熱工儀表及環(huán)境過程控制綜合實(shí)驗(yàn)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(bào)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(dòng)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(jì)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(dòng)球閥、止回閥及透明視鏡。

2. 檢測與執(zhí)行儀表

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

• 液位計(jì)： 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(jì)： 量程 0 \sim 14 pH，帶溫補(bǔ)功能，響應(yīng)時(shí)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(jì)（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(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)大綱 (Experimental Syllabus)

大綱分為四個(gè)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(shí)驗(yàn)（認(rèn)知篇）

1. 傳感器校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)： 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(shí)驗(yàn)： 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(shí)間及時(shí)間常數(shù)。

3. 變頻器調(diào)速與泵特性實(shí)驗(yàn)： 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(shí)驗(yàn)（自動(dòng)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(shí)驗(yàn)： 實(shí)現(xiàn)“液位-流量"串級控制，體驗(yàn)副回路如何快速抑制擾動(dòng)。

3. 流量比值控制實(shí)驗(yàn)： 模擬自來水廠原水與加藥量的實(shí)時(shí)配比控制。

模塊三：環(huán)境工程專項(xiàng)工藝控制實(shí)驗(yàn)（工藝篇）

1. 酸堿中和自動(dòng)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?dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻頻率。

3. 濁度聯(lián)動(dòng)加藥控制（絮凝實(shí)驗(yàn)）： 根據(jù)進(jìn)水濁度變化，自動(dòng)計(jì)算并投加絮凝劑（模擬混凝沉淀工藝自動(dòng)化）。

模塊四：智能化監(jiān)控與綜合實(shí)訓(xùn)（進(jìn)階篇）

1. PLC編程邏輯設(shè)計(jì)： 學(xué)生動(dòng)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(jì)工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)報(bào)警記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢與報(bào)表生成。

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

三、 設(shè)計(jì)亮點(diǎn)文案

• “所見即所得"的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)： 所有組件均采用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的控制邏輯可直接遷移至真實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)： 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。