具体描述
本书以控制系统为体系，将过程参数检测变送、显示记录及控制仪表作为组成系统的相应环节，力求完整体现过程控制的整体内容。在参数检测方面，深入浅出地介绍了检测原理及方法；依据其代表性及发展趋势，介绍了目前生产中广泛应用的检测仪表。在控制仪表方面，根据生产实际情况，介绍了模拟、数字控制器和电动、气动执行器。在控制系统方面，着重介绍简单控制系统和几种常用复杂控制系统的设计，以及分布式控制系统(DCS)的硬件和软件体系构成与目前国内常见的几种分布式控制系统(DCS)。此外，还简要介绍了显示记录仪表。最后介绍了典型工业过程的控制。每章后配有思考题与习题。
本书可作为高职高专自动化专业教材，也可作为相关技术人员的参考用书。
《流动的智慧：现代工业的脉搏与神经》 卷首语 在浩瀚的工业世界里，每一条生产线都如同奔腾不息的河流，承载着千万吨的物料，维系着千万人的生计。而在这奔腾的河流中，看不见的“智慧”在悄然涌动，它精确地测量、严谨地计算、果断地执行，确保着流程的稳定、效率的最大化以及安全的万无一失。这股智慧，便是贯穿现代工业心脏的“流动的智慧”，它无形却至关重要，是驱动一切高效运转的底层逻辑。 本书，并非一本枯燥的技术手册，而是对这股“流动的智慧”的一次全面而深入的探索。它旨在揭示在工业生产的背后，隐藏着怎样的科学原理、工程实践以及创新思维，如何将看似混沌的物理过程，转化为有序、可控、高效的自动化流程。我们将一同走进这个充满挑战与魅力的领域，去理解那些看似神秘的仪表如何感知世界，那些精密的算法如何做出决策，以及整个自动化系统如何协同工作，共同谱写工业发展的壮丽篇章。 第一章：感知的序曲——工业世界的“眼睛”与“耳朵” 任何精密的控制都始于准确的感知。在广阔的工业现场，温度、压力、流量、液位、物位、速度、位移、成分……这些无时无刻不在变化的物理量，是理解和驾驭生产过程的基础。本章将深入浅出地介绍那些构成工业“眼睛”与“耳朵”的各类传感器和仪表。 我们将首先聚焦于温度测量。从最基础的热电偶，利用温差产生的电压信号，到热电阻，通过材料电阻随温度的变化来感知冷暖，再到红外测温仪，非接触式地捕捉物体散发的热辐射。我们将探讨不同类型传感器的优缺点，以及它们在严苛工业环境下的适用性。例如，在高温高压的反应釜中，如何选择既能承受极端条件，又能提供稳定读数的传感器？在易燃易爆区域，又需要什么样的防爆设计？ 接着，我们将目光转向压力测量。无论是大气压、真空度，还是高达数百甚至上千个大气压的工艺压力，都需要精确的压力仪表来监测。本书将介绍压力表的机械原理，如波登管压力表；以及压力变送器，它将压力信号转化为标准的电信号，如4-20mA电流信号，便于远传和接入自动化系统。我们将分析不同测量原理的压力传感器，如压阻式、电容式，以及它们在不同压力范围和介质下的表现。 流量测量是另一项核心任务。如何精确地知道有多少物质在流动？我们将探索涡轮流量计，利用流体带动叶轮转动来计量；电磁流量计，基于法学定律，通过导体（流体）在磁场中产生的感应电压来测量；超声波流量计，通过测量声波在流体中传播的时间差来计算流量。每种流量计都有其独特的工作原理和适用范围，例如，对于腐蚀性介质，电磁流量计便显示出其独特的优势。 液位与物位测量同样至关重要。容器内的液体有多少？料仓里的固体粉末还剩多少？我们将介绍浮球液位计，利用浮力原理；静压式液位计，通过测量液体柱产生的静压力来推算液位；雷达液位计和超声波液位计，利用发射和接收的波信号来确定距离。在有搅拌、泡沫或高温蒸汽的复杂工况下，选择合适的液位测量仪表将是一项重要的工程考量。 此外，我们还将触及密度、粘度、pH值、电导率、气体成分等关键参数的测量。这些看似细微的指标，往往是产品质量和工艺稳定的关键。本书将通过丰富的案例，展现这些“工业感官”如何精确地捕捉工业世界的每一个细微变化，为后续的控制奠定坚实的基础。 第二章：决策的艺术——工业大脑的智能演算 感知到的数据，需要被解读、分析，并转化为有意义的行动指令。这就离不开工业领域强大的“大脑”——控制器。本章将深入探究这些智能的决策者，它们如何 orchestrate 整个生产流程。 我们将从最基础的顺序控制开始，例如PLC（可编程逻辑控制器）。PLC如同一个精密的逻辑判断机器，它按照预设的逻辑顺序，读取输入信号，执行程序指令，并输出控制信号，实现开关量的切换、电机的启停等。我们将剖析PLC的硬件组成、编程语言（如梯形图、指令表）以及在各种自动化应用中的实现。 然而，许多工业过程并非简单的开关动作，而是需要对连续变化的物理量进行精确调节，这就引入了PID控制。PID（比例-积分-微分）控制是一种经典的闭环反馈控制算法，它通过不断地调整输出，来将测量值（ PV, Process Variable）逼近设定值（SP, Setpoint）。我们将详细阐述比例（P）、积分（I）和微分（D）三个环节的作用，以及它们在不同工况下的取舍与整定。本书将不仅仅停留在理论层面，更会结合实际案例，讲解如何根据工艺特性，进行有效的PID参数整定，以达到最佳的控制效果，避免超调、震荡等不良现象。 随着工业复杂度的提升，单一的PID控制已不足以应对。本书将进一步介绍先进控制策略。例如，串级控制，将一个主回路的输出作为另一个从属回路的设定值，以提高控制精度和响应速度；前馈控制，在干扰发生之前就进行补偿，主动调整输出； ratio控制，保持两个变量之间的固定比例关系；模糊逻辑控制和神经网络控制等基于人工智能的控制方法，它们能够处理非线性、时变、不确定性强的复杂系统，实现更智能化的决策。 此外，本章还将探讨 DCS（分布式控制系统）和SCADA（数据采集与监视控制系统）。DCS将控制功能分散到各个单元，实现集中监控与分散控制，适用于大型连续生产过程。SCADA则更侧重于数据的采集、传输、显示以及远程监视和操作，常用于地域分布广泛的系统，如管线、电网等。我们将分析它们的架构、功能以及在不同工业场景下的应用优势。 第三章：连接的纽带——数据传输与通信的脉络 在高度自动化的现代工厂中，信息如同血液，在各个设备和控制单元之间奔腾不息。精确、可靠、高效的数据传输与通信，是保障整个系统顺畅运行的“生命线”。本章将揭示这些“连接的纽带”。 我们将首先介绍工业通信协议。从早期的串行通信，如RS-232、RS-485，到如今广泛应用的现场总线技术。我们将重点讲解PROFIBUS，一种在欧洲广泛使用的现场总线，以及PROFINET，其以太网的变种，具有更高的实时性和带宽。还会介绍Modbus，一种简单易用且广泛兼容的通信协议。这些协议是如何实现设备之间的数据交换，又是如何克服工业环境中的电磁干扰等挑战的。 接着，我们将深入工业以太网。它将信息网络的强大能力带入工业现场，实现了更高速度、更大带宽的数据传输。我们将探讨EtherNet/IP、EtherCAT等主流的工业以太网解决方案，分析它们的特点、优势以及在不同应用场景下的选择。 无线通信技术在工业中的应用也日益广泛，例如Wi-Fi、LoRa、NB-IoT等。它们如何为移动设备、传感器节点提供连接，又如何解决传统有线通信难以部署的痛点。我们将讨论其在现场巡检、移动操作、环境监测等方面的应用。 此外，本章还将触及网络安全。随着工业自动化程度的提高，网络攻击也成为一个不容忽视的威胁。我们将讨论工业控制系统（ICS）的网络安全挑战，以及如何通过防火墙、入侵检测、加密等技术来保护工业网络的安全性。 第四章：系统的整合——从孤立到协同的智慧网络 如果说前几章介绍了“流动的智慧”的各个组成部分，那么本章将着眼于如何将这些分散的智慧融会贯通，构建一个强大而协同的自动化系统。 我们将从HMI（人机界面）开始。HMI是操作员与自动化系统之间的桥梁，它通过图形化的界面，直观地展示生产过程的运行状态，允许操作员进行参数设置、工艺调整、故障诊断等。我们将分析不同类型HMI的特点，如文本式、图形式，以及如何设计出高效易用的HMI界面。 接下来，我们将探讨MES（制造执行系统）。MES位于ERP（企业资源计划）与DCS/PLC之间，它负责管理和监控车间层的生产活动，包括生产计划执行、物料跟踪、质量管理、设备维护管理等。MES如何将现场的实时数据转化为可执行的管理指令，并反馈给上层系统。 生产过程的集成化是现代工业追求的目标。本书将讨论全厂范围的自动化集成，如何将DCS、SCADA、MES、ERP等系统进行有效的互联互通，实现从原材料采购到最终产品交付的端到端的信息流和业务流。这种集成化不仅提升了生产效率，还为企业提供了更全面、更及时的决策支持。 最后，我们将展望工业4.0和智能制造的未来。在这些愿景中，“流动的智慧”将更加渗透到每一个环节，通过物联网（IoT）、大数据分析、人工智能、云计算等技术，实现生产过程的柔性化、智能化、个性化。我们将探讨这些新兴技术如何赋能工业自动化，塑造未来工厂的面貌。 结语 “流动的智慧”并非抽象的概念，而是实实在在地存在于现代工业的每一个角落，驱动着巨轮滚滚向前。从感知的细微之处，到决策的精准演算，再到信息的畅通无阻，最终汇聚成一个协同高效的智慧网络。本书旨在为您打开这扇通往工业自动化殿堂的大门，让您领略这股“流动的智慧”的强大魅力。无论您是行业内的从业者，还是对现代工业充满好奇的学习者，都希望本书能为您提供有价值的启示，共同见证工业世界的持续演进与无限可能。
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目录信息
第一章 绪论 第一节 过程控制技术及仪表的发展 第二节 过程控制系统的组成及其分类 一、过程控制系统的组成 二、过程控制系统的分类 第三节 过程控制系统的过渡过程和品质指标 一、系统的静态与动态 二、控制系统的过渡过程 三、描述系统过渡过程的品质指标 思考题与习题第二章 过程参数检测与变送 第一节 过程参数检测概述 一、测量误差 二、仪表性能指标 三、变送器的基本特性和构成原理 第二节 温度检测与变送 一、概述 二、热电偶 三、热电阻 四、温度变送器 五、其他温度仪表简介 六、测温仪表的选用与安装 第三节 压力测量 一、压力的表示方法 二、压力检测的主要方法 三、常见压力检测仪表 四、智能式差压变送器 五、压力仪表的选用和安装 第四节 流量测量 一、概述 二、速度式流量计 三、容积式流量计 四、质量流量计 五、流量仪表的选用 第五节 物位测量 一、物位仪表的分类 二、常用物位计 三、物位检测仪表的选用 第六节 成分和物性参数检测 一、热导式气体成分检测 二、磁导式气体成分检测 三、红外式气体成分检测 四、溶解氧的检测 五、色谱分析 六、pH值的检测 七、浊度的检测 第七节 软测量技术简介 思考题与习题第三章 显示记录仪表 第一节 模拟式显示仪表 一、自动平衡式电子电位差计 二、电子自动平衡电桥 第二节 数字式显示仪表 一、数字式显示仪表的分类 二、数字式显示仪表的主要技术指标 三、数字式显示仪表的基本组成 第三节 无纸记录仪 一、无纸记录仪的特点 二、无纸记录仪的基本结构 三、无纸记录仪的安装与接线 四、显示记录仪表的发展趋势 思考题与习题第四章 过程控制仪表 第一节 控制器 一、DDZ-Ⅲ型控制器 二、可编程数字控制器 第二节 执行器 一、电动执行器 二、气动执行器 思考题与习题第五章 过程控制系统概述 第一节 自动检测与自动控制系统 一、过程自动检测系统 二、过程自动控制系统 第二节 传递函数与方块图变换 一、传递函数 二、方块图 第三节 对象特性 一、与对象有关的两个基本概念 二、描述对象特性的三个参数 三、扰动通道特性对控制质量的影响 四、控制通道特性对控制质量的影响 第四节 过程控制工程设计中常用图例符号 一、图形符号 二、字母代号 三、仪表位号 四、控制符号图表示方法示例 五、简单控制系统控制符号图识图初步 思考题与习题第六章 简单控制系统的分析与设计 第一节 系统被控变量与操纵变量的选择 一、系统被控变量的选取 二、操纵变量的选择 第二节 测量变送在系统分析设计中的考虑 一、纯滞后 二、测量滞后 三、信号传输滞后 四、测量信号的处理 第三节 执行器的选择 第四节 控制规律的选取 一、基本控制规律 二、控制规律的选用 第五节 控制器的参数整定 一、经验试凑法 二、临界比例度法 三、衰减曲线法 四、三种整定方法的比较 第六节 简单控制系统的投运及故障分析 一、系统的投运步骤 二、系统的故障分析、判断与处理 思考题与习题第七章 复杂控制系统一 第一节 串级控制系统 一、串级控制系统的基本概念 二、串级控制系统的特点及应用范围 三、串级控制系统的设计 四、串级控制系统的投运及参数整定 第二节 前馈控制系统 一、前馈控制的基本概念和方块图 二、前馈控制的特点和局限性 三、前馈控制系统的几种结构形式 四、前馈控制系统的选用原则和应用实例 第三节 比值控制系统 一、概述 二、常见的比值控制方案 第四节 均匀控制系统 一、均匀控制原理 二、均匀控制方案 第五节 分程控制系统 一、概述 二、分程控制的应用场合 三、分程控制系统应用中应注意的几个问题 第六节 选择性控制系统 一、概述 二、选择性控制系统的类型 三、选择性控制系统的设计 第七节 新型控制系统简介 一、预测控制 二、推理控制 三、解耦控制 四、鲁棒控制 五、自适应控制 六、智能控制 第八节 控制流程图识图 一、常规控制流程图的识图 二、计算机控制流程图识图初步 思考题与习题第八章 分布式控制系统(DCS) 第一节 概述 一、DCS系统的构成方式 二、DCS的特点 三、DCS的发展概况 第二节 DCS的硬件体系结构与功能 一、DCS的数据通信系统 二、Dcs的过程控制装置 三、操作管理装置 第三节 DCS的软件体系与组态方法 一、DCS的软件体系 一、DCS的组态方法 第四节 DCS系统的在线调试与投运 一、DCS系统的调试 二、系统投运 第五节 常见分布式控制系统简介 一、Honeywell公司的TPS系统 二、横河公司的CENTUM-CS系统 三、和利时公司的HOLLiAS-MAcS系统 四、浙大中控的SUPCON JX-300X系统 思考题与习题第九章 典型过程的控制 第一节 锅炉的过程控制 一、汽包水位控制 二、过热蒸汽温度控制 三、燃烧过程的控制 第二节 化学反应器的过程控制 一、化学反应器的分类方式与控制 二、化学反应器的典型控制方案 第三节 精馏塔的过程控制 一、概述 二、精馏塔控制的基本方案 第四节 流体输送设备的过程控制 一、泵的控制 二、离心式压缩机的控制 第五节 传热设备的过程控制 一、传热设备的静态数学模型 二、一般传热设备的控制 三、管式加热炉的控制 思考题与习题附录 附录一 铂铑10-铂热电偶分度表 附录二 镍铬-铜镍热电偶分度表 附录三 镍铬-镍硅热电偶分度表 附录四 铂电阻分度表 附录五 铜电阻分度表参考文献
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