术和离心泵单元操作过程的融合。毋庸置疑，借助MR混合现实的手段，离心泵单元操作过程的可视性和可操作性更强了，学生能够在交互式和沉浸式的学习过程中储备更多的理论知识，获得更多的操作技能。笔者也会不断致力于换热器、加热炉、精馏塔等更多单元操作设备的MR技术开发。

在现代化工大力发展的背景下，化工行业的起点和门槛越来越高，职业院校培养能够胜任现代化工行业一线操作工的责任越来越重。作为一线教师，我们应该从实际出发，找寻更适合现代化工的教学模式。特别是虚拟现实技术和职业教育教学应该做更深度的融合，从而使得职业教育更高质量发展，为现代化工培养更多的匠人。