一种工业多变量实验系统技术领域
本发明属于一种实验设备，尤其是涉及一种工业多变量实验系统。
背景技术
目前，高校教学及工厂中经常会做一些工业过程控制方面的实验，例如涉
及压力、流量、温度、电压及电流的实验，通常这些设备体积庞大，且造价比
较高，或者是利用不同的实验设备来完成不同的实验；体积较小的通常是采用
仿真的环境实现的，不能很好的实现工业过程控制方面的实验，导致实验成本
高，操作不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种工业多变量实验系统，该系统结
构紧凑、造价低廉、灵活多用，可以在简单的实验设备上完成压力、液位、流
量、温度、电流、电压等参数的测量和应用，适用于各大高校及工厂教学设计
等方面的使用。
本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的，
一种工业多变量实验系统，包括系统框架、设置在所述系统框架底面上的
水箱和压力罐以及设置在所述系统框架两个侧架之间并置于所述水箱之上的操
作面板，所述水箱和所述压力罐之间设有压力罐入水管线和压力罐出水管线；
所述压力罐上安装有压力变送器，用来检测所述压力罐中的压力；
所述压力罐入水管线的入水口接入所述水箱的出水口，所述压力罐入水管
线的出水口接入所述压力罐的入水口，所述压力罐出水管线的入水口接入所述
压力罐的出水口，所述压力罐出水管线的出水口接入所述水箱的入水口，所述
压力罐入水管线上设有第一循环水泵，所述压力罐出水管线的出水口沿水流方
向均依次设置有第一流量变送器、温度变送器和加热器；
所述操作面板上安装有控制器，所述控制器根据预先设定的压力和所述压
力变送器检测到的所述压力罐中当前压力控制所述第一循环水泵的工作状态，
进而使所述压力罐中的压力保持恒定；所述控制器还根据预先设置的出水温度、
所述温度变送器检测到的当前出水温度和所述第一流量变送器检测到的出水流
量控制所述加热器的实际加热功率。
优选地，所述水箱内设有液位变送器，用来检测所述水箱中的液位；所述
压力罐上安装有电接点气压表和泄压阀，分别用来显示所述压力罐中的压力和
释放所述压力罐中的压力。
优选地，所述压力罐入水管线上设有通断阀、第一逆止阀和第二流量变送
器，所述通断阀靠近所述水箱，所述第二流量变送器靠近所述压力罐，所述第
一逆止阀设置在所述第一循环水泵和所述第二流量变送器之间，所述压力罐出
水管线靠近所述压力罐设置有第三流量变送器。
优选地，所述操作面板上安装有电源装置、HMI(工业人机界面)、电压变送
器、三个电流变送器、至少一个变频器和至少两个交流接触器。
优选地，所述操作面板通过卡槽与所述系统框架活动连接。
优选地，所述压力罐入水管线上还设有第二循环水泵和第二逆止阀，所述
第二循环水泵和所述第二逆止阀与所述第一循环水泵和所述第一逆止阀并联。
优选地，所述变频器的数量为两个，所述交流接触器的数量为四个。
优选地，所述压力罐出水管线设有四个出水口，每个出水口沿水流方向依
次设置有第一流量变送器、温度变送器和加热器。
优选地，所述加热器带有阀门。
优选地，所述控制器为PLC(可编程逻辑控制器)。
本发明提供的工业多变量实验系统以循环水为载体，可以在简单的实验设
备上完成压力、液位、流量、温度、电流、电压等参数的测量和应用，针对工
业过程控制设计，可以完成多个模拟量的测定和运行等方面的实验，方便完成
工业过程控制自动化的实现，并且可以完成对PLC、HMI、变频器等设备的使用
和实验。本发明结构紧凑、造价低廉、灵活多用，适用于各大高校及工厂教学
设计等方面的使用。
附图说明
图1是本发明实施例的工业多变量实验系统结构示意图；
图2是本发明实施例的工业多变量实验系统俯视图(去除操作面板)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明：
本发明提供了一种工业多变量实验系统，如图1所示，包括系统框架1、
设置在系统框架1底面上的水箱2和压力罐3以及通过卡槽活动设置在系统框
架1两个侧架之间并置于所述水箱2之上的操作面板4；水箱2用来盛水，操
作面板4活动设置可方便更换；
水箱2内设有液位变送器19，用来检测水箱2中的液位，压力罐3上方安
装有压力变送器12、电接点气压表13和泄压阀14，压力变送器12用来检测压
力罐中的压力，电接点气压表13用来显示压力罐3中的压力，并且当压力到达
临界点的时候切断电源，以便从电控系统上保护设备及人身安全，当压力罐3
内部的压力达到临界压力时，泄压阀14可将压力释放掉，保证设备及人身安全；
水箱2和压力罐3之间设有压力罐入水管线24和压力罐出水管线25，压
力罐入水管线24的入水口接入水箱2的出水口，压力罐入水管线24的出水口
接入压力罐3的入水口，压力罐出水管线25的入水口接入压力罐3的出水口，
压力罐出水管线25的出水口接入水箱2的入水口，压力罐入水管线24上依次
设有通断阀27、第一循环水泵20、第一逆止阀22和第二流量变送器15，通断
阀27靠近水箱2，第二流量变送器15靠近压力罐3，第一逆止阀22设置在第
一循环水泵20和第二流量变送器15之间；压力罐出水管线25靠近压力罐3
设置有第三流量变送器16，压力罐出水管线25的出水口沿水流方向均依次设
置有第一流量变送器17、温度变送器18和带有阀门的加热器23；
水箱2中的水在第一循环水泵20作用下通过压力罐入水管线24被送至压
力罐3，第二流量变送器15用来检测进入压力罐3中水的流量，逆止阀22的
设置可防止压力罐3中的水倒流至水箱2中；压力罐3中的水通过压力罐出水
管线25从加热器23排出至水箱2中，实现水在水箱2和压力罐3之间的循环，
第三流量变送器16用来检测压力罐3出水口的水流量，第一流量变送器17用
来检测水箱2入水口的水流量，温度变送器18用来检测水箱2入水口的水温，
加热器23用来关断或打开水箱2入水口和改变水箱2入水口的水温。
本实施例中，为了扩充实验的内容，在压力罐入水管线24上还设有第二循
环水泵21和第二逆止阀26，第二循环水泵21和第二逆止阀26与第一循环水
泵20和第一逆止阀22并联。同时在压力罐出水管线25设了四个出水口，每个
出水口沿水流方向均依次设置有第一流量变送器17、温度变送器18和加热器
23。
为了对上述部件进行合理控制和实验数据采集，本实施例在操作面板4上
安装了电源装置5、控制器6、HMI(工业人机界面)7、两个变频器8、四个交流
接触器9、三个电流变送器10和一个电压变送器11，本实施例中控制器6为
PLC(可编程逻辑控制器)，操作面板4上的多个元件可灵活更改和组合，设计不
同的实验；控制器6用来接收各变送器采集到的流量、电流或压力值，并将其
显示在HMI7上；两个变频器8及四个交流接触器9分别用来控制第一循环水泵
20和第二循环水泵21的工作状态，使其工作在工频状态和变频状态，从而控
制水从水箱2到压力罐3的流量；电流变送器10和电压变送器11用来测量出
流入循环水泵的电动机电流和电压。
本实施例的工业多变量实验系统可至少完成以下工业实验，实验过程具体
如下：
压力的闭环控制实验：预先在HMI7上设置需要在压力罐中保持恒定的压
力值，然后启动该实验系统，控制器6便会按照预先设计的程序控制第一循环
泵20和第二循环泵21运行，根据控制算法，在参考压力罐3中当前压力的前
提下决定两台循环水泵是否工作在工频频率还是变频频率状态，进而使压力罐
3中的压力保持恒定，再人为的将压力罐出水管线25出水口处加热器23的开
关打开后，仍然需要保证压力罐3中的压力使之恒定，并且在设备工作过程中
的中间变量及图像均可以在HMI7上显示出来，因此可以完成恒压供水等方面
的实验。
温度的闭环控制实验：预先在HMI7上设置需要的出水温度，然后启动该
实验系统，控制器6便会按照预先设计的程序控制加热器23加热，在加热的过
程中需要参照温度变送器18和第一流量变送器17的参数来决定实际加热的功
率，并且在设备工作过程中的中间变量及图像均可以在HMI7上显示出来，从
而完成温度的自动控制。
流量的闭环控制实验：预先在HMI7上设置压力罐3需要保持的压力，然
后计算需要多少升水进入压力罐3才能满足该压力，启动该实验系统，控制第
一循环泵20和第二循环泵21将水从水箱2送入至压力罐3中，并在该过程中
检测压力罐入水管线24和压力罐出水管线25上的流量及压力罐3的压力变化，
进一步打开压力罐出水管线25出水口处加热器23的开关，在有水流出压力罐
3的情况下，根据流入压力罐3和流出压力罐3的流量进而来保持压力罐3中
的压力，控制器6便会按照预先设计的程序控制加热器23加热，在加热的过程
中需要参照温度变送器18和第一流量变送器17的参数来决定实际加热的功率，
并且在设备工作过程中的中间变量及图像均可以在HMI7上显示出来，从而完
成流量的闭环控制实验。
液位的闭环控制实验：控制器6控制两个变频器8进而控制第一循环泵20
和第二循环泵21将水从水箱2送入至压力罐3中，此时水箱2中的液位必将发
生变化，连接在控制器6上的液位变送器19可以测量出水箱2中的液位，并可
以根据水箱2的底面积计算水箱2中水的变化体积，再通过第二流量变送器15
测得的流量值计算水箱2中水的实际变化量，并以此验证液位和流量的关系，
在实验工作过程中的中间变量及图像均可以在HMI7上显示出来，可以完成液
位等方面的实验。
电流、电压的闭环控制实验：控制器6控制变频器8进而控制第一循环泵
20和第二循环泵21将水从水箱2送入至压力罐3中，连接在控制器6上的电
流变送器10、电压变送器11可以测量第一循环泵20和第二循环泵21中发电
机的电流和电压值，并在HMI7上显示出来，以此可以验证变频器在实际工作
过程中施加在循环水泵上的功率及产生的作用，可以完成电流、电压等方面的
实验。
上述实验中，也可通过四个交流接触器9来控制两个循环水泵的工作状态，
一个循环水泵需要两个交流接触器9，分别控制其工作在工频状态和变频状态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任
何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到
的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。