本書介紹過程控制中各種常見變量的檢測和控制技術(shù),以及相應(yīng)的儀表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及裝置,并結(jié)合測控技術(shù)的發(fā)展,介紹一些新的應(yīng)用方法。在過程測量儀表方面主要介紹溫度、壓力、流量、物位、成分分析的檢測技術(shù)和儀表,以及過程變量顯示記錄儀表。在過程控制儀表方面主要介紹變送器、執(zhí)行器、控制器。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及裝置方面主要介紹可編程序控制器、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線。此外還介紹了軟測量技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、虛擬儀器以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等過程測控新技術(shù)。
本書將基本原理介紹與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,可作為高等院校自動(dòng)化專業(yè)、測控技術(shù)與儀器專業(yè)以及其他涉及過程測量與控制的專業(yè)(如石油、石化、化工、制藥、食品、冶金、紡織、輕工等)教材使用,也可用于過程自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)培訓(xùn),供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。
生產(chǎn)過程需要對相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,以保證生產(chǎn)過程安全和正常運(yùn)行,保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,并且滿足綠色環(huán)保和節(jié)能降耗的要求。要實(shí)現(xiàn)對相關(guān)工藝參數(shù)的監(jiān)控,首先要利用檢測技術(shù)采集工藝變量信息,在經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚碇螅瑢z測信息傳輸給系統(tǒng)的控制器;控制器對輸入信息按照一定控制規(guī)律運(yùn)算加工,形成控制信號,通過執(zhí)行器對生產(chǎn)過程施加控制作用。這一切工作都是通過自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)裝置來完成的,因此信息時(shí)代工業(yè)生產(chǎn)離不開自動(dòng)化技術(shù)的支持。從事過程控制的專業(yè)技術(shù)人員必須具備檢測技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面的基礎(chǔ)理論知識和工程應(yīng)用能力。
本書是有關(guān)過程測量和控制技術(shù)及其相關(guān)儀表和系統(tǒng)裝置的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)的教材,主要結(jié)合化工生產(chǎn)過程介紹過程控制中各種常見變量、部分成分和物性參數(shù)的檢測技術(shù)及其相應(yīng)的儀表原理和工程實(shí)際應(yīng)用知識,介紹過程控制常用的控制規(guī)律方法和控制儀表。鑒于計(jì)算機(jī)在過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及,本書在介紹經(jīng)典的檢測控制技術(shù)和儀表裝置的基礎(chǔ)上,介紹了控制系統(tǒng)中相關(guān)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。此外,結(jié)合測控技術(shù)的發(fā)展,還簡單介紹了一些新的測控技術(shù),引導(dǎo)讀者開拓視野。希望通過本書能夠幫助讀者系統(tǒng)了解和掌握過程測控技術(shù),并能應(yīng)用到實(shí)際工作中去,以期達(dá)到“既能仰望星空,又能腳踏實(shí)地”的學(xué)習(xí)效果。
本書共有14章,第1章緒論,介紹過程測控技術(shù)的一些基本概念和基礎(chǔ)知識;第2章至第6章分別介紹溫度、壓力、流量、物位、成分分析的檢測方法;第7章為顯示儀表,介紹過程變量測量后的顯示記錄方法;第8章介紹過程控制中常見的變送器;第9章為執(zhí)行器,主要介紹過程控制中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥,及其輔助裝置;第10章介紹常用控制規(guī)律以及控制器;第11章至第13章分別介紹近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的普及而得到推廣應(yīng)用的可編程序控制器、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線;第14章介紹現(xiàn)代測控技術(shù)和儀表的一些新發(fā)展及其應(yīng)用,包括軟測量技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、虛擬儀器以及線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
本書由華東理工大學(xué)孫自強(qiáng)主編,劉笛、劉濟(jì)參加了編寫。其中第1~7章由孫自強(qiáng)編寫;第8~10章由劉笛編寫;第11~14章由劉濟(jì)編寫。
本書配有電子課件,供選用本書作為教材的院校使用,如有需要,請發(fā)郵件至cipedu@163.com索取。
過程測控技術(shù)是多學(xué)科交叉技術(shù),新技術(shù)和新儀表裝置不斷出現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場,且更新周期越來越短。由于編者水平和知識有限,書中難免有不足之處,真誠歡迎廣大讀者批評、指正。
編者
2017年7月于上海
第1章緒論
1.1過程測控儀表在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用和發(fā)展?fàn)顩r1
1.1.1過程測控儀表在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用1
1.1.2過程測控儀表發(fā)展?fàn)顩r2
1.2測控儀表主要相關(guān)基礎(chǔ)知識4
1.2.1儀表主要性能指標(biāo)5
1.2.2測量誤差6
1.2.3測量誤差與儀表精度等級的關(guān)系7
1.3化工過程生產(chǎn)安全防爆技術(shù)簡介8
思考題與習(xí)題9
第2章溫度檢測
2.1溫度檢測方法10
2.2熱電偶11
2.2.1熱電偶工作原理11
2.2.2熱電偶種類12
2.2.3熱電偶結(jié)構(gòu)13
2.2.4補(bǔ)償導(dǎo)線14
2.2.5熱電偶參比端溫度補(bǔ)償14
2.2.6熱電偶串、并聯(lián)線路16
2.3熱電阻16
2.3.1金屬熱電阻16
2.3.2半導(dǎo)體熱敏電阻17
2.4熱電偶、熱電阻的選用18
2.4.1選擇18
2.4.2安裝18
2.4.3使用19
2.5輻射式測溫儀表19
2.6光纖溫度傳感器21
思考題與習(xí)題21
第3章壓力檢測
3.1壓力單位和壓力檢測方法22
3.1.1壓力的單位22
3.1.2壓力的表示方法23
3.1.3壓力的檢測方法23
3.2常用壓力檢測儀表23
3.2.1彈性式壓力表23
3.2.2液柱式壓力計(jì)25
3.2.3負(fù)荷式壓力計(jì)25
3.2.4壓力傳感器25
3.2.5壓力開關(guān)28
3.3壓力表的選用29
思考題與習(xí)題29
第4章流量檢測
4.1流量基本概念和檢測方法30
4.1.1流量基本概念30
4.1.2流量檢測的主要方法31
4.2體積式流量計(jì)32
4.2.1差壓流量計(jì)32
4.2.2電磁流量計(jì)42
4.2.3轉(zhuǎn)子流量計(jì)45
4.2.4渦輪流量計(jì)47
4.2.5旋渦流量計(jì)47
4.2.6超聲流量計(jì)48
4.2.7容積流量計(jì)48
4.3質(zhì)量流量計(jì)50
4.3.1科里奧利質(zhì)量流量計(jì)50
4.3.2熱式質(zhì)量流量計(jì)52
4.3.3間接式質(zhì)量流量計(jì)54
4.4流量測量儀表現(xiàn)場校驗(yàn)54
4.4.1零點(diǎn)校驗(yàn)55
4.4.2示值校驗(yàn)55
4.5流量檢測儀表的選用57
4.5.1儀表選型步驟57
4.5.2按儀表性能方面選用59
4.5.3按流體特性方面選用60
4.5.4安裝條件方面61
4.5.5環(huán)境條件方面62
4.5.6經(jīng)濟(jì)方面63
思考題與習(xí)題64
第5章物位檢測
5.1物位檢測方法65
5.2常用物位檢測儀表66
5.2.1浮力式液位計(jì)66
5.2.2差壓式液位計(jì)66
5.2.3電容式物位計(jì)68
5.2.4超聲波物位計(jì)69
5.2.5核輻射式物位計(jì)70
5.2.6雷達(dá)物位計(jì)70
5.2.7伺服液位計(jì)71
5.2.8磁致伸縮液位計(jì)72
5.2.9物位開關(guān)72
5.3物位檢測儀表的選用73
思考題與習(xí)題74
第6章成分分析儀表
6.1成分分析方法75
6.1.1熱導(dǎo)式氣體成分檢測75
6.1.2磁導(dǎo)式含氧量檢測76
6.1.3氧化鋯分析器77
6.1.4紅外線成分檢測77
6.1.5電導(dǎo)式濃度監(jiān)測78
6.1.6色譜分析78
6.1.7酸度(pH)檢測80
6.1.8濕度檢測81
6.1.9密度檢測81
6.1.10水質(zhì)濁度計(jì)82
6.1.11溶解氧分析儀82
6.1.12微量氧分析儀83
6.1.13可燃?xì)怏w及有毒氣體報(bào)警器84
6.2成分、物性檢測的靜態(tài)特性84
6.3成分、物性檢測的動(dòng)態(tài)特性85
思考題與習(xí)題86
第7章顯示儀表
7.1模擬式顯示儀表88
7.1.1電子電位差計(jì)88
7.1.2電子自動(dòng)平衡電橋90
7.2數(shù)字式顯示儀表91
7.2.1數(shù)顯儀表的分類91
7.2.2數(shù)顯儀表的主要技術(shù)指標(biāo)91
7.2.3數(shù)顯儀表的基本組成92
7.3新型顯示儀表95
7.3.1顯示儀表發(fā)展動(dòng)態(tài)96
7.3.2無紙記錄儀97
7.3.3虛擬顯示儀表97
思考題與習(xí)題98
第8章變送器
8.1變送器的構(gòu)成99
8.1.1模擬變送器的構(gòu)成99
8.1.2智能變送器的構(gòu)成100
8.1.3量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移101
8.2差壓變送器102
8.2.1電容式差壓變送器102
8.2.2壓阻式差壓變送器111
8.2.3智能式差壓變送器113
8.3溫度變送器114
8.3.1模擬式溫度變送器114
8.3.2一體化溫度變送器126
8.3.3智能式溫度變送器127
思考題與習(xí)題128
第9章執(zhí)行器
9.1執(zhí)行器的基本概念129
9.1.1執(zhí)行器的組成129
9.1.2執(zhí)行器的作用方式129
9.2電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)130
9.3氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)130
9.3.1薄膜式131
9.3.2活塞式132
9.4控制閥133
9.4.1控制閥結(jié)構(gòu)133
9.4.2控制閥類型133
9.4.3控制閥的流量特性135
9.5閥門定位器139
9.5.1氣動(dòng)閥門定位器139
9.5.2電氣閥門定位器140
9.5.3智能閥門定位器141
9.6控制閥的選用142
9.6.1控制閥結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)的選擇142
9.6.2控制閥流量特性的選擇144
9.6.3控制閥口徑的確定145
9.7自力式調(diào)節(jié)閥 146
9.7.1自力式壓力調(diào)節(jié)閥146
9.7.2自力式溫度調(diào)節(jié)閥147
9.7.3自力式流量調(diào)節(jié)閥148
9.8數(shù)字閥和智能控制閥148
9.8.1數(shù)字閥148
9.8.2智能控制閥149
思考題與習(xí)題149
第10章控制器
10.1控制器的基本概念150
10.1.1控制規(guī)律150
10.1.2PID控制規(guī)律及其特點(diǎn)151
10.2PID算法實(shí)現(xiàn)156
10.2.1模擬PID算法實(shí)現(xiàn)156
10.2.2離散PID算法實(shí)現(xiàn)157
10.2.3采用離散PID算法與連續(xù)PID算法的性能比較158
10.3基型控制器158
10.3.1原理方框圖159
10.3.2線路分析159
10.3.3基型控制器的使用168
10.4數(shù)字式控制器169
10.4.1數(shù)字式控制器的主要特點(diǎn)169
10.4.2數(shù)字式控制器的基本構(gòu)成170
思考題與習(xí)題173
第11章可編程控制器
11.1概述174
11.1.1可編程控制器174
11.1.2可編程控制器基本結(jié)構(gòu)175
11.1.3可編程控制器工作原理177
11.1.4可編程控制器的編程語言178
11.2常見可編程控制器及其應(yīng)用185
11.2.1西門子S7系列PLC概述185
11.2.2西門子S7系列PLC的應(yīng)用舉例187
思考題與習(xí)題189
第12章計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)
12.1計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)191
12.1.1計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)硬件組成191
12.1.2計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)軟件組成195
12.2典型的組態(tài)軟件197
12.2.1iFix組態(tài)軟件197
12.2.2組態(tài)王200
思考題與習(xí)題203
第13章集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線
13.1概述204
13.2集散控制系統(tǒng)205
13.2.1集散控制系統(tǒng)組成205
13.2.2集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)207
13.2.3典型集散控制系統(tǒng)及其應(yīng)用210
13.3現(xiàn)場總線219
13.3.1幾種常見的現(xiàn)場總線219
13.3.2實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)223
13.3.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)227
思考題與習(xí)題229
第14章現(xiàn)代測控技術(shù)與儀表
14.1軟測量技術(shù)230
14.1.1軟測量的概念230
14.1.2軟測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法231
14.1.3軟測量建模技術(shù)232
14.2多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)233
14.2.1概述233
14.2.2多傳感器數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)234
14.2.3多傳感器數(shù)據(jù)融合方法235
14.3虛擬儀器236
14.3.1概述236
14.3.2虛擬儀器結(jié)構(gòu)和硬件模塊237
14.3.3虛擬儀器的軟件技術(shù)238
14.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)239
14.4.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念和特點(diǎn)239
14.4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)240
14.4.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)241
思考題與習(xí)題242
參考文獻(xiàn)