●篇基礎知識
章自動控制繫統2
1.1自動控制基本原理與組成2
1.1.1自動控制繫統的組成2
1.1.2傳遞函數與方框圖4
1.1.3頻率特性與單位階躍7
1.1.4影響自動控制繫統的因素13
1.2自動控制的分類13
1.3自動控制繫統性能指標16
1.3.1自動控制繫統的狀態16
1.3.2自動控制繫統的過渡過程17
1.3.3控制過程的性能指標18
1.4自動控制繫統各環節特性分析20
1.4.1典型被控對像特性21
1.4.2廣義對像各環節特性對控制品質的影響22
1.5常用PID控制算法特性24
1.5.1比例控制算法24
1.5.2比例積分控制算法25
1.5.3比例微分控制算法27
1.5.4比例積分微分控制算法PID28
1.6PID控制參數整定方法30
1.7單回路控制繫統投用33
第2章流程工業常用工藝知識36
2.1流程工業物流、能源流平衡關繫計算方法36
2.1.1物料衡算算式36
2.1.2物料衡算方法37
2.1.3物料衡算步驟38
2.1.4物料衡算種類38
2.1.5能量衡算基本方法與步驟41
2.2流程工業中的傳熱原理及示例43
2.2.1熱傳導43
2.2.2對流傳熱44
2.2.3輻射傳熱45
2.2.4蒸發45
2.3流程工業分離原理、方法及示例47
2.3.1氣固分離48
2.3.2液固分離49
2.3.3吸收49
2.3.4萃取52
2.3.5精餾55
2.4流程工業化學反應原理及示例61
2.4.1化學反應過程分類61
2.4.2化學反應過程主要技術指標61
2.4.3化學反應過程中的催化劑64
第3章流程工業常用設備66
3.1流體輸送設備及特性66
3.1.1流體輸送設備分類66
3.1.2流體輸送設備主要性能參數68
3.1.3離心泵70
3.1.4往復泵73
3.1.5旋渦泵74
3.1.6軸流泵75
3.1.7流程工業常用泵比較76
3.1.8離心式通風機77
3.1.9羅茨鼓風機77
3.1.10往復式壓縮機78
3.1.11離心式壓縮機79
3.1.12真空泵81
3.2換熱設備及特性82
3.2.1換熱器分類82
3.2.2換熱器主要參數83
3.2.3蒸發器85
3.3分離設備及特性87
3.3.1概述87
3.3.2板式塔87
3.3.3填料塔92
3.3.4萃取設備95
3.3.5結晶設備97
3.3.6氣固分離設備98
3.4化學反應設備及特性99
3.4.1化學反應器的分類99
3.4.2化學反應器的形式與特點100
3.4.3烴類熱裂解——管式裂解爐101
3.4.4氨合成塔106
3.4.5均相反應器109
3.4.6氣液相反應器110
3.4.7氣固相固定床反應器110
3.4.8流化床反應器112
第4章流程工業安全與保護繫統114
4.1流程工業安全與保護基本知識114
4.1.1爆炸114
4.1.2燃燒122
4.1.3靜電123
4.2危險性劃分及安全措施125
4.2.1爆炸性物質及危險場所劃分125
4.2.2石油、化工企業火災危險性及危險場所分類127
4.2.3化學反應危險性評價131
4.2.4常見危險性及安全措施133
4.2.5儲罐安全135
4.3壓力容器和電氣設備安全136
4.3.1壓力容器分類136
4.3.2壓力容器事故危害137
4.3.3防爆電器分類與通用要求141
4.3.4防爆電氣設備防爆類型及原理144
4.4工業防腐147
4.4.1腐蝕機理147
4.4.2金屬腐蝕分類147
4.4.3防腐方法148
4.4.4耐腐蝕材料性能150
4.5流程工業安全保護方法及示例159
4.5.1安全儀表繫統159
4.5.2TRICON三重化冗餘控制166
第5章環境工程170
5.1流程工業對環境污染及防治概述170
5.1.1流程工業固體廢棄物來源及污染特征170
5.1.2大氣排放標準171
5.1.3污水排放標準171
5.1.4流程工業過程污染排放及控制實例177
5.2廢水檢測與處理177
5.2.1表示水質的名詞術語177
5.2.2水體污染的危害177
5.2.3水質檢測與分析179
5.2.4廢水處理182
5.3廢氣控制與處理184
5.3.1氣體監測中常用的術語和定義184
5.3.2廢氣監測185
5.3.3廢氣處理186
5.4廢渣處理189
5.4.1化工廢渣分類189
5.4.2化工廢渣常用處理方法189
5.4.3鉻渣處理190
5.5清潔生產與自動化193
5.5.1清潔生產的定義193
5.5.2清潔生產的主要內容193
5.5.3清潔生產與自動化198
參考文獻200
第2篇測量儀表與執行器
第6章測量技術基礎202
6.1測量的基本概念202
6.1.1概述202
6.1.2測量方法202
6.2誤差分析及測量不確定度203
6.2.1誤差的定義及分類203
6.2.2測量不確定度204
6.2.3測量不確定度與測量誤差的聯繫與區別204
第7章測量儀表205
7.1溫度測量205
7.1.1概述205
7.1.2膨脹式溫度計206
7.1.3壓力式溫度計208
7.1.4熱電偶溫度計210
7.1.5熱電阻溫度計218
7.1.6新型測溫方式221
7.1.件及保護套管的選擇222
7.2壓力測量222
7.2.1概述222
7.2.2液柱式壓力表223
7.2.3彈性式壓力表224
7.2.4物性式壓力表(固態測壓儀表)226
7.2.5壓力信號的電測法227
7.3流量測量227
7.3.1概述227
7.3.2節流式流量計230
7.3.3轉子流量計(又稱浮子流量計)232
7.3.4動壓式流量計232
7.3.5容積式流量計233
7.3.6電磁流量計234
7.3.7流體振動式流量計(又稱旋渦式流量計)235
7.3.8渦輪流量計235
7.3.9超聲波流量計236
7.3.10質量流量計236
7.4物位測量237
7.4.1概述237
7.4.2浮力式液位計237
7.4.3差壓式液位計238
7.4.4電容式物位計239
7.4.5超聲波物位計239
7.4.6現代物位檢測技術239
第8章在線分析儀表240
8.1概述240
8.1.1特點及應用場合240
8.1.2分類240
8.1.3儀表的組成241
8.1.4主要性能指標241
8.2氣體分析儀241
8.2.1熱導式氣體分析儀241
8.2.2紅外氣體分析儀245
8.2.3流程分析儀247
8.3氧分析儀247
8.3.1熱磁式氧分析儀247
8.3.2氧化鋯氧分析儀249
8.4氣相色譜分析儀250
8.4.1測量原理250
8.4.2氣相色譜儀的分類251
8.4.3檢測器252
8.4.4氣相色譜儀的結構253
8.5工業質譜儀及色譜-質譜聯用儀253
8.5.1質譜儀的測量原理254
8.5.2質譜儀的組成255
8.5.3色譜-質譜聯用儀255
8.6石油物性分析儀表256
8.6.1餾程在線分析儀256
8.6.2在線閃點分析儀257
8.6.3在線傾點(濁點)分析儀257
8.6.4在線辛烷值分析儀258
8.7工業電導儀259
8.7.1測量原理259
8.7.2電導法的使用條件260
8.7.3溶液電導的測量260
8.8pH計261
8.8.1測量原理261
8.8.2參比電極和指示電極261
第9章顯示儀表263
9.1概述263
9.2自動平衡式顯示儀表264
9.2.1自動電子電位差計記錄儀264
9.2.2自動平衡電橋記錄儀266
9.3數字式顯示儀表267
9.3.1普通數字式顯示儀表268
9.3.2智能式數字顯示儀表271
9.4數字模擬混合記錄儀271
9.5無紙記錄儀272
9.5.1儀表結構272
9.5.2主要的功能特點273
0章特殊測量及儀表275
10.1微小流量的測量275
10.1.1熱式質量流量計275
10.1.2微小流量變送器277
10.1.3浮子流量計278
10.1.4容積流量計278
10.2大流量的測量279
10.2.1明渠的流量測量279
10.2.2大口徑管道的液體流量測量280
10.2.3大口徑管道的氣體流量測量282
10.3多相流體的流量測量284
10.3.1固液兩相流量的測量284
10.3.2氣液兩相流量的測量285
10.3.3固氣兩相流量的測量286
10.4腐蝕性介質的流量測量288
10.5脈動流量的測量289
10.6介質含水量的測量292
10.7溶液濃度的測量295
10.7.1光學式濃度計295
10.7.2電磁式濃度計296
10.8其他的物性測量296
10.8.1自動密度計296
10.8.2濁度計297
1章執行器300
11.1概述300
11.2電動執行機構300
11.2.1工作原理301
11.2.2伺服放大器301
11.2.3伺服電動機302
11.3氣動執行機構302
11.3.1薄膜式執行機構的工作原理302
11.3.2薄膜式執行機構的輸出力303
11.3.3閥門定位器304
11.3.4活塞式執行機構305
11.4調節閥306
11.4.1工作原理306
11.4.2調節閥的流量特性307
11.4.3調節閥的可調比308
11.4.4調節閥的分類308
11.5執行器的選型原則312
11.5.1執行器的結構形式312
11.5.2調節閥閥芯的選擇313
11.5.3調節閥材料的選擇313
11.5.4流體對閥芯的流向選擇314
參考文獻315
第3篇計算機控制繫統
2章計算機控制繫統概述317
12.1計算機控制繫統的概念和分類317
12.1.1概念317
12.1.2分類320
12.2計算機控制繫統的設計與實施323
12.2.1設計323
12.2.2實施324
3章集散控制繫統325
13.1概述325
13.1.1集散控制繫統的構成325
13.1.2集散控制繫統的廠商325
13.2國內集散控制繫統產品326
13.2.1HOLLiAS-MACS集散控制繫統(北京和利時)326
13.2.2ECS-100X控制繫統333
13.2.3繫統性能指標334
13.2.4繫統特點335
13.2.5繫統技術336
13.2.6ECS-100X繫統應用339
13.3國外集散控制繫統產品341
13.3.1CS3000集散控制繫統(日本橫河)341
13.3.2TPS集散控制繫統(美國霍尼威爾)363
13.3.3SIMATIC PCS7集散控制繫統(德國西門子)372
4章可編程控制器(PLC)376
14.1國內可編程控制器產品376
14.1.1HOLLiAS-LEC G3可編程控制器(杭州和利時)376
14.1.2RD200繫列可編程控制器(蘭州全志電子有限公司)379
14.1.3FC繫列可編程控制器(無錫信捷科技電子有限公司)380
14.2國外可編程控制器產品382
14.2.1SIMATIC S7-400可編程控制器(德國西門子)382
14.2.2Modicon TSX Quantum可編程控制器(美國施耐德)387
14.2.3SYSMAC CP1H繫列可編程控制器(日本歐姆龍)390
5章現場總線控制技術393
15.1現場總線的構成393
15.2國內現場總線產品394
15.2.1NCS3000現場總線(瀋陽中科博威)394
15.2.2ie-FCSTMFB6000現場總線(北京華控技術)396
15.2.3STI-VC2100MA繫列控制插件(上海船舶運輸科學研究所)400
15.2.4EPA分布式網絡控制繫統402
15.3國外現場總線產品408
15.3.1FF基金會現場總線(美國埃默生)408
15.3.2PROFIBUS過程總線(德國西門子)416
15.3.3LonWorks現場總線(美國埃施朗公司)420
6章工業計算機(IPC)技術425
16.1概述425
16.1.1工業計算機的構成425
16.1.2工業計算機的廠商425
16.2國內工業計算機425
16.2.1IPC800繫列工業計算機(北京聯想)425
16.2.2NORCO工業計算機(深圳華北工控)426
16.2.3PCI總線工業計算機(北京康拓)428
16.2.4IPC繫列工業計算機(臺灣研華)430
16.3國外工業計算機432
16.3.1IPC-H繫列P4工業計算機(日本康泰克)432
16.3.2APRE-4200工業計算機(美國APPRO國際公司)433
參考文獻434
第4篇先進控制與綜合自動化
7章過程動態特性與繫統建模436
17.1繫統建模一般原則436
17.2典型過程特性437
17.3機理建模方法及舉例439
17.3.1化工過程機理建模例子440
17.3.2生物反應器建模447
17.3.3機電繫統建模例子450
17.4基於過程數據的實驗建模453
17.4.1繫統辨識建模方法概述453
17.4.2基於線性或非線性回歸方法的建模453
17.4.3由階躍響應曲線辨識模型456
8章復雜控制繫統460
18.1串級控制繫統460
18.1.1串級控制基本原理和結構460
18.1.2串級控制繫統設計461
18.1.3串級控制繫統舉例462
18.2前饋及比值控制463
18.2.1前饋控制繫統的原理和特點463
18.2.2前饋控制繫統的幾種結構形式465
18.2.3比值控制繫統470
18.3特殊控制繫統473
18.3.1均勻控制繫統473
18.3.2選擇性控制繫統474
18.3.3分程控制繫統476
18.3.4閥位控制(VPC)繫統477
18.4繫統關聯與解耦控制477
18.4.1繫統關聯478
18.4.2相對增益478
18.4.3解耦控制設計方法482
9章軟測量技術及應用486
19.1軟測量概述486
19.2軟儀表構建方法487
19.3機理建模軟測量方法及應用489
19.3.1催化裂化反應再生繫統的軟測量模型489
19.3.2汽油飽和蒸氣壓軟測量492
19.3.3氣力輸送固相流量的軟測量494
19.3.4生物反應中生物參數軟測量模型497
19.4基於回歸分析的軟測量方法及應用501
19.4.1回歸分析方法502
19.4.2噴射塔中SO2吸收傳質繫數的軟測量504
19.4.3輕柴油365℃含量軟測量模型506
19.4.4篩板精餾塔板效率的軟測量508
19.5基於神經網絡軟測量模型及應用509
19.5.1神經網絡模型簡介509
19.5.2粗汽油干點和輕柴油傾點軟測量建模512
19.5.3維生素C發酵過程軟測量模型514
第20章先進控制技術516
20.1先進PID控制516
20.1.1數字PID控制516
20.1.2專家PID控制和模糊PID控制520
20.1.3模型PID控制523
20.2純滯後補償控制526
20.3內模控制528
20.4推斷控制532
20.5模型預測控制534
20.6自適應控制541
20.7非線性過程控制545
20.8智能控制551
20.8.1引言551
20.8.2專家控制551
20.8.3模糊控制553
20.8.4神經網絡控制555
第21章監督控制558
21.1實時優化558
21.1.1最優化概念559
21.1.2實時優化的基本要求560
21.1.3最優操作條件分析561
21.2實時優化控制的實施技術563
21.2.1實時優化控制建模563
21.2.2在計算機控制中實施實時優化控制566
21.3最優化算法567
21.3.1優化中的約束問題567
21.3.2線性規劃568
21.3.3二次規劃和非線性規劃569
21.4統計過程控制570
21.4.1統計過程控制的基本原理571
21.4.2過程變量限值檢查法571
21.4.3一般過程監控方法572
21.5統計過程控制技術578
21.5.1過程能力指數578
21.5.26-Sigma方法578
21.5統計技術579
21.5.4過程控制和統計過程控制的關繫581
第22章企業綜合自動化582
22.1計算機綜合集成控制概述582
22.1.1流程工業生產過程運作特點582
22.1.2計算機綜合集成控制583
22.2信息源與信息集成繫統584
22.2.1企業信息和數據來源584
22.2.2信息分類與編碼585
22.2.3企業信息繫統綜合集成技術586
22.3數據校正技術587
22.3.1概述587
22.3.2數據校正原理587
22.3.3過失誤差的偵破原理588
22.3.4過程數據校正技術的工程應用實施588
22.3.5煉油廠的物流數據校正工業應用實例589
22.4信息(數據)驅動下流程工業的運作590
22.4.1企業運行概述591
22.4.2企業決策功能591
22.4.3期望目標(運行)實施593
22.4.4數據驅動下的企業運行594
22.5煉油企業綜合自動化應用示例595
22.5.1某煉油企業信息化概況595
22.5.2實時數據庫繫統596
22.5.3實驗室信息管理(LIMS)繫統600
22.5.4罐區自動化繫統601
22.5.5無鉛汽油管道自動調和繫統602
22.5.6集中控制與先進控制603
22.5.7數據調理與整合604
22.5.8流程模擬軟件的應用605
參考文獻608
第5篇工業生產過程自動控制應用示例
第23章過程控制610
23.1流體輸送過程控制610
23.1.1容積式泵的控制610
23.1.2離心泵的控制610
23.1.3離心式壓縮機的控制611
23.1.4離心式壓縮機的防喘振控制611
23.1.5離心式壓縮機的三重冗餘容錯緊急停車繫統612
23.2傳熱設備的控制614
23.2.1傳熱設備的類型614
23.2.2換熱器的控制614
23.2.3蒸汽加熱器的控制615
23.2.4冷凝冷卻器的控制616
23.2.5加熱爐的控制616
23.3精餾過程控制617
23.3.1精餾塔的控制目標617
23.3.2精餾塔的主要干擾因素618
23.3.3精餾塔被控變量的選取618
23.3.4精餾塔基本控制方案618
23.3.5精餾塔的先進控制方案621
23.4化學反應過程控制624
23.4.1化學反應器的類型和特性624
23.4.2化學反應器的基本控制方案625
23.4.3反應器的新型控制方案626
23.4.4乙烯裂解爐的先進控制方案628
23.5間歇生產過程控制630
23.5.1間歇生產過程特點630
23.5.2間歇生產過程的控制要求631
23.5.3間歇生產過程的自動控制632
23.5.4間歇生產過程操作和調度優化634
23.5.5間歇生產過程監控635
第24章煉油工業生產過程控制639
24.1煉油工業概述639
24.2常減壓蒸餾生產過程控制641
24.2.1加熱爐的控制641
24.2.2常壓塔塔底液位非線性區域控制642
24.2.3支路平衡控制643
24.2.4常減壓蒸餾裝置的先進控制644
24.3催化裂化生產過程控制648
24.3.1反應-再生繫統的控制648
24.3.2主分餾塔的控制649
24.3.3催化裂化先進控制實例651
24.4催化重整生產過程控制654
24.4.1原料預處理控制654
24.4.2重整反應器控制655
24.4.3重整反應器的先進控制656
24.5延遲焦化生產過程控制659
24.5.1延遲焦化裝置的工藝特點659
24.5.2焦化爐控制660
24.5.3塔頂急冷溫度控制660
24.5.4焦炭塔切換擾動前饋控制661
24.5.5延遲焦化裝置的先進控制661
24.6油品調和663
24.6.1油品調和工藝663
24.6.2油品調和控制664
第25章火力發電過程控制668
25.1鍋爐設備的控制668
25.1.1鍋爐汽包水位控制668
25.1.2蒸汽過熱繫統的控制668
25.1.3鍋爐燃燒過程的控制669
25.2汽輪機控制670
25.3汽輪機轉速控制671
25.3.1汽輪機轉速控制的概況671
25.3.2汽輪機轉速控制673
25.4機爐協調控制676
25.4.1汽輪機控制繫統對鍋爐汽壓對像動態特性的影響676
25.4.2機爐協調控制繫統679
25.4.3機爐協調控制繫統的完善以及自動發電控制681
25.4.4機爐協調控制繫統AGC控制中值得深思的問題684
25.5負荷頻率控制(load frequency control)685
25.5.1負荷頻率控制方法及實施方案686
25.5.2多區域互聯電力繫統的PI滑模負荷頻率控制690
第26章鋼鐵行業自動控制繫統692
26.1鋼鐵生產工藝及自動化簡述692
26.2煉鐵生產自動控制697
26.2.1原料場自動控制697
26.2.2燒結自動控制700
26.2.3球團自動控制705
26.2.4煉焦自動化708
26.2.5高爐煉鐵自動控制713
26.2.6非高爐煉鐵自動控制723
26.3煉鋼生產自動控制727
26.3.1鐵水預處理自動控制727
26.3.2轉爐煉鋼自動化730
26.3.3電弧爐煉鋼自動控制738
26.3.4爐外精煉自動控制742
26.3.5連續鑄鋼自動控制745
26.4軋鋼生產自動化749
26.4.1軋鋼生產工藝流程及自動控制概述749
26.4.2軋鋼過程主要自動控制繫統755
第27章輕工造紙生產典型過程控制769
27.1制漿過程的自動控制770
27.1.1間歇蒸煮過程自動控制繫統770
27.1.2連續蒸煮過程自動控制繫統771
27.1.3洗滌、篩選、漂白過程控制773
27.2堿回收過程的自動控制776
27.2.1蒸發控制典型控制繫統777
27.2.2燃燒過程控制778
27.2.3綠液苛化和石灰回收過程控制779
27.3造紙過程的自動控制781
27.3.1打漿控制782
27.3.2配漿控制784
27.3.3流漿箱控制786
27.3.4紙頁質量控制788
參考文獻793
第6篇儀表控制繫統設計基礎
第28章設計概論796
28.1設計條件及資料796
28.2標準規範796
28.3工程設計程序及質量保證體繫799
28.4設計質量保證體繫800
第29章流程工業過程控制及工程設計802
29.1單回路反饋控制回路802
29.2串級控制回路802
29.3前饋-反饋控制回路803
29.4均勻控制回路803
29.5比值控制回路804
29.6分程控制回路804
29.7選擇性控制回路(取代控制)805
29.8多變量介耦控制回路806
29.9非線性控制回路806
29.10先進控制回路807
第30章儀表控制繫統選擇808
30.1控制繫統發展動向808
30.2影響控制繫統品質的幾個因素809
30.3儀表控制繫統選擇810
30.3.1模擬式儀表控制繫統810
30.3.2集散型控制繫統(DCS)810
30.3.3現場總線控制繫統(FCS)815
30.3.4PC控制繫統(IPC)817
30.3.5數據采集及監控繫統(SCADA)817
30.3.6過程安全控制繫統818
30.3.7企業綜合自動化解決方案826
第31章測量方法選擇828
31.1測量精度及誤差828
31.2溫度測量方法的選擇828
31.2.1溫度測量方法的比較829
31.2.2溫度測量方法選擇829
31.3壓力測量方法選擇831
31.4流量測量方法選擇834
31.4.1流量測量誤差分析834
31.4.2流量測量方法使用特點及比較835
31.4.3流量儀表的設計選型839
31.5物位測量方法的選擇843
31.5.1物位測量技術發展動向843
31.5.2物位測量方法的選擇844
31.6在線組分分析方法的選擇850
31.6.1在線分析技術發展動向850
31.6.2在線氣體成分分析技術850
31.6.3在線氣體成分分析技術應用特點853
31.6.4液體特性在線分析技術854
31.6.5液體特性分析儀表應用特點856
31.6.6在線分析采樣繫統設計856
31.6.7現場分析器室設計856
31.6.8可燃氣體/毒性氣體檢測報警繫統設計857
31.7控制閥的選擇857
第32章儀表控制繫統設計及設計文件861
32.1儀表控制室設計861
32.2儀表控制繫統供電設計862
32.3儀表供氣繫統設計863
32.4儀表控制繫統的接地設計863
32.5電氣儀表在危險區域內的安全設計865
32.6現場儀表防護設計869
32.7儀表及測量管線安裝設計872
32.8儀表控制繫統檢驗876
32.9儀表詢價、報價及技術評估877
32.10儀表、控制繫統工程設計文件877
32.10.1儀表、控制繫統工程設計文件組成877
32.10.2生產裝置自控設計程序878
32.10.3儀表、控制繫統工程設計文件內容892
參考文獻898
內容簡介
本手冊是一部自動控制原理和自動化儀表在實際工業生產過程中應用的工具書。手冊共分6篇32章，主要內容包括工業生產過程和自動控制繫統基礎知識；測量儀表和執行器；DCS、PLC、現場總線及工業計算機技術；優選控制技術及企業綜合自動化；工業生產過程自動控制應用示例，其中包括：化工、煉油、火力發電和鋼鐵生產等過程；很後還介紹了儀表控制繫統工程設計的基本知識。本手冊可供廣大從事儀表和自動控制的工程技術人員使用，也可作為大專院校師生以及科技管理工作者的常用參考資料。
