本書介紹過程控制中各種常見變量的檢測和控制技術,以及相應的儀表、計算機控制系統(tǒng)及裝置,并結合測控技術的發(fā)展,介紹一些新的應用方法。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。在計算機控制系統(tǒng)及裝置方面主要介紹可編程序控制器、計算機監(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、多傳感器數(shù)據融合技術、虛擬儀器以及無線傳感器網絡技術等過程測控新技術。
本書將基本原理介紹與實際應用相結合,可作為高等院校自動化專業(yè)、測控技術與儀器專業(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,也可用于過程自動化專業(yè)技術培訓,供相關工程技術人員參考。
生產過程需要對相關工藝參數(shù)進行監(jiān)控,以保證生產過程安全和正常運行,保證產品質量和產量,并且滿足綠色環(huán)保和節(jié)能降耗的要求。要實現(xiàn)對相關工藝參數(shù)的監(jiān)控,首先要利用檢測技術采集工藝變量信息,在經過適當?shù)奶幚碇,將檢測信息傳輸給系統(tǒng)的控制器;控制器對輸入信息按照一定控制規(guī)律運算加工,形成控制信號,通過執(zhí)行器對生產過程施加控制作用。這一切工作都是通過自動化儀表和計算機裝置來完成的,因此信息時代工業(yè)生產離不開自動化技術的支持。從事過程控制的專業(yè)技術人員必須具備檢測技術、自動控制技術、計算機技術和通信網絡技術等方面的基礎理論知識和工程應用能力。
本書是有關過程測量和控制技術及其相關儀表和系統(tǒng)裝置的基礎理論與應用技術的教材,主要結合化工生產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)的檢測技術及其相應的儀表原理和工程實際應用知識,介紹過程控制常用的控制規(guī)律方法和控制儀表。鑒于計算機在過程控制領域的應用日益普及,本書在介紹經典的檢測控制技術和儀表裝置的基礎上,介紹了控制系統(tǒng)中相關的計算機應用技術。此外,結合測控技術的發(fā)展,還簡單介紹了一些新的測控技術,引導讀者開拓視野。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,并能應用到實際工作中去,以期達到“既能仰望星空,又能腳踏實地”的學習效果。
本書共有14章,第1章緒論,介紹過程測控技術的一些基本概念和基礎知識;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)行機構和控制閥,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算機技術應用的普及而得到推廣應用的可編程序控制器、計算機監(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)代測控技術和儀表的一些新發(fā)展及其應用,包括軟測量技術、多傳感器數(shù)據融合技術、虛擬儀器以及線傳感器網絡技術。
本書由華東理工大學孫自強主編,劉笛、劉濟參加了編寫。其中第1~7章由孫自強編寫;第8~10章由劉笛編寫;第11~14章由劉濟編寫。
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。
過程測控技術是多學科交叉技術,新技術和新儀表裝置不斷出現(xiàn)在生產現(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
孫自強,華東理工大學,自動化系主任,教授,從事自動化和測控儀表裝置教學和科研工作。負責國家特色專業(yè)----自動化專業(yè)建設,負責《測控技術與儀器儀表概論》的課程建設?蒲蟹矫,主持或參加多個項目,包括國家863項目、國家自然科學基金項目等,以及橫向科研合作項目。內容涉及過程建模、優(yōu)化和控制,新型檢測技術,智能化儀表開發(fā)等。
第1章緒論
1.1過程測控儀表在自動控制系統(tǒng)中的作用和發(fā)展狀況1
1.1.1過程測控儀表在自動控制系統(tǒng)中的作用1
1.1.2過程測控儀表發(fā)展狀況2
1.2測控儀表主要相關基礎知識4
1.2.1儀表主要性能指標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系7
1.3化工過程生產安全防爆技術簡介8
思考題與習題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熱電偶結構13
2.2.4補償導線14
2.2.5熱電偶參比端溫度補償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25
3.2.3負荷式壓力計25
3.2.4壓力傳感器25
3.2.5壓力開關28
3.3壓力表的選用29
思考題與習題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32
4.2.1差壓流量計32
4.2.2電磁流量計42
4.2.3轉子流量計45
4.2.4渦輪流量計47
4.2.5旋渦流量計47
4.2.6超聲流量計48
4.2.7容積流量計48
4.3質量流量計50
4.3.1科里奧利質量流量計50
4.3.2熱式質量流量計52
4.3.3間接式質量流量計54
4.4流量測量儀表現(xiàn)場校驗54
4.4.1零點校驗55
4.4.2示值校驗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經濟方面63
思考題與習題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66
5.2.2差壓式液位計66
5.2.3電容式物位計68
5.2.4超聲波物位計69
5.2.5核輻射式物位計70
5.2.6雷達物位計70
5.2.7伺服液位計71
5.2.8磁致伸縮液位計72
5.2.9物位開關72
5.3物位檢測儀表的選用73
思考題與習題74
第6章成分分析儀表
6.1成分分析方法75
6.1.1熱導式氣體成分檢測75
6.1.2磁導式含氧量檢測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水質濁度計82
6.1.11溶解氧分析儀82
6.1.12微量氧分析儀83
6.1.13可燃氣體及有毒氣體報警器84
6.2成分、物性檢測的靜態(tài)特性84
6.3成分、物性檢測的動態(tài)特性85
思考題與習題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88
7.1.2電子自動平衡電橋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)顯儀表的主要技術指標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
思考題與習題98
第8章變送器
8.1變送器的構成99
8.1.1模擬變送器的構成99
8.1.2智能變送器的構成100
8.1.3量程調整、零點調整和零點遷移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電動執(zhí)行機構130
9.3氣動執(zhí)行機構130
9.3.1薄膜式131
9.3.2活塞式132
9.4控制閥133
9.4.1控制閥結構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控制閥結構形式及材質的選擇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自力式調節(jié)閥 146
9.7.1自力式壓力調節(jié)閥146
9.7.2自力式溫度調節(jié)閥147
9.7.3自力式流量調節(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151
10.2PID算法實現(xiàn)156
10.2.1模擬PID算法實現(xiàn)156
10.2.2離散PID算法實現(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169
10.4.2數(shù)字式控制器的基本構成170
思考題與習題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構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的應用舉例187
思考題與習題189
第12章計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)
12.1計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)組成結構191
12.1.1計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)硬件組成191
12.1.2計算機監(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)通信網絡207
13.2.3典型集散控制系統(tǒng)及其應用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實時工業(yè)以太網技術223
13.3.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)227
思考題與習題229
第14章現(xiàn)代測控技術與儀表
14.1軟測量技術230
14.1.1軟測量的概念230
14.1.2軟測量技術的實現(xiàn)方法231
14.1.3軟測量建模技術232
14.2多傳感器數(shù)據融合技術233
14.2.1概述233
14.2.2多傳感器數(shù)據融合結構234
14.2.3多傳感器數(shù)據融合方法235
14.3虛擬儀器236
14.3.1概述236
14.3.2虛擬儀器結構和硬件模塊237
14.3.3虛擬儀器的軟件技術238
14.4無線傳感器網絡技術239
14.4.1無線傳感器網絡的概念和特點239
14.4.2無線傳感器網絡的結構240
14.4.3無線傳感器網絡的關鍵技術241
思考題與習題242
參考文獻