自动化与仪表工程师手册

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

1.6 PID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362.1.2 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

3.1.1 0往复式压缩机78

3.1.1 1离心式压缩机79

3.1.1 2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

4.5.2 TRICON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

8.8 pH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

13.2.1 HOLLiASMACS集散控制系统(北京和利时)326

13.2.2 ECS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

13.2.6 ECS100X系统应用339

13.3 国外集散控制系统产品341

13.3.1 CS3000集散控制系统(日本横河)341

13.3.2 TPS集散控制系统(美国霍尼威尔)363

13.3.3 SIMATICPCS7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

14.1.1 HOLLiASLECG3可编程控制器(杭州和利时)376

14.1.2 RD200系列可编程控制器(兰州全志电子有限公司)379

14.1.3 FC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

14.2.1 SIMATICS7400可编程控制器(德国西门子)382

14.2.2 ModiconTSXQuantum可编程控制器(美国施耐德)387

14.2.3 SYSMACCP1H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

15.2.1 NCS3000现场总线(沈阳中科博威)394

15.2.2 ieFCSTMFB6000现场总线(北京华控技术)396

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

15.2.4 EPA分布式网络控制系统402

15.3 国外现场总线产品408

15.3.1 FF基金会现场总线(美国埃默生)408

15.3.2 PROFIBUS过程总线(德国西门子)416

15.3.3 LonWorks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

16.2.1 IPC800系列工业计算机(北京联想)425

16.2.2 NORCO工业计算机(深圳华北工控)426

16.2.3 PCI总线工业计算机(北京康拓)428

16.2.4 IPC系列工业计算机(台湾研华)430

16.3 国外工业计算机432

16.3.1 IPCH系列P4工业计算机(日本康泰克)432

16.3.2 APRE4200工业计算机(美国APPRO国际公司)433

参考文献434

第4篇 先进控制与综合自动化

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 先进控制技术516

20.1 先进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 最优化概念559

21.1.2 实时优化的基本要求560

21.1.3 最优操作条件分析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 最优化算法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

21.5.2 6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 集中控制与先进控制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 精馏塔的先进控制方案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 乙烯裂解炉的先进控制方案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 常减压蒸馏装置的先进控制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 催化裂化先进控制实例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 重整反应器的先进控制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 延迟焦化装置的先进控制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(loadfrequencycontrol)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 先进控制回路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

30.3.4 PC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

《自动化与仪表工程师手册》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。《自动化与仪表工程师手册》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；先进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。