热工仪表及环境过程控制综合实验装置

热工仪表及环境过程控制综合实验装置采用模块化结构，由对象系统（水路与罐体）、检测系统（传感器）、控制系统（PLC与变频器）和监控软件四部分组成。

1. 对象系统（工业级材质）

• 储水箱与缓冲池： 100L 不锈钢（304）储水箱，带低液位报警开关；20L 透明有机玻璃反应罐（模拟曝气池/中和池），便于观察流体状态。

• 动力泵组： * 主循环泵：直流水泵或交流变频泵（0.37kW），流量 0 \sim 3 m^3/h，扬程 10m。

• 加药泵：精密步进计量泵，流量 0 \sim 500mL/min，支持 4 \sim 20mA 信号比例控制。

• 管路系统： 工业级 UPVC 或不锈钢管路，配备手动球阀、止回阀及透明视镜。

2. 检测与执行仪表

• 流量计： 工业级电磁流量计，精度 \pm 0.5\% FS，信号输出 4 \sim 20mA。

• 液位计： 投入式静压液位变送器，量程 0 \sim 1m，精度 0.2级。

• 水质监测模块：

• 在线pH计： 量程 0 \sim 14 pH，带温补功能，响应时间 < 30s。

• 溶解氧（DO）仪： 荧光法（无需更换膜片），量程 0 \sim 20mg/L。

• 浊度计（选配）： 散光式在线浊度仪，量程 0 \sim 400 NTU。

• 调节阀： 电子式电动调节阀，等百分比特性，用于精确控制进水或加药流量。

3. 电控与自动化核心

• 控制器： 西门子 S7-1200\ CPU\ 1214C\ DC/DC/DC，集成以太网口，扩展 8 路模拟量输入和 4 路模拟量输出模块。

• 变频器： 高性能通用变频器（如西门子 V20 或施耐德系列），支持 RS485/Modbus 通讯。

• 人机界面（HMI）： 10 英寸高色深工业触摸屏，预装组态画面。

二、 实验大纲 (Experimental Syllabus)

大纲分为四个阶段，从基础认识到综合工艺控制，涵盖环境工程核心技能点。

模块一：基础仪表与特性测试实验（认知篇）

1. 传感器校验实验： 学习液位、压力、流量、pH仪表的零点迁移与满度校准。

2. 对象特性测定实验： 通过阶跃响应曲线法，测定水箱液位和反应池温度的纯滞后时间及时间常数。

3. 变频器调速与泵特性实验： 探究频率 f 与流量 Q、扬程 H 的比例规律。

模块二：基本过程控制实验（自动化篇）

1. 液位/流量单回路PID控制： 学习 P、I、D 参数对系统稳定性的影响。

2. 串级控制系统实验： 实现“液位-流量"串级控制，体验副回路如何快速抑制扰动。

3. 流量比值控制实验： 模拟自来水厂原水与加药量的实时配比控制。

模块三：环境工程专项工艺控制实验（工艺篇）

1. 酸碱中和自动控制（pH控制）： 模拟酸性废水处理，通过 PID 算法控制加药泵，使出水 pH 稳定在 7.0 \pm 0.5。

2. 曝气池溶解氧（DO）恒定控制： 模拟活性污泥法，根据 DO 传感器反馈自动调节风机变频频率。

3. 浊度联动加药控制（絮凝实验）： 根据进水浊度变化，自动计算并投加絮凝剂（模拟混凝沉淀工艺自动化）。

模块四：智能化监控与综合实训（进阶篇）

1. PLC编程逻辑设计： 学生动手编写水厂排泥、反冲洗过程的顺序控制（SFC）程序。

2. 上位机组态系统开发： 设计工业实时监控界面，实现报警记录、历史数据查询与报表生成。

3. 远程运维实验： 学习通过工业物联网网关进行移动端数据监测。

三、 设计亮点文案

• “所见即所得"的实训体验： 所有组件均采用工业级标准，实验室内完成的控制逻辑可直接迁移至真实的污水处理工程现场。

• 紧凑型布局： 占地面积不足 1.5 m^2，不仅节省实验室空间，且高度集成，方便老师进行集体演示教学。

• 安全防护设计： 具备强弱电分离、急停闭锁、漏电保护以及空转防烧保护，确保学生操作安全。