AE2000B型过程控制实验系统使用手册

AE2000B型

过程控制实验系统使用手册

目录

第一章DDC控制简述.....................3

（一）、ICP8017模块的功能介绍：.....................4

（二）、7000UTILITY软件的使用说明....................5

（四）、ICP7000计算机组态介绍.......................9

第二章系统主题实验......................13

实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验................13

实验二、二阶双容系统对象特性测试实验................18

实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验..................23

实验四、单容水箱液位PID整定实验....................28

实验五、串接双容水箱液位PID整定实验................33

实验六、锅炉内胆水温PID整定实验（动态）............37

实验七、锅炉夹套水温PID整定实验（动态）............42

实验八、电磁流量计流量PID控制实验.................46

实验九、上水箱和中水箱液位串级PID控制实验.........50

实验十、锅炉内胆和夹套温度串级控制系统..............53

实验十一、电磁和涡轮流量比值控制系统实验............57

第一章DDC控制简述

自动化技术是当今举世瞩目的高技术之一，也是今后实现工业高度自动化

重点要发展的一个高科技领域。现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技

术被认为是发展最为迅速的两个分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的

产物，是工业自动化的重要支柱。计算机控制可分为集中控制、分布式控制和

直接数字控制等。直接数字控制（DDC）系统是用一台工业计算机配以适当的

输入输出设备，从生产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控制算法

（如PID、内回流等）计算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构

上，实现对整个生产、实验过程的闭环控制，通常它有几十个控制回路。

它的框图如图1-1所示从上图可看出，

DOC柠;Wil一机

KV7017-JVDKT7O24-D/A

AE2000过丹抨制实40对望系块

图1.1DDC系统结构框

实验过程中的各种物理量（如温度、压力、流量、液位等），由一次仪表

（如温度变送器、压力变送器等）测量放大，统一变换为4〜20mA（或1-5V）

信号，通过ICP8017模数转换，作为DDC的输入，计算机按照预定的控制程

序，对被测量进行必要的处理、分析和比较，并按一定的规律（如PID控制规

律）进行运算，从而得出控制量的改变值，输出到ICP8024数模转换直接控制

执行机构。ICP8017是带通讯功能的AD采集卡，ICP8024是带通讯功能的DA

输出卡。作为工控机AD采集卡的延伸产品在工控领域得到了广泛的应用。

(一)、ICP8017模块的功能介绍：

ICP8017模块：8通道模拟量输入模块。

工作电源：直流24V

输入类型：电压、电流。

输入范围:150~150mv,-500-500mv,-l~1v,-5~5v,・10~1()v,-2〜20mA

通讯方式：485通讯

ICP8017模块外部接线图：任一通道接线图：

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图1-2ICP8017某一通道接线图

VIN64

VIN6-

图1-3ICP8017接线图

ICP8024模块：4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。

工作电源：直流24V

电流输出范围：0~20mA,4〜20mA

电压输出范围：-10v~10v,0-l0v,・5〜5V,0〜5V

通讯方式：485通讯

ICP8024模块外部接线图：任一通道接线方式：

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图1-4ICP8024接线图

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图1-5ICP8024接线图

（二）、7000Ut*ty软件的使用说明

如图所示:

7060702!70I2D7520

图l-67000UHlity软件启动界面

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图l-77000Utility软件设置界面

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i834

图1-87OOOUlility软件通讯检测界面

7000Utility软件主要是为7000系列的模块提供以下功能:

检测与主机相连的7000系列模块。

设置7000系列的配置。

对7000系列各个模块执行数据输入或数据输出。

保存检测到模块的信息（文件格式为*.map）

（三）、MCGS组态软件的介绍：

MCGS组态软件的安装盘只有一张光盘。具体安装步骤如下:

启动Windows；

在相应的驱动器中插入光盘；

插入光盘后会自动弹出MCGS安装程序窗口（如没有窗口弹出，则从

Windows的“开始”菜单中，选择“运行...“命令,运行光盘中AutoRun.exe文

件），MCGS安装程序窗口如下图所示：

全中文工控的态软件

r软件■阳・

'靛MAG昌■>«[&——

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博JV1《CG国SrEkfki

在安装程序窗口中选择“安装MCGS组态软件通用版”，启动安装程序

开始安装；

随后，安装程序将提示你指定安装目录，用户不指定时，系统缺省安装到

D:\MCGS目录下，如下图所示:

安装过程大约要持续数分钟；MCGS系统文件安装完成后，安装程序要

建立象标群组和安装数据库引擎，这一过程可能持续几分钟，请耐心等待；

安装过程完成后，安装程序将弹出“安装完成”对话框，上面有两个复选

框，重新启动计算机和不启动计算机。一般在计算机上初次安装时需要选择重

新启动计算机。按下“完成”按钮，将结束安装程序的运行，如下图所示：

安装完成后，Windows操作系统的桌面上添加了如下图所示的两个图

标，分别用于启动MCGS组态环境和运行环境:

0盘

MCG5运行环MCG5矩态环

境境

同时，Windows开始菜单中也添加了相应的MCGS程序组，如下图所

示；MCGS程序组包括五项：MCGS组态环境、MCGS运行环境、MCGS电子

文档、MCGS自述文件以及卸载MCGS组态软件。运行环境和组态环境为软件

的主体程序，自述文件描述了软件发行时的最后信息，MCGS电子文档则包含

了有关MCGS最新的帮助信息。

由Adobe►I

W]discreet►I

国InstallShieW►I

Macromedia►I

目MCGS组态软件►1?MCGS电子文档

L勺MicrosoftDeveloperNetwork►回|MCGS运行环境

定MicrosoftOffice工具►名MCGS自述文件

（§|MicrosoftSQLServer-Switch►度MCGS组态环境

MicrosoftSQLServer7.0►遁卸载MCGS组态软件

忘MicrosoftVisualStudio6.0►!

Sj冏件►|

MCGS系统的运行方式

MCGS系统分为组态环境和运行环境两个部分。文件McgsSct.exe对应于

MCGS系统的组态环境，文件McgsRun.exe对应于MCGS系统的运行环境。

此外，系统还提供了几个组态完好的样例工程文件，用于演示系统的基本

功能。

MCGS系统安装完成后，在用户指定的目录（或系统缺省目录D:\MCGS）

下创建有三个子目录：Program、Samples和Work。组态环境和运行环境对应的

两个执行文件以及MCGS中用到的设备驱动、动画构件及策略构件存放在子目

录Program中，样例工程文件存放在Samples目录下，Work子目录则是用户的

缺省工作目录。

分别运行执行程序McgsSet.exe和McgsRun.exe,就能进入MCGS的组态

环境和运行环境。安装完毕后，运行环境能自动加载并运行样例工程。用户可

根据需要创建和运行自己的新工程。

（四）、ICP7000计算机组态介绍

ICP7000通过RS485转232通讯硬件和组态软件进行设备通讯组态，可采

集到ICP8017输入模块送来的（如：液位、温度、流量）检测信号，在组态软

件里编写（液位、温度、流量）PID控制算法，由计算机送出输出控制信号到

ICP8024再经由他们送出到执行机构的控制端，即可组成闭环控制。通过画面

组态，动画组态和策略组态等，可以良好的完成计算机动态实时监控对象的运

行情况。并作出丰富的动态实时、历史图形曲线。

1、组态说明：组态一共可以分主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据

库、运行策略5大块内容，完成这五项，即完成的组态的全过程。在用户窗口

选项菜单里，所有的计算机监控界面组态窗口都在用户窗口菜单项里建立。如

下图所示:

■[工作自：DAMCGS'AtZOOOAOAMMCG]

加文声电«»：E>ItfO*A<DIMID皿跄帖功:til二14J凶

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山水用下水IB施色#级退出美示

ICP8017和ICP8024数据采集是通过下图所示的设备窗口组态来完成的。

详细设置请参看组态软件的帮助文档。

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07017Tle470171

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OP1D-IP1D拄制就设各|

根据不同的实验需要采集的数据不同，设置不同的通道，本装置同时提供

4路电压输入通道。若实验中只要用到一个通道，则不同的实验可以共用一个

通道。比如:通道ADO上的数据对象为pvl,那么流量、温度、液位等都可以通

过这个通道采集上来，只是需要在用户窗口里的控制脚本中把pvl转化为流

量、温度、液位的对应值即可。

通道组态连接表:

实验名称ICP8017通道值ICP8024通遑

接入信号数据对象对应通道数据对象通道号

号

实验一、一阶上水箱液位pvlADO0P2DAO

单容系统对象

特性测试实验

实验二、二阶中水箱液位pvlADO0P2DAO

双容系统对象

特性测试实验

实验三、锅炉锅炉水温pvlADOOP2DAO

内胆温度二位

式控制实验

实验四、上水上水箱液位pvlADO0P2DAO

箱液位PID整

定实验

实验五、双容中水箱液位pvlADOOP2DAO

中水箱液位控

制实验

实验六、锅炉锅炉水温pvlADOOP2DAO

内胆温度控制

实验（动态）

实验七、锅炉夹套pvlADOOP2DAO

夹套温度控制

实验（动态）

实验八、电磁电磁流量pvlADOOP2DAO

流量计流量控

制实验

实验九、上中中水箱液位pvl（主控）ADOOP4DAI

水箱液位串级上水箱液位pv2（副控）ADI

控制实验

实验十、锅炉夹套温度pvl（主控）ADOOP4DAI

内胆温度和夹内胆温度pv2（副控）ADI

套温度串级控

制实验

实验十一、电电磁流量pvl（主控）ADOOP4DAI

磁流量与涡轮涡轮流量pv2（副控）ADI

流量比值

下图所示是主画面的组态界面：包括对象的动力支路演示、实时液位的跟

踪、给定值的设定、参数的调节、实时曲线和历史曲线的记录、通讯状态的指

示等。

下图所示的是实时数据库选项：在实时数据库里建立数据对象名称，组态

里需要用到的变量（如液位、温度、流量、中间变量、比例、积分、微分等）

均在此定义，且一个变量对应一个点，点数不能超过128点，若超过128点,

运行将出错。

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旧涡型流量㈢下木箱液位配下木福液位

祖一所特性液位组

在组态环境运行组态好的程序可以直接按F5或点击回按钮即可进入运行

环境。

第二章系统主题实验

实验一、一阶单容水箱对象特性测试实验

一、实验目的

1.熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2.根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别

确定它们的参数。

二、实验设备

AE2000B型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-

485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、系统结构框图

单容水箱的系统结构框图如图1-1所示。

四、实验原理

阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或

其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数

据或阶跃响应曲线。然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处

理，确定模型中各参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法。不同的模型结构，有不同的图解

方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时.，常可用两点法直接

求取对象参数。

如图2-1所示，设水箱的进水量为Q1,出水量为Q2,水箱的液面高度为

h,出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得:

dzih

R*C*——+4h=RJAQz

2dt'

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

US)_H(s)=R2=K

Q<S)R/C*S+1-T*S+1

式中，T为水箱的时间常数(注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间

常数)，T=R2*C,K=R2为单容对象的放大倍数，RI、R2分别为VI、V2阀的

液阻，C为水箱的容量系数。令输入流量Q1的阶跃变化量为R0,其拉氏变换

式为QI(S)=RO/S,RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为:

KR。_______KRnKRj

H(S)=

S(TS+1)=-r-S+lT

当匚T时，则有:

h(T尸KR0(1-e-1)=0.632KRO=0.632h(8)

即h(t)=KRO(l-e-tzT)

当if8时，h(8)=KR0,因而有

K=h(00)/RO:输出稳态值/阶跃输入

一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。当由

实验求得图1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线.二升到稳态值的63%所对应时

间，就是水箱的时间常数T,该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作

切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T,其理论依据是：

dh叫1(九"ft_KR。h(8)

dtt-oTlwnTT

上式表示h(t)若以在原点时的速度h(8)/T恒速变化，即只要花T秒

时间就可达到稳态值h(8)。

图1-2阶跃响应曲线

五、实验内容和步骤

1、设备的连接和检查

1).往AE2000B型过程控制对象的储水箱灌水，水位达到总高度的9()%以

上时停止灌水。

2).打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往

其它对象的切爽阀门。

3).打开上水箱出水阀至适当的开度。

4).检查电源开关是否关闭。

2、系统连线

1)如图1-3所示，将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到1〜

5V位置。

20nAR/L

杓〃.入切A

+oo

STF

RHQ

.SD

oo

2)将上水箱液位+(正极)接到ICP8017的A/Io+端,上水箱液位一(负

极)接到ICP8017的A/Io一端。

3)将ICP8024的A/Oo+端接至电动调节阀的4~2()mA输入端的+端(即正

极)，将ICP8024的A/Oo一端接至电动调节阀的4~20mA输入端的一

端(即负极)。

4)电源控制板上的电源空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。

3、启动实验装置

1).将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

2).打开电源带漏电保护空气开关。

3).打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。

4、实验步骤

1).开启24VDC电源开关和ICP8017、8024电源开关。

2).启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图1-4所示:

图1-4、实验软件界面

3).点击设置输出按钮，设定输出值的大小，这个值根据阀门开度的大小来

给定，一般初次设定值＜35。开启单相泵电源开关，启动动力支路。将

被控参数液位高度控制在30%处(一般为10cm)。

4).观察系统的被调量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记

求调节仪输出值，以及水箱水位的高度hl和8024的测量显示值并填入

表1-1O

表1-1

8024输出值(0-100)水箱水位高度hl(cm)

5).迅速增加手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过

程参数,它们均可在上位软件上获得°以所获得的数据绘制变化曲线0

表1-2

T(秒)

水箱水位hl(cm)

6).直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的下列数据，并填入表1-3。

表1-3

8024输出值(0-100)水箱水位高度hl(cm)

7).将仪表输出值调回到步骤5)前的位置，再记录由此引起的阶跃响应过

程参数与曲线。填入表l-4o

表1-4

t(秒)

水箱水位hl(cm)

8).重复上述实验步骤。

六、实验报告要求

1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。

2、根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。

七、注意事项

1、本实验过程中，出水阀不得任意改变开度大小。

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因

读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。一般阶跃信号取

正常输入信号的5%~15%。

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

八、思考题

1、在做本实验时，为什么不能任意变化上水箱出水阀的开度大小？

2、用两点法和用叨线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？

实验二、二阶双容系统对象特性测试实验

一、实验目的

1.熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

2.根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特

性。

二、实验设备

AE2000B型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-

485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

双容水箱的系统结构框图如图2-1所示。

图2-1双容水箱系统结构图

图2-2变化曲线

如图2-2所示，这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱

的水位h2o当输入量有一个阶跃增加AQ1时，输出量变化的反应曲线如图2-

38所示的Ah2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是就使调节对象的飞升特性

在时间上更加落后一步。在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截

出一段时间0A。这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向

后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以TC代表之。

设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2为输出量，根据物

料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：

■^7-5Je一J

式中K=R3,T1=R2C1,T2=R3C2,R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，

Cl和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1和T2须从由实验

求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在图2-7所示的阶跃响应曲线上

取：

1)>h2(t)稳态值的渐近线h2(8)；

2)、h2(t)|t=tl=().4h2(8)时曲线上的点A和对应的时间tl；

3)、h2(t)3t2=0.8h2Q)时曲线上的点B和对应的时间t2°

然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数K、T1和T2。其中：

屈(8)=输入德福值

-费丁一阶力输入星

ti+ti

Ti+Tim

T16

TITIQ.748-055)

(Ti+Tx)1

对于式(2-1)所示的二阶过程，0.32<tl/t2<0.46«当tl/t2=0.32时，可近

似为一阶环节；当tl/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2(此时

Tl=T2=T=(tl+t2)/2*2.18)

图2-3阶跃响应曲线

四、实验步骤

1、设备的连接和检查

1).打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往

其它对象的切换阀门。

2).打开上水箱出水阀和中水箱的出水阀至适当的开度。

3).检查电源开关是否关闭。

2、系统连线

接线如图2-4所示：

输出通道

k

A/00

一

4-OUA”2位<-20aAR/L

杓初，入用利，,杓“■入切捻

+oo

STF

RHQ

_SD

L-@-O-oo

__//_________>

图2-4实验接线图

1).将中水箱液位+接到8017的A/Io+端，中水箱液位一(负端)接到8017

的A/Io一端。

2).将8024的A/Oo+端接至电动调节阀的4~2()mA输入端的+端，将8024

的A/Oo一端接至电动调节阀的4〜2()mA输入端的一。

3).电源控制板上的电源空气开关、丹麦泵电源开关打在关的位置。

3、实验步骤

1).打开空气开关，开启24VDC电源开关，下水箱液位传感器输出信号为

1〜5V电压信号。

2).启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验界面如图2-5所

/Ko

图2-5实验软件界面

3).开启单相泵电源开关，启动动力支路，手动将输出值迅速上升到小于等

于1(),将被控参数液位高度控制在3()%处(一般为10cm)。

4).观察系统的被调量一一水箱的水位是否趋于平衡状态。若己平衡，应记

录调节仪输出值，以及水箱水位的高度h2和测量显示值并填入表2-1o

表2-1

输出值(0-100)水箱水位高度h2(cm)显示值(cm)

5).迅速增加手动输出值，增加1()%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过

程参数，均可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程变化曲

线。

表2-2

T(秒)

水箱水位h2(cm)

测量值读数(cm)

6).直到进入新的平衡状态。再次记录测量数据，并填入表2-3。

表2-3

输出值(0-100)水箱水位高度h2(cm)显示值(cm)

7).将输出值调回到步骤5)前的位置，再记录由此引起的阶跃响应过程参

数与曲线。填入表2-4

表2-4

T(秒)

水箱水位h2(cm)

测量值读数(cm)

8).重复上述实验步骤。

五、注意事项

1、做实验过程中，中水箱出水阀不得任意改变开度大小。

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止影

响对象特性参数的精确性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

六、实验报告要求

1、作出二阶环节的阶跃响应曲线。

2、根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。

3、试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。

七、思考题

1、在做本实验时，为什么不能任意变化中水箱出水阀的开度大小？

2、用两点法和用切线法对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？

实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验

一、实验目的

1、熟悉实验装置，了解二位式温度控制系统的组成。

2、掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性。

二、实验设备

AE2000B型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-

485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

三、实验原理

1、温度传感器

温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电阻值

随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度关系式如下：

Rt=RtO[l+a（t-tO）]

式中Rt——温度为t（如室温20℃）时的电阻值；

RtO——温度为t（）（通常为0℃）时的电阻值；

Q——电阻的温度系数。

可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出

电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。

虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们并不能都作

为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：电阻温度系数小、电阻率

要大、热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好

的重复性；并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。

但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。根据具体情

况，目前应用最广泛的热电阻材料是伯和铜。本装置使用的是钻电阻元件

PT100,并通过温度变送器（测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调

节器）将电阻值的变化转换为电压信号。

伯电阻元件是采用特殊的工艺和材料制成，具有很高的稳定性和耐震动等

特点，还具有较强的抗氧化能力。

在0~650℃的温度范围内，始电阻与温度的关系为：

Rt=RtO(l+At+Bt24-Ct3)

式中Rt——温度为t(如室温2()℃)时的电阻值；

RtO一一温度为tO(通常为()℃)时的电阻值；

A、B、C是常数，一般A=3.90802*10—31/℃,B=-5.802*10-