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

1. 對象系統（工業級材質）

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

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

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

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

2. 檢測與執行儀表

• 流量計： 工業級電磁流量計，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。

• 水質監測模塊：

• 在線pH計： 量程 0 \sim 14 pH，帶溫補功能，響應時間 < 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。

• 調節閥： 電子式電動調節閥，等百分比特性，用于精確控制進水或加藥流量。

3. 電控與自動化核心

• 控制器： 西門子 S7-1200\ CPU\ 1214C\ DC/DC/DC，集成以太網口，擴展 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。

• 人機界面（HMI）： 10 英寸高色深工業觸摸屏，預裝組態畫面。

二、 實驗大綱 (Experimental Syllabus)

大綱分為四個階段，從基礎認識到綜合工藝控制，涵蓋環境工程核心技能點。

模塊一：基礎儀表與特性測試實驗（認知篇）

1. 傳感器校驗實驗： 學習液位、壓力、流量、pH儀表的零點遷移與滿度校準。

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

3. 變頻器調速與泵特性實驗： 探究頻率 f 與流量 Q、揚程 H 的比例規律。

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： 學習 P、I、D 參數對系統穩定性的影響。

2. 串級控制系統實驗： 實現“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 DO 傳感器反饋自動調節風機變頻頻率。

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

模塊四：智能化監控與綜合實訓（進階篇）

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

2. 上位機組態系統開發： 設計工業實時監控界面，實現報警記錄、歷史數據查詢與報表生成。

3. 遠程運維實驗： 學習通過工業物聯網網關進行移動端數據監測。

三、 設計亮點文案

• “所見即所得"的實訓體驗： 所有組件均采用工業級標準，實驗室內完成的控制邏輯可直接遷移至真實的污水處理工程現場。

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

• 安全防護設計： 具備強弱電分離、急停閉鎖、漏電保護以及空轉防燒保護，確保學生操作安全。