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《现代工业自动化与过程控制：从理论到实践的全面指南》 本书聚焦于当前工业生产线上最前沿、最实用的自动化技术与过程控制理论的深度融合与实际应用。 本书旨在为工程师、技术人员以及相关专业的学生提供一个全面、深入且高度实用的知识体系，帮助他们掌握在复杂工业环境中设计、实施、维护和优化先进控制系统的必备技能。我们不涉及任何特定的认证考试准备内容，而是专注于工业界公认的最佳实践和核心工程原理。 --- 第一部分：工业自动化基础与系统架构 本部分奠定了理解现代工业控制系统的基石。我们将从传统的继电器逻辑控制过渡到基于微处理器的现代数字控制系统。 1. 工业控制系统概述与演变： 详细阐述了从集中式控制到分布式控制（DCS）和基于网络的控制架构的演变历程。深入分析了不同控制体系结构（如PLC、PAC、IPC）的适用场景、硬件选型标准以及系统集成时需要考虑的关键因素，例如冗余设计、系统健壮性与可扩展性。 2. 传感器与执行器原理及选型： 本章对工业现场的“眼睛”和“手”进行了详尽的剖析。 传感器技术： 涵盖压力、温度、流量、液位、分析仪表的先进测量技术。重点讨论了智能传感器（如基于HART协议、Fieldbus的设备）的工作原理、校准流程、误差分析与补偿技术，以及如何根据过程介质的物理化学特性进行精确的传感器选型。 执行器技术： 深入研究电动、气动和液压执行器的动态特性、响应时间、死区补偿和精度要求。特别是对先进的伺服阀和比例控制阀的内部机制及其在快速响应或高精度控制回路中的应用进行了详细的工程分析。 3. 工业网络与数据通信协议： 本章是现代制造系统的神经系统。系统地介绍了现场总线技术（如Profibus DP/PA, Foundation Fieldbus, DeviceNet）和工业以太网（如Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP）的技术规范、帧结构和网络拓扑设计。重点讲解了数据实时性（Determinism）、网络安全（Cybersecurity）在工业控制网络中的重要性，以及如何构建高效、可靠的异构网络集成方案。 --- 第二部分：过程控制理论的深入解析 本部分专注于过程控制的核心——如何使用数学模型精确地描述、分析和控制动态过程。 4. 过程动态特性分析与建模： 讲解了如何使用阶跃响应法、脉冲响应法对一阶、二阶乃至更高阶的工业过程进行建模。重点引入了传递函数（Transfer Function）和状态空间（State Space）两种主要的数学描述方法，并演示了如何利用这些模型预测系统的瞬态和稳态行为。对常见的延迟（Dead Time）在系统性能中的影响进行了量化分析。 5. PID控制器的原理、整定与优化： PID（比例-积分-微分）控制器是工业控制的基石。本章超越了基础的“P”、“I”、“D”参数的简单定义。 高级整定方法： 详细介绍了基于过程模型的Ziegler-Nichols法、Cohen-Coon法以及基于软测量和在线优化的自适应整定技术。 抗干扰与性能增强： 探讨了串级控制（Cascade Control）、前馈控制（Feedforward Control）以及如何处理测量噪声和执行器饱和对PID性能的影响，例如引入“反积分抗饱和”和“比例死区”的设计。 6. 先进控制策略（APC）： 针对传统PID难以处理的多变量耦合系统和约束优化问题，本部分深入讲解了先进控制技术。 模型预测控制（MPC）： 详细阐述了MPC的在线优化原理、滚动时域计算、约束处理（软约束与硬约束）以及模型失配时的鲁棒性设计。 解耦控制： 针对具有显著耦合效应的过程（如精馏塔），分析了静态解耦和动态解耦矩阵的设计与实现。 --- 第三部分：可编程逻辑控制器（PLC）与人机界面（HMI）的工程应用 本部分侧重于硬件编程、逻辑实现和操作员接口的设计标准。 7. PLC硬件选型、编程标准与实践： 深入探讨了现代PLC/PAC的架构，包括CPU模块、I/O模块（数字量、模拟量、高速计数）的选型原则和信号调理技术。严格按照IEC 61131-3国际标准，全面解析五种主要编程语言（梯形图LD、指令表IL、结构化文本ST、功能块图FBD、顺序功能图SFC）的适用性和编程技巧。特别强调了程序文档化、命名规范和可维护性设计。 8. 过程控制逻辑的实现与故障诊断： 讲解了复杂的批次控制（Batch Control）逻辑的SFC实现，以及如何利用PLC的诊断功能进行实时故障检测。涵盖了对模拟量信号的线性化、量程转换以及对传感器漂移的周期性补偿算法设计。 9. 人机界面（HMI）与数据可视化设计： 聚焦于操作员体验（Operator Experience）和信息传递效率。遵循ISA 101（高绩效HMI）和ISA 18.2（过程安全信息管理）的指导原则，讲解了如何设计清晰、高效的图形界面，包括颜色使用规范、报警管理、趋势图的有效展示，以及如何避免“信息过载”导致的误操作。 --- 第四部分：系统集成、安全与生命周期管理 本部分关注控制系统的可靠性、安全性以及整个生命周期内的工程管理。 10. 过程安全系统（SIS）与功能安全： 系统地介绍了过程安全仪表系统的设计原理。详细解释了风险评估方法（如HAZOP分析）、安全完整性等级（SIL）的确定流程（基于IEC 61511），以及安全仪表功能的验证、确认和定期测试要求。重点区分了基本过程控制系统（BPCS）与安全仪表系统（SIS）的架构隔离和独立性要求。 11. 工业控制系统的调试、验证与维护： 详细描述了从工厂验收测试（FAT）到现场调试（SAT）的完整流程。涵盖了I/O点表的核对、控制回路的功能测试、联调（Loop Checking）以及系统集成测试的策略。探讨了预防性维护与预测性维护（PdM）在延长设备寿命和提高可用性方面的应用。 12. 自动化系统的文档与生命周期管理： 强调了控制系统文档的重要性，包括P&ID图、仪表数据表、I/O分配表、控制逻辑说明书和操作规程的编制标准。最后，探讨了系统升级、迁移和退役过程中，如何保持数据的完整性和过程知识的连续性。 --- 适用读者群： 本书面向所有在化学、石油天然气、电力、制药、食品饮料等流程工业中，负责自动化与控制系统设计、实施、操作和维护的专业人员。同时，它也是高等院校自动化、化工过程控制、电气工程等专业研究生和高年级本科生的理想参考教材。 本书承诺： 本书内容完全基于工业界成熟的技术标准、工程规范和经过验证的实践案例，旨在培养读者解决真实世界复杂控制问题的核心工程能力，而非侧重于特定厂商的产品操作或应试技巧。
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