《化工自動化及儀表》以控制系統(tǒng)、檢測技術、控制裝置為主體，并輔以計算機控制系統(tǒng)的應用實例，全書共分11章。第1、2章介紹自動控制基礎知識，第3章介紹檢測技術與檢測儀表，第4、5章介紹控制器與計算機控制裝置，第6章介紹執(zhí)行器，第7~9章介紹簡單控制系統(tǒng)、復雜控制系統(tǒng)、新型控制系統(tǒng)，第10、11章介紹典型化工單元的控制與計算機控制系統(tǒng)的應用。《化工自動化及儀表》豐富了自控系統(tǒng)理論基礎方面的知識，對新概念、新技術、新系統(tǒng)、新裝置、新方法作了全面的闡述。《化工自動化及儀表》適用于化工、煉油、輕工、冶金、制藥、林化工等工藝類專業(yè)本科生、�？粕跋嚓P專業(yè)工程技術人員。
全書以控制系統(tǒng)、檢測技術、控制裝置為主線，并輔以計算機控制系統(tǒng)的應用實例，共分為11章。第1章對系統(tǒng)組成、系統(tǒng)分類、系統(tǒng)的過渡過程以及傳遞函數(shù)等一些基本概念進行介紹，為后面章節(jié)的學習做準備。與同類教材相比，本章引入了傳遞函數(shù)和方塊圖這一基本概念，并對為什么要引入傳遞函數(shù)及方塊圖這一基本概念進行了說明。第2章介紹系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的特性及其對控制質量的影響。在這一章中，除了對被控對象數(shù)學模型的建立、對象特性及其對過渡過程的影響進行介紹外，還引入了測量變送、執(zhí)行器、控制器等其他三個環(huán)節(jié)特性的分析，使讀者對系統(tǒng)特性有一個完整的了解。第3章在簡要介紹測量與測量儀表共性的基礎上，介紹了常用被測參數(shù)的檢測方法、檢測原理、儀表外特性、儀表選型方法等，并引入了軟測量技術和安全儀表系統(tǒng)的介紹。第4章著重介紹數(shù)字式及可編程調節(jié)器的工作原理、特點及外特性，刪除了DDZ-III型模擬調節(jié)器方面的內(nèi)容。第5章介紹工業(yè)控制計算機、集散控制系統(tǒng)、可編程控制器、現(xiàn)場總線技術、工業(yè)以太網(wǎng)、綜合自動化系統(tǒng)等計算機控制裝置方面的內(nèi)容，本章強調的是原理性的、具有共性的內(nèi)容，避免在某種控制系統(tǒng)或某組態(tài)軟件上花大量篇幅進行介紹的編寫方法。第6章介紹執(zhí)行器的作用、分類、工作原理、選擇與安裝等方面的內(nèi)容，與其他同類教材相比，本章除加重對電動執(zhí)行器機構的介紹外，還引入了智能式電動執(zhí)行機構的介紹。第7章介紹簡單控制系統(tǒng)的組成、設計、投運與整定，本章引入了一種新的控制器正、反作用的選擇方法。第8章介紹串級、均勻、選擇、分程、前饋、多沖量等復雜控制系統(tǒng)的組成、特點與應用場合。第9章介紹了解耦、推斷、自適應、預測、模糊、神經(jīng)元網(wǎng)絡、智能與專家系統(tǒng)等先進控制系統(tǒng)的基本概念。第10章介紹典型化工操作單元的控制方案。第11章介紹計算機控制系統(tǒng)的應用，對計算機控制系統(tǒng)的設計原則、設計程序、設計方法進行闡述，并對PLC、DCS、FCS等系統(tǒng)的應用進行舉例，本章系統(tǒng)地介紹了計算機控制系統(tǒng)的工程設計與實施方面內(nèi)容，力求使讀者掌握計算機控制系統(tǒng)的應用方法。書后附有部分習題的參考答案，并有配套的電子課件供老師教學使用。
張光新，浙江大學控制學院教授、博導，作者在浙江大學長期從事過程自動化儀表的教學及科研工作，目前擔任浙江大學控制學院院長。
1自動控制系統(tǒng)概述1
1.1自動控制系統(tǒng)的組成1
1.2自動控制系統(tǒng)的分類2
1.2.1定值控制系統(tǒng) 2
1.2.2隨動控制系統(tǒng)3
1.2.3程序控制系統(tǒng)3
1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標3
1.3.1系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)3
1.3.2系統(tǒng)的過渡過程3
1.3.3描述系統(tǒng)過渡過程的品質指標4
1.4傳遞函數(shù)和方塊圖6
1.4.1問題的引入6
1.4.2拉普拉斯變換7
1.4.3傳遞函數(shù)9
1.4.4方塊圖9
1.5管道及儀表流程圖13
1.5.1圖形符號14
1.5.2字母代號15
1.5.3儀表位號16
思考題與習題16
2控制系統(tǒng)基本組成環(huán)節(jié)特性分析18
2.1被控對象特性及其對過渡過程的影響18
2.1.1被控對象的數(shù)學描述方法18
2.1.2對象數(shù)學模型的建立方法19
2.1.3對象機理數(shù)學模型的建立19
2.1.4描述對象特性的參數(shù)及其對過渡過程的影響23
2.1.5被控對象特性參數(shù)的實驗測定方法26
2.2測量、變送環(huán)節(jié)特性及其對過渡過程的影響27
2.2.1測量元件28
2.2.2變送器29
2.3執(zhí)行器特性及其對過渡過程的影響29
2.4控制規(guī)律及其對過渡過程的影響31
2.4.1雙位控制31
2.4.2比例控制（P）33
2.4.3比例積分控制（PI）36
2.4.4比例微分控制（PD）38
2.4.5比例積分微分控制（PID）40
思考題與習題41
3過程參數(shù)的檢測43
3.1概述43
3.1.1檢測過程與測量誤差43
3.1.2過程參數(shù)的一般檢測原理47
3.1.3變送器的基本特性和構成原理48
3.1.4變送器的若干共性問題50
3.2壓力檢測52
3.2.1壓力的表示方法52
3.2.2壓力檢測概述53
3.2.3彈性式壓力檢測53
3.2.4電氣式壓力檢測58
3.2.5智能式壓力/差壓變送器60
3.2.6壓力檢測儀表的選用和安裝61
3.3溫度檢測65
3.3.1溫度檢測概述65
3.3.2熱電偶及其測溫原理66
3.3.3熱電阻及其測溫原理72
3.3.4溫度變送器簡介73
3.3.5其他溫度檢測儀表簡介78
3.3.6溫度檢測儀表的選用和安裝78
3.4流量檢測79
3.4.1流量檢測概述80
3.4.2節(jié)流式流量計80
3.4.3轉子流量計83
3.4.4電磁流量計85
3.4.5渦輪流量計85
3.4.6旋渦流量計86
3.4.7容積式流量計87
3.4.8其他流量檢測方法87
3.4.9流量檢測儀表的選用和安裝89
3.5物位檢測90
3.5.1物位檢測概述90
3.5.2差壓式液位計91
3.5.3浮筒式液位計91
3.5.4電容式物位計92
3.5.5核輻射式物位計93
3.5.6物位檢測儀表的選用和安裝93
3.6成分和物性參數(shù)的檢測94
3.6.1熱導式氣體成分檢測94
3.6.2紅外式氣體成分檢測95
3.6.3溶解氧的檢測95
3.6.4pH值的檢測97
3.6.5濁度的檢測97
3.7軟測量技術簡介97
3.8安全儀表系統(tǒng)100
3.8.1安全儀表系統(tǒng)的基本概念100
3.8.2安全儀表系統(tǒng)的結構101
3.8.3安全儀表系統(tǒng)(SIS)集成設計101
3.8.4安全儀表系統(tǒng)中傳感器設計原則102
思考題與習題103
4控制器106
4.1控制器概述106
4.2數(shù)字式控制器106
4.2.1數(shù)字式控制器的主要特點106
4.2.2數(shù)字式控制器的構成原理107
4.2.3SLPC可編程調節(jié)器110
思考題與習題116
5計算機控制系統(tǒng)117
5.1概述117
5.1.1計算機控制系統(tǒng)的基本組成117
5.1.2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程118
5.1.3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展特征120
5.1.4離散化PID控制和數(shù)字濾波算法121
5.2可編程序控制器123
5.2.1概述123
5.2.2PLC基本組成124
5.2.3PLC的基本工作原理125
5.2.4PLC的程序設計簡介126
5.3集散控制系統(tǒng)131
5.3.1概述131
5.3.2DCS的硬件體系結構132
5.3.3DCS的軟件系統(tǒng)136
5.3.4DCS的組態(tài)（開發(fā)與生成）137
5.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)140
5.4.1現(xiàn)場總線的概述140
5.4.2基金會現(xiàn)場總線143
5.4.3Profibus現(xiàn)場總線146
5.4.4幾個具體問題的分析150
5.5工業(yè)以太網(wǎng)151
5.5.1以太網(wǎng)的介質訪問控制協(xié)議151
5.5.2以太網(wǎng)應用于工業(yè)現(xiàn)場的關鍵技術152
5.5.3工業(yè)以太網(wǎng)的應用153
思考題與習題154
6執(zhí)行器157
6.1概述157
6.1.1執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用157
6.1.2執(zhí)行器的構成157
6.1.3執(zhí)行器的分類157
6.1.4執(zhí)行器的作用方式158
6.2執(zhí)行機構158
6.2.1氣動執(zhí)行機構158
6.2.2電動執(zhí)行機構159
6.2.3智能式電動執(zhí)行機構159
6.3調節(jié)機構160
6.4調節(jié)閥的流量系數(shù)和流量特性162
6.4.1流量系數(shù)162
6.4.2流量特性163
6.4.3調節(jié)閥的可調比165
6.5閥門定位器166
6.5.1電/氣閥門定位器166
6.5.2氣動閥門定位器167
6.5.3智能式閥門定位器167
6.6執(zhí)行器的選擇、計算和安裝168
6.6.1執(zhí)行器結構形式的選擇168
6.6.2調節(jié)閥流量特性的選擇169
6.6.3調節(jié)閥的口徑選擇170
6.6.4氣動調節(jié)閥的安裝171
思考題與習題172
7簡單控制系統(tǒng)173
7.1簡單控制系統(tǒng)的結構與組成173
7.2自動控制的目的及被控變量的選擇174
7.3對象特性對控制質量的影響及控制變量的選擇176
7.3.1控制變量與干擾變量176
7.3.2對象特性對控制質量的影響176
7.3.3控制變量的選擇原則與選擇方法178
7.4測量滯后對控制質量的影響及測量信號的處理181
7.4.1測量滯后對控制質量的影響181
7.4.2克服測量滯后的幾種方法182
7.4.3測量信號的處理182
7.5負荷變化對控制質量的影響及調節(jié)閥的選擇183
7.6控制規(guī)律的選擇184
7.6.1控制規(guī)律的選擇184
7.6.2控制器正、反作用的選擇184
7.7控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定186
7.7.1控制系統(tǒng)的投運186
7.7.2控制器參數(shù)的工程整定186
思考題與習題190
8復雜控制系統(tǒng)192
8.1串級控制系統(tǒng)192
8.1.1概述192
8.1.2串級控制系統(tǒng)的工作過程194
8.1.3串級控制系統(tǒng)的特點及應用范圍195
8.1.4串級控制系統(tǒng)主、副回路的選擇195
8.1.5主、副控制器控制規(guī)律及正、反作用的選擇198
8.1.6主、副控制器參數(shù)的工程整定200
8.2均勻控制系統(tǒng)201
8.2.1均勻控制的目的201
8.2.2均勻控制方案202
8.3比值控制系統(tǒng)203
8.3.1概述203
8.3.2比值控制的類型203
8.4選擇性控制系統(tǒng)206
8.4.1概述206
8.4.2選擇性控制系統(tǒng)的類型206
8.4.3積分飽和及抗積分飽和措施209
8.5分程控制系統(tǒng)210
8.5.1概述210
8.5.2分程控制的應用211
8.5.3分程控制系統(tǒng)應用中應注意的幾個問題213
8.6前饋控制系統(tǒng)213
8.6.1概述213
8.6.2前饋控制系統(tǒng)的結構215
8.6.3前饋控制系統(tǒng)的應用場合216
8.7多沖量控制系統(tǒng)217
思考題與習題219
9新型控制系統(tǒng)222
9.1解耦控制222
9.1.1系統(tǒng)間的相互關聯(lián)222
9.1.2解耦控制224
9.2推斷控制226
9.3自適應控制227
9.3.1自適應控制系統(tǒng)的特點與功能227
9.3.2自適應控制系統(tǒng)的類型227
9.4預測控制228
9.4.1預測控制的基本特征228
9.4.2預測控制算法的類型229
9.5模糊控制232
9.5.1模糊控制的基本原理232
9.5.2模糊控制的幾種方法234
9.6神經(jīng)元網(wǎng)絡控制234
9.6.1神經(jīng)元模型234
9.6.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡236
9.6.3神經(jīng)網(wǎng)絡在自動控制中的應用237
9.7智能控制與專家系統(tǒng)237
9.7.1智能控制概述237
9.7.2智能控制的主要類型238
9.7.3專家控制系統(tǒng)239
9.8故障檢測與故障診斷240
9.8.1提高控制系統(tǒng)可靠性的主要方法240
9.8.2故障檢測與診斷的主要方法241
思考題與習題242
10典型化工單元的控制243
10.1化工單元自動控制的一般設計原則243
10.2流體輸送設備的控制244
10.2.1離心泵的控制244
10.2.2容積式泵的控制245
10.2.3壓縮機的控制245
10.3傳熱設備的控制247
10.3.1無相變情況下傳熱設備的控制248
10.3.2有相變情況下傳熱設備的控制249
10.4化學反應器的自動控制251
10.4.1釜式反應器的自動控制252
10.4.2固定床反應器的自動控制252
10.4.3流化床反應器的自動控制253
10.4.4鼓泡床反應器的控制254
思考題與習題255
11計算機控制系統(tǒng)的應用257
11.1計算機控制系統(tǒng)的工程設計257
11.1.1計算機控制系統(tǒng)的基本設計原則257
11.1.2計算機控制系統(tǒng)的工程設計程序257
11.1.3計算機控制系統(tǒng)的硬件設計258
11.1.4計算機控制系統(tǒng)的軟件設計260
11.2PLC在啤酒發(fā)酵過程中的應用260
11.2.1發(fā)酵過程的生產(chǎn)工藝和控制要求簡介260
11.2.2S7 PLC的硬件設計261
11.2.3軟件設計263
11.3DCS在鏈條鍋爐系統(tǒng)中的應用265
11.3.1工藝簡介265
11.3.2系統(tǒng)的主要控制要求266
11.3.3系統(tǒng)控制方案分析266
11.3.4控制方案在DCS上的實現(xiàn)267
11.4FCS在大顆粒尿素裝置中的應用簡介272
11.4.1工藝簡介272
11.4.2DeltaV系統(tǒng)簡介273
11.4.3控制要求在FCS上的實現(xiàn)273
思考題與習題274
部分習題參考答案276
附錄280
附錄1部分壓力單位的換算關系280
附錄2熱電偶分度表280
附錄3熱電阻分度表282
參考文獻284
3.5.6 物位檢測儀表的選用和安裝（1）物位檢測儀表的選用 在各種物位檢測方法中，有的方法僅適用于液位檢測，有的方法既可用于液位檢測，又可用于料位檢測。在液位檢測中靜壓式和浮力式檢測是常用的，如就地液位指示可根據(jù)被測介質的溫度、壓力選用玻璃板液位計或磁性浮子液位計。它們具有結構簡單、工作可靠、精度較高等優(yōu)點，但不適用于高粘度介質或易燃、易爆等危險性較大介質的液位檢測。液位和界面的測量宜選用差壓式、浮筒式或浮子式液位儀表。當不能滿足要求時，可根據(jù)具體情況選用電容式、電阻式(電接觸式)、聲波式、靜壓式、雷達式、輻射式等物位儀表。 不同的設備采用不同的液位計進行測量，不同的液位計適用范圍也各不相同。例如儲罐液位儀表，可分為接觸式(浮子式、差壓式等)與非接觸式(雷達式、聲波式等)，若原油、重質油儲罐液位測量，宜采用非接觸式；輕質油、化工原料產(chǎn)品(非腐蝕性)儲罐液位測量，宜采用非接觸式或接觸式；儲罐就地液位指示，宜選用磁性浮子液位計、浮球液位計，也可選用直讀式彩色玻璃板液位計；常壓罐、壓力罐、拱頂罐、浮頂罐的液體質量、密度、體積、液位等測量，可選用靜壓式儲罐液位計，但高粘度液位測量不宜采用。下面具體介紹一下各種常用儀表的應用場合。① 玻璃板液位計適用于就地液位指示，但不宜用于測量深色、粘稠并與管壁有沾染作用的介質的液位指示。對于溫度低于80℃、壓力小于0.4MPa、不易燃、無爆炸危險和無毒的潔凈介質，可選用帶護罩的玻璃液位計。② 磁性浮子液位計適用于就地液位界面指示，它主要應用在工作壓力不大于10MPa，介質溫度不大于250℃，介質密度為400~2000kg/m3，介質密度差大于150kg/m3的場合。該液位計不宜用于測量粘度高于600mPa.s的介質的液位。③ 差壓式液位計用于液位(界面)測量，對于腐蝕性液體、粘稠性液體、熔融性液體、沉淀性液體等，如果采取灌隔離液、吹氣或沖液等措施時，亦可選用差壓變送器，但測液位的差壓變送器應帶有遷移機構。對于正常工況下液體密度發(fā)生明顯變化的介質的液位測量，不宜選用差壓式變送器。④ 浮筒式液位計用于密度、操作壓力范圍比較寬的場合，一般介質的液位（界面）測量以及真空、負壓或易氣化的液體的液位測量。但在密度變化較大的場合，不宜選用浮筒式液位計。⑤ 電容式液位計或射頻式液位計可用于腐蝕性液體、沉淀性流體以及其它工藝介質的液位連續(xù)測量和位式測量。但對于是易粘附電極的導電液體，不宜采用電容式液位計。 兩種液位計易受電磁干擾的影響，使用時應采取抗電磁干擾措施。⑥ 輻射式液位計可用于高溫、高壓、高粘度、易結晶、易結焦、強腐蝕、易爆炸、有毒性或低溫等液位的非接觸式連續(xù)測量或位式測量。使用時測量儀表應有衰變補償，以避免由于輻射源衰變而引起的測量誤差，提高運行的穩(wěn)定性。料位測量儀表應根據(jù)被測物料的工作條件、粒度、安息角、導電性、腐蝕性、料倉的結構型式以測量要求進行選擇。儀表的量程應根據(jù)測量對象實際需要顯示的范圍或實際變化的范圍確定。除計量用的物位表外，應使正常物位處于儀表量程的50％左右。用于爆炸危險場所的電子式物位儀表，應根據(jù)儀表安裝場所的爆炸危險類別及被測介質，選合適的防爆結構型式。用于腐蝕性氣體或有害粉塵等場所的電子式物位儀表，應根據(jù)使用現(xiàn)場環(huán)境，選擇合適的防護型式。（2）物位檢測儀表的安裝① 玻璃板液位計應安裝在便于觀察、檢修、拆卸的位置；液位計安裝應垂直，其垂直允許偏差為液位計長度的5/1000。安裝玻璃管液位計時，應用扳手輕輕擰緊，防止玻璃管碎裂。② 差壓式液位計應安裝在溫度和濕度波動小、無沖擊和振動的地方。導壓管要盡可能短； 兩邊導壓管內(nèi)的液柱壓頭應保持平衡。③ 浮筒式液位計的安裝應使浮筒呈垂直狀態(tài)，并處于正常液位或分界液位的高度。浮筒液位計安裝時，浮筒內(nèi)浮桿必須能自由上下，不能有卡澀現(xiàn)象。
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