熱工儀表及環(huán)境過程控制綜合實驗裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)，由對象系統(tǒng)（水路與罐體）、檢測系統(tǒng)（傳感器）、控制系統(tǒng)（PLC與變頻器）和監(jiān)控軟件四部分組成。

1. 對象系統(tǒng)（工業(yè)級材質(zhì)）

• 儲水箱與緩沖池： 100L 不銹鋼（304）儲水箱，帶低液位報警開關(guān)；20L 透明有機(jī)玻璃反應(yīng)罐（模擬曝氣池/中和池），便于觀察流體狀態(tài)。

• 動力泵組： * 主循環(huán)泵：直流水泵或交流變頻泵（0.37kW），流量 0 \sim 3 m^3/h，揚(yáng)程 10m。

• 加藥泵：精密步進(jìn)計量泵，流量 0 \sim 500mL/min，支持 4 \sim 20mA 信號比例控制。

• 管路系統(tǒng)： 工業(yè)級 UPVC 或不銹鋼管路，配備手動球閥、止回閥及透明視鏡。

2. 檢測與執(zhí)行儀表

• 流量計： 工業(yè)級電磁流量計，精度 \pm 0.5\% FS，信號輸出 4 \sim 20mA。

• 液位計： 投入式靜壓液位變送器，量程 0 \sim 1m，精度 0.2級。

• 水質(zhì)監(jiān)測模塊：

• 在線pH計： 量程 0 \sim 14 pH，帶溫補(bǔ)功能，響應(yīng)時間 < 30s。

• 溶解氧（DO）儀： 熒光法（無需更換膜片），量程 0 \sim 20mg/L。

• 濁度計（選配）： 散光式在線濁度儀，量程 0 \sim 400 NTU。

• 調(diào)節(jié)閥： 電子式電動調(diào)節(jié)閥，等百分比特性，用于精確控制進(jìn)水或加藥流量。

3. 電控與自動化核心

• 控制器： 西門子 S7-1200\ CPU\ 1214C\ DC/DC/DC，集成以太網(wǎng)口，擴(kuò)展 8 路模擬量輸入和 4 路模擬量輸出模塊。

• 變頻器： 高性能通用變頻器（如西門子 V20 或施耐德系列），支持 RS485/Modbus 通訊。

• 人機(jī)界面（HMI）： 10 英寸高色深工業(yè)觸摸屏，預(yù)裝組態(tài)畫面。

二、 實驗大綱 (Experimental Syllabus)

大綱分為四個階段，從基礎(chǔ)認(rèn)識到綜合工藝控制，涵蓋環(huán)境工程核心技能點(diǎn)。

模塊一：基礎(chǔ)儀表與特性測試實驗（認(rèn)知篇）

1. 傳感器校驗實驗： 學(xué)習(xí)液位、壓力、流量、pH儀表的零點(diǎn)遷移與滿度校準(zhǔn)。

2. 對象特性測定實驗： 通過階躍響應(yīng)曲線法，測定水箱液位和反應(yīng)池溫度的純滯后時間及時間常數(shù)。

3. 變頻器調(diào)速與泵特性實驗： 探究頻率 f 與流量 Q、揚(yáng)程 H 的比例規(guī)律。

模塊二：基本過程控制實驗（自動化篇）

1. 液位/流量單回路PID控制： 學(xué)習(xí) P、I、D 參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2. 串級控制系統(tǒng)實驗： 實現(xiàn)“液位-流量"串級控制，體驗副回路如何快速抑制擾動。

3. 流量比值控制實驗： 模擬自來水廠原水與加藥量的實時配比控制。

模塊三：環(huán)境工程專項工藝控制實驗（工藝篇）

1. 酸堿中和自動控制（pH控制）： 模擬酸性廢水處理，通過 PID 算法控制加藥泵，使出水 pH 穩(wěn)定在 7.0 \pm 0.5。

2. 曝氣池溶解氧（DO）恒定控制： 模擬活性污泥法，根據(jù) DO 傳感器反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻頻率。

3. 濁度聯(lián)動加藥控制（絮凝實驗）： 根據(jù)進(jìn)水濁度變化，自動計算并投加絮凝劑（模擬混凝沉淀工藝自動化）。

模塊四：智能化監(jiān)控與綜合實訓(xùn)（進(jìn)階篇）

1. PLC編程邏輯設(shè)計： 學(xué)生動手編寫水廠排泥、反沖洗過程的順序控制（SFC）程序。

2. 上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)開發(fā)： 設(shè)計工業(yè)實時監(jiān)控界面，實現(xiàn)報警記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢與報表生成。

3. 遠(yuǎn)程運(yùn)維實驗： 學(xué)習(xí)通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行移動端數(shù)據(jù)監(jiān)測。

三、 設(shè)計亮點(diǎn)文案

• “所見即所得"的實訓(xùn)體驗： 所有組件均采用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，實驗室內(nèi)完成的控制邏輯可直接遷移至真實的污水處理工程現(xiàn)場。

• 緊湊型布局： 占地面積不足 1.5 m^2，不僅節(jié)省實驗室空間，且高度集成，方便老師進(jìn)行集體演示教學(xué)。

• 安全防護(hù)設(shè)計： 具備強(qiáng)弱電分離、急停閉鎖、漏電保護(hù)以及空轉(zhuǎn)防燒保護(hù)，確保學(xué)生操作安全。