[正版]自动化与仪表工程师手册 精装 自动控制原理和自动化仪表在实际工业生产过程中的应用工具书 工业生产过程和自动控制系

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本手册是一部自动控制原理和自动化仪表在实际工业生产过程中应用的工具书。手册共分6篇32章，主要内容包括工业生产过程和自动控制系统基础知识；测量仪表和执行器；DCS、PLC、现场总线及工业计算机技术；优选控制技术及企业综合自动化；工业生产过程自动控制应用示例，其中包括：化工、炼油、火力发电和钢铁生产等过程；最后还介绍了仪表控制系统工程设计的基本知识。本手册可供广大从事仪表和自动控制的工程技术人员使用，也可作为大专院校师生以及科技管理工作者的常用参考资料。

●第1篇基础知识

第1章自动控制系统2

1.1自动控制基本原理与组成2

1.1.1自动控制系统的组成2

1.1.2传递函数与方框图4

1.1.3频率特性与单位阶跃7

1.1.4影响自动控制系统的因素13

1.2自动控制的分类13

1.3自动控制系统性能指标16

1.3.1自动控制系统的状态16

1.3.2自动控制系统的过渡过程17

1.3.3控制过程的性能指标18

1.4自动控制系统各环节特性分析20

1.4.1典型被控对象特性21

1.4.2广义对象各环节特性对控制品质的影响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比例积分控制算法25

1.5.3比例微分控制算法27

1.5.4比例积分微分控制算法PID28

1.6PID控制参数整定方法30

1.7单回路控制系统投用33

第2章流程工业常用工艺知识36

2.1流程工业物流、能源流平衡关系计算方法36

2.1.1物料衡算算式36

2.1.2物料衡算方法37

2.1.3物料衡算步骤38

2.1.4物料衡算种类38

2.1.5能量衡算基本方法与步骤41

2.2流程工业中的传热原理及示例43

2.2.1热传导43

2.2.2对流传热44

2.2.3辐射传热45

2.2.4蒸发45

2.3流程工业分离原理、方法及示例47

2.3.1气固分离48

2.3.2液固分离49

2.3.3吸收49

2.3.4萃取52

2.3.5精馏55

2.4流程工业化学反应原理及示例61

2.4.1化学反应过程分类61

2.4.2化学反应过程主要技术指标61

2.4.3化学反应过程中的催化剂64

第3章流程工业常用设备66

3.1流体输送设备及特性66

3.1.1流体输送设备分类66

3.1.2流体输送设备主要性能参数68

3.1.3离心泵70

3.1.4往复泵73

3.1.5旋涡泵74

3.1.6轴流泵75

3.1.7流程工业常用泵比较76

3.1.8离心式通风机77

3.1.9罗茨鼓风机77

3.1.10往复式压缩机78

3.1.11离心式压缩机79

3.1.12真空泵81

3.2换热设备及特性82

3.2.1换热器分类82

3.2.2换热器主要参数83

3.2.3蒸发器85

3.3分离设备及特性87

3.3.1概述87

3.3.2板式塔87

3.3.3填料塔92

3.3.4萃取设备95

3.3.5结晶设备97

3.3.6气固分离设备98

3.4化学反应设备及特性99

3.4.1化学反应器的分类99

3.4.2化学反应器的形式与特点100

3.4.3烃类热裂解——管式裂解炉101

3.4.4氨合成塔106

3.4.5均相反应器109

3.4.6气液相反应器110

3.4.7气固相固定床反应器110

3.4.8流化床反应器112

第4章流程工业安全与保护系统114

4.1流程工业安全与保护基本知识114

4.1.1爆炸114

4.1.2燃烧122

4.1.3静电123

4.2危险性划分及安全措施125

4.2.1爆炸性物质及危险场所划分125

4.2.2石油、化工企业火灾危险性及危险场所分类127

4.2.3化学反应危险性评价131

4.2.4常见危险性及安全措施133

4.2.5储罐安全135

4.3压力容器和电气设备安全136

4.3.1压力容器分类136

4.3.2压力容器事故危害137

4.3.3防爆电器分类与通用要求141

4.3.4防爆电气设备防爆类型及原理144

4.4工业防腐147

4.4.1腐蚀机理147

4.4.2金属腐蚀分类147

4.4.3防腐方法148

4.4.4耐腐蚀材料性能150

4.5流程工业安全保护方法及示例159

4.5.1安全仪表系统159

4.5.2TRICON三重化冗余控制166

第5章环境工程170

5.1流程工业对环境污染及防治概述170

5.1.1流程工业固体废弃物来源及污染特征170

5.1.2大气排放标准171

5.1.3污水排放标准171

5.1.4流程工业过程污染排放及控制实例177

5.2废水检测与处理177

5.2.1表示水质的名词术语177

5.2.2水体污染的危害177

5.2.3水质检测与分析179

5.2.4废水处理182

5.3废气控制与处理184

5.3.1气体监测中常用的术语和定义184

5.3.2废气监测185

5.3.3废气处理186

5.4废渣处理189

5.4.1化工废渣分类189

5.4.2化工废渣常用处理方法189

5.4.3铬渣处理190

5.5清洁生产与自动化193

5.5.1清洁生产的定义193

5.5.2清洁生产的主要内容193

5.5.3清洁生产与自动化198

参考文献200

第2篇测量仪表与执行器

第6章测量技术基础202

6.1测量的基本概念202

6.1.1概述202

6.1.2测量方法202

6.2误差分析及测量不确定度203

6.2.1误差的定义及分类203

6.2.2测量不确定度204

6.2.3测量不确定度与测量误差的联系与区别204

第7章测量仪表205

7.1温度测量205

7.1.1概述205

7.1.2膨胀式温度计206

7.1.3压力式温度计208

7.1.4热电偶温度计210

7.1.5热电阻温度计218

7.1.6新型测温方式221

7.1.7测温元件及保护套管的选择222

7.2压力测量222

7.2.1概述222

7.2.2液柱式压力表223

7.2.3弹性式压力表224

7.2.4物性式压力表(固态测压仪表)226

7.2.5压力信号的电测法227

7.3流量测量227

7.3.1概述227

7.3.2节流式流量计230

7.3.3转子流量计(又称浮子流量计)232

7.3.4动压式流量计232

7.3.5容积式流量计233

7.3.6电磁流量计234

7.3.7流体振动式流量计(又称旋涡式流量计)235

7.3.8涡轮流量计235

7.3.9超声波流量计236

7.3.10质量流量计236

7.4物位测量237

7.4.1概述237

7.4.2浮力式液位计237

7.4.3差压式液位计238

7.4.4电容式物位计239

7.4.5超声波物位计239

7.4.6现代物位检测技术239

第8章在线分析仪表240

8.1概述240

8.1.1特点及应用场合240

8.1.2分类240

8.1.3仪表的组成241

8.1.4主要性能指标241

8.2气体分析仪241

8.2.1热导式气体分析仪241

8.2.2红外气体分析仪245

8.2.3流程分析仪247

8.3氧分析仪247

8.3.1热磁式氧分析仪247

8.3.2氧化锆氧分析仪249

8.4气相色谱分析仪250

8.4.1测量原理250

8.4.2气相色谱仪的分类251

8.4.3检测器252

8.4.4气相色谱仪的结构253

8.5工业质谱仪及色谱-质谱联用仪253

8.5.1质谱仪的测量原理254

8.5.2质谱仪的组成255

8.5.3色谱-质谱联用仪255

8.6石油物性分析仪表256

8.6.1馏程在线分析仪256

8.6.2在线闪点分析仪257

8.6.3在线倾点(浊点)分析仪257

8.6.4在线辛烷值分析仪258

8.7工业电导仪259

8.7.1测量原理259

8.7.2电导法的使用条件260

8.7.3溶液电导的测量260

8.8pH计261

8.8.1测量原理261

8.8.2参比电极和指示电极261

第9章显示仪表263

9.1概述263

9.2自动平衡式显示仪表264

9.2.1自动电子电位差计记录仪264

9.2.2自动平衡电桥记录仪266

9.3数字式显示仪表267

9.3.1普通数字式显示仪表268

9.3.2智能式数字显示仪表271

9.4数字模拟混合记录仪271

9.5无纸记录仪272

9.5.1仪表结构272

9.5.2主要的功能特点273

第10章特殊测量及仪表275

10.1微小流量的测量275

10.1.1热式质量流量计275

10.1.2微小流量变送器277

10.1.3浮子流量计278

10.1.4容积流量计278

10.2大流量的测量279

10.2.1明渠的流量测量279

10.2.2大口径管道的液体流量测量280

10.2.3大口径管道的气体流量测量282

10.3多相流体的流量测量284

10.3.1固液两相流量的测量284

10.3.2气液两相流量的测量285

10.3.3固气两相流量的测量286

10.4腐蚀性介质的流量测量288

10.5脉动流量的测量289

10.6介质含水量的测量292

10.7溶液浓度的测量295

10.7.1光学式浓度计295

10.7.2电磁式浓度计296

10.8其他的物性测量296

10.8.1自动密度计296

10.8.2浊度计297

第11章执行器300

11.1概述300

11.2电动执行机构300

11.2.1工作原理301

11.2.2伺服放大器301

11.2.3伺服电动机302

11.3气动执行机构302

11.3.1薄膜式执行机构的工作原理302

11.3.2薄膜式执行机构的输出力303

11.3.3阀门定位器304

11.3.4活塞式执行机构305

11.4调节阀306

11.4.1工作原理306

11.4.2调节阀的流量特性307

11.4.3调节阀的可调比308

11.4.4调节阀的分类308

11.5执行器的选型原则312

11.5.1执行器的结构形式312

11.5.2调节阀阀芯的选择313

11.5.3调节阀材料的选择313

11.5.4流体对阀芯的流向选择314

参考文献315

第3篇计算机控制系统

第12章计算机控制系统概述317

12.1计算机控制系统的概念和分类317

12.1.1概念317

12.1.2分类320

12.2计算机控制系统的设计与实施323

12.2.1设计323

12.2.2实施324

第13章集散控制系统325

13.1概述325

13.1.1集散控制系统的构成325

13.1.2集散控制系统的厂商325

13.2国内集散控制系统产品326

13.2.1HOLLiAS-MACS集散控制系统(北京和利时)326

13.2.2ECS-100X控制系统333

13.2.3系统性能指标334

13.2.4系统特点335

13.2.5系统技术336

13.2.6ECS-100X系统应用339

13.3国外集散控制系统产品341

13.3.1CS3000集散控制系统(日本横河)341

13.3.2TPS集散控制系统(美国霍尼威尔)363

13.3.3SIMATIC PCS7集散控制系统(德国西门子)372

第14章可编程控制器(PLC)376

14.1国内可编程控制器产品376

14.1.1HOLLiAS-LEC G3可编程控制器(杭州和利时)376

14.1.2RD200系列可编程控制器(兰州全志电子有限公司)379

14.1.3FC系列可编程控制器(无锡信捷科技电子有限公司)380

14.2国外可编程控制器产品382

14.2.1SIMATIC S7-400可编程控制器(德国西门子)382

14.2.2Modicon TSX Quantum可编程控制器(美国施耐德)387

14.2.3SYSMAC CP1H系列可编程控制器(日本欧姆龙)390

第15章现场总线控制技术393

15.1现场总线的构成393

15.2国内现场总线产品394

15.2.1NCS3000现场总线(沈阳中科博威)394

15.2.2ie-FCSTMFB6000现场总线(北京华控技术)396

15.2.3STI-VC2100MA系列控制插件(上海船舶运输科学研究所)400

15.2.4EPA分布式网络控制系统402

15.3国外现场总线产品408

15.3.1FF基金会现场总线(美国埃默生)408

15.3.2PROFIBUS过程总线(德国西门子)416

15.3.3LonWorks现场总线(美国埃施朗公司)420

第16章工业计算机(IPC)技术425

16.1概述425

16.1.1工业计算机的构成425

16.1.2工业计算机的厂商425

16.2国内工业计算机425

16.2.1IPC800系列工业计算机(北京联想)425

16.2.2NORCO工业计算机(深圳华北工控)426

16.2.3PCI总线工业计算机(北京康拓)428

16.2.4IPC系列工业计算机(台湾地区研华)430

16.3国外工业计算机432

16.3.1IPC-H系列P4工业计算机(日本康泰克)432

16.3.2APRE-4200工业计算机(美国APPRO靠前公司)433

参考文献434

第4篇优选控制与综合自动化

第17章过程动态特性与系统建模436

17.1系统建模一般原则436

17.2典型过程特性437

17.3机理建模方法及举例439

17.3.1化工过程机理建模例子440

17.3.2生物反应器建模447

17.3.3机电系统建模例子450

17.4基于过程数据的实验建模453

17.4.1系统辨识建模方法概述453

17.4.2基于线性或非线性回归方法的建模453

17.4.3由阶跃响应曲线辨识模型456

第18章复杂控制系统460

18.1串级控制系统460

18.1.1串级控制基本原理和结构460

18.1.2串级控制系统设计461

18.1.3串级控制系统举例462

18.2前馈及比值控制463

18.2.1前馈控制系统的原理和特点463

18.2.2前馈控制系统的几种结构形式465

18.2.3比值控制系统470

18.3特殊控制系统473

18.3.1均匀控制系统473

18.3.2选择性控制系统474

18.3.3分程控制系统476

18.3.4阀位控制(VPC)系统477

18.4系统关联与解耦控制477

18.4.1系统关联478

18.4.2相对增益478

18.4.3解耦控制设计方法482

第19章软测量技术及应用486

19.1软测量概述486

19.2软仪表构建方法487

19.3机理建模软测量方法及应用489

19.3.1催化裂化反应再生系统的软测量模型489

19.3.2汽油饱和蒸气压软测量492

19.3.3气力输送固相流量的软测量494

19.3.4生物反应中生物参数软测量模型497

19.4基于回归分析的软测量方法及应用501

19.4.1回归分析方法502

19.4.2喷射塔中SO2吸收传质系数的软测量504

19.4.3轻柴油365℃含量软测量模型506

19.4.4筛板精馏塔板效率的软测量508

19.5基于神经网络软测量模型及应用509

19.5.1神经网络模型简介509

19.5.2粗汽油干点和轻柴油倾点软测量建模512

19.5.3维生素C发酵过程软测量模型514

第20章优选控制技术516

20.1优选PID控制516

20.1.1数字PID控制516

20.1.2专家PID控制和模糊PID控制520

20.1.3模型PID控制523

20.2纯滞后补偿控制526

20.3内模控制528

20.4推断控制532

20.5模型预测控制534

20.6自适应控制541

20.7非线性过程控制545

20.8智能控制551

20.8.1引言551

20.8.2专家控制551

20.8.3模糊控制553

20.8.4神经网络控制555

第21章监督控制558

21.1实时优化558

21.1.1很优化概念559

21.1.2实时优化的基本要求560

21.1.3很优操作条件分析561

21.2实时优化控制的实施技术563

21.2.1实时优化控制建模563

21.2.2在计算机控制中实施实时优化控制566

21.3很优化算法567

21.3.1优化中的约束问题567

21.3.2线性规划568

21.3.3二次规划和非线性规划569

21.4统计过程控制570

21.4.1统计过程控制的基本原理571

21.4.2过程变量限值检查法571

21.4.3一般过程监控方法572

21.5统计过程控制技术578

21.5.1过程能力指数578

21.5.26-Sigma方法578

21.5.3多元统计技术579

21.5.4过程控制和统计过程控制的关系581

第22章企业综合自动化582

22.1计算机综合集成控制概述582

22.1.1流程工业生产过程运作特点582

22.1.2计算机综合集成控制583

22.2信息源与信息集成系统584

22.2.1企业信息和数据来源584

22.2.2信息分类与编码585

22.2.3企业信息系统综合集成技术586

22.3数据校正技术587

22.3.1概述587

22.3.2数据校正原理587

22.3.3过失误差的侦破原理588

22.3.4过程数据校正技术的工程应用实施588

22.3.5炼油厂的物流数据校正工业应用实例589

22.4信息(数据)驱动下流程工业的运作590

22.4.1企业运行概述591

22.4.2企业决策功能591

22.4.3期望目标(运行)实施593

22.4.4数据驱动下的企业运行594

22.5炼油企业综合自动化应用示例595

22.5.1某炼油企业信息化概况595

22.5.2实时数据库系统596

22.5.3实验室信息管理(LIMS)系统600

22.5.4罐区自动化系统601

22.5.5无铅汽油管道自动调和系统602

22.5.6集中控制与优选控制603

22.5.7数据调理与整合604

22.5.8流程模拟软件的应用605

参考文献608

第5篇工业生产过程自动控制应用示例

第23章化工单元过程控制610

23.1流体输送过程控制610

23.1.1容积式泵的控制610

23.1.2离心泵的控制610

23.1.3离心式压缩机的控制611

23.1.4离心式压缩机的防喘振控制611

23.1.5离心式压缩机的三重冗余容错紧急停车系统612

23.2传热设备的控制614

23.2.1传热设备的类型614

23.2.2换热器的控制614

23.2.3蒸汽加热器的控制615

23.2.4冷凝冷却器的控制616

23.2.5加热炉的控制616

23.3精馏过程控制617

23.3.1精馏塔的控制目标617

23.3.2精馏塔的主要干扰因素618

23.3.3精馏塔被控变量的选取618

23.3.4精馏塔基本控制方案618

23.3.5精馏塔的优选控制方案621

23.4化学反应过程控制624

23.4.1化学反应器的类型和特性624

23.4.2化学反应器的基本控制方案625

23.4.3反应器的新型控制方案626

23.4.4乙烯裂解炉的优选控制方案628

23.5间歇生产过程控制630

23.5.1间歇生产过程特点630

23.5.2间歇生产过程的控制要求631

23.5.3间歇生产过程的自动控制632

23.5.4间歇生产过程操作和调度优化634

23.5.5间歇生产过程监控635

第24章炼油工业生产过程控制639

24.1炼油工业概述639

24.2常减压蒸馏生产过程控制641

24.2.1加热炉的控制641

24.2.2常压塔塔底液位非线性区域控制642

24.2.3支路平衡控制643

24.2.4常减压蒸馏装置的优选控制644

24.3催化裂化生产过程控制648

24.3.1反应-再生系统的控制648

24.3.2主分馏塔的控制649

24.3.3催化裂化优选控制实例651

24.4催化重整生产过程控制654

24.4.1原料预处理控制654

24.4.2重整反应器控制655

24.4.3重整反应器的优选控制656

24.5延迟焦化生产过程控制659

24.5.1延迟焦化装置的工艺特点659

24.5.2焦化炉控制660

24.5.3塔顶急冷温度控制660

24.5.4焦炭塔切换扰动前馈控制661

24.5.5延迟焦化装置的优选控制661

24.6油品调和663

24.6.1油品调和工艺663

24.6.2油品调和控制664

第25章火力发电过程控制668

25.1锅炉设备的控制668

25.1.1锅炉汽包水位控制668

25.1.2蒸汽过热系统的控制668

25.1.3锅炉燃烧过程的控制669

25.2汽轮机控制670

25.3汽轮机转速控制671

25.3.1汽轮机转速控制的概况671

25.3.2汽轮机转速控制673

25.4机炉协调控制676

25.4.1汽轮机控制系统对锅炉汽压对象动态特性的影响676

25.4.2机炉协调控制系统679

25.4.3机炉协调控制系统的完善以及自动发电控制681

25.4.4机炉协调控制系统AGC控制中值得深思的问题684

25.5负荷频率控制(load frequency control)685

25.5.1负荷频率控制方法及实施方案686

25.5.2多区域互联电力系统的PI滑模负荷频率控制690

第26章钢铁行业自动控制系统692

26.1钢铁生产工艺及自动化简述692

26.2炼铁生产自动控制697

26.2.1原料场自动控制697

26.2.2烧结自动控制700

26.2.3球团自动控制705

26.2.4炼焦自动化708

26.2.5高炉炼铁自动控制713

26.2.6非高炉炼铁自动控制723

26.3炼钢生产自动控制727

26.3.1铁水预处理自动控制727

26.3.2转炉炼钢自动化730

26.3.3电弧炉炼钢自动控制738

26.3.4炉外精炼自动控制742

26.3.5连续铸钢自动控制745

26.4轧钢生产自动化749

26.4.1轧钢生产工艺流程及自动控制概述749

26.4.2轧钢过程主要自动控制系统755

第27章轻工造纸生产典型过程控制769

27.1制浆过程的自动控制770

27.1.1间歇蒸煮过程自动控制系统770

27.1.2连续蒸煮过程自动控制系统771

27.1.3洗涤、筛选、漂白过程控制773

27.2碱回收过程的自动控制776

27.2.1蒸发控制典型控制系统777

27.2.2燃烧过程控制778

27.2.3绿液苛化和石灰回收过程控制779

27.3造纸过程的自动控制781

27.3.1打浆控制782

27.3.2配浆控制784

27.3.3流浆箱控制786

27.3.4纸页质量控制788

参考文献793

第6篇仪表控制系统设计基础

第28章设计概论796

28.1设计条件及资料796

28.2标准规范796

28.3工程设计程序及质量保证体系799

28.4设计质量保证体系800

第29章流程工业过程控制及工程设计802

29.1单回路反馈控制回路802

29.2串级控制回路802

29.3前馈-反馈控制回路803

29.4均匀控制回路803

29.5比值控制回路804

29.6分程控制回路804

29.7选择性控制回路(取代控制)805

29.8多变量介耦控制回路806

29.9非线性控制回路806

29.10优选控制回路807

第30章仪表控制系统选择808

30.1控制系统发展动向808

30.2影响控制系统品质的几个因素809

30.3仪表控制系统选择810

30.3.1模拟式仪表控制系统810

30.3.2集散型控制系统(DCS)810

30.3.3现场总线控制系统(FCS)815

30.3.4PC控制系统(IPC)817

30.3.5数据采集及监控系统(SCADA)817

30.3.6过程安全控制系统818

30.3.7企业综合自动化解决方案826

第31章测量方法选择828

31.1测量精度及误差828

31.2温度测量方法的选择828

31.2.1温度测量方法的比较829

31.2.2温度测量方法选择829

31.3压力测量方法选择831

31.4流量测量方法选择834

31.4.1流量测量误差分析834

31.4.2流量测量方法使用特点及比较835

31.4.3流量仪表的设计选型839

31.5物位测量方法的选择843

31.5.1物位测量技术发展动向843

31.5.2物位测量方法的选择844

31.6在线组分分析方法的选择850

31.6.1在线分析技术发展动向850

31.6.2在线气体成分分析技术850

31.6.3在线气体成分分析技术应用特点853

31.6.4液体特性在线分析技术854

31.6.5液体特性分析仪表应用特点856

31.6.6在线分析采样系统设计856

31.6.7现场分析器室设计856

31.6.8可燃气体/毒性气体检测报警系统设计857

31.7控制阀的选择857

第32章仪表控制系统设计及设计文件861

32.1仪表控制室设计861

32.2仪表控制系统供电设计862

32.3仪表供气系统设计863

32.4仪表控制系统的接地设计863

32.5电气仪表在危险区域内的安全设计865

32.6现场仪表防护设计869

32.7仪表及测量管线安装设计872

32.8仪表控制系统检验876

32.9仪表询价、报价及技术评估877

32.10仪表、控制系统工程设计文件877

32.10.1仪表、控制系统工程设计文件组成877

32.10.2生产装置自控设计程序878

32.10.3仪表、控制系统工程设计文件内容892

参考文献898