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《现代化工过程控制系统设计与优化》 图书简介 本书系统阐述了现代化工企业在数字化、智能化转型浪潮下，对过程控制系统（PCS）的最新需求、设计理念、先进技术应用及优化策略。全书内容聚焦于提升化工生产过程的安全性、效率、灵活性与可持续性，涵盖了从传统分散控制系统（DCS）到先进的基于模型的预测控制（MPC）、智能优化控制以及工业物联网（IIoT）集成等前沿技术。 第一部分：化工过程控制系统基础与演进 本部分首先回顾了化工过程控制系统的发展历程，从早期的继电器控制到气动、电子模拟控制，再到目前主流的DCS和可编程逻辑控制器（PLC）。重点分析了DCS的架构、核心功能模块（如操作员站、工程师站、控制服务器、现场总线技术）及其在大型复杂化工装置中的应用优势。 随后，深入探讨了现代控制理论在化工领域的实际应用，如PID控制器的深入调优（包括Smith预估器、串级控制、前馈控制等高级PID配置），以及如何根据不同反应器、换热网络、精馏塔等典型单元的特性，选择和配置最合适的控制策略。内容中强调了基于工艺流程的控制回路设计原则，避免过度复杂化，追求稳定、可靠的运行。 第二部分：先进过程控制（APC）理论与实践 这是本书的核心内容之一。先进过程控制是实现化工过程优化运行的关键技术。本部分详细介绍了多种主流APC技术，并配以化工实例进行讲解： 1. 模型预测控制（MPC）： 详细阐述了MPC的基本原理，包括系统建模（如基于第一性原理的模型、脉冲响应模型、ARX模型等）、约束处理、优化目标函数的构建以及滚动时域计算过程。重点分析了MPC在处理多变量耦合系统（如大型精馏塔的塔顶压力与回流比的协调控制）中的应用优势，以及如何进行模型在线辨识与维护。 2. 智能与自适应控制： 探讨了模糊逻辑控制（FLC）和神经网络控制（NNC）在处理非线性、时变性强或机理模型难以建立的化工过程中的应用。讲解了如何利用专家经验构建模糊规则库，以及如何使用神经网络进行复杂传热或反应动力学特性的在线逼近。 3. 优化调度与实时优化（RTO）： 阐述了RTO系统在宏观层面指导APC运行的机制。内容包括如何建立全局的经济性目标函数（考虑原料成本、能耗、产品售价），如何利用实时数据修正稳态优化模型，并将优化结果转化为APC的设定值，实现全厂范围的经济效益最大化。 第三部分：过程安全与可靠性工程 化工过程的固有风险要求控制系统具备极高的安全性和可靠性。本部分从控制系统的角度剖析了安全仪表系统（SIS）的集成与设计。 1. 安全完整性等级（SIL）分析与设计： 详细解读了IEC 61508和IEC 61511标准，指导读者如何进行风险与危害分析（HAZOP），确定所需的SIL等级，并据此选择符合标准的仪表、逻辑求解器及最终元件。强调了安全仪表系统的独立性、冗余性设计和验证测试流程。 2. 系统冗余与故障诊断： 探讨了DCS/PLC在硬件层面（如CPU、I/O卡件、电源）和软件层面（如控制逻辑备份）的冗余配置策略，以及如何通过热备份、三取二投票机制确保系统的高可用性。同时，介绍了基于状态监测和预测性维护（PdM）的故障诊断技术在提升系统运行时间上的作用。 第四部分：工业通信、数据集成与数字化工厂 本部分关注控制系统如何与企业管理系统（如MES、ERP）进行有效集成，以及如何利用新兴的工业通信技术支撑“工业4.0”架构。 1. 工业通信网络技术： 深入对比了现场总线（Fieldbus，如HART、Profibus DP/PA、Foundation Fieldbus）和工业以太网（如Profinet、EtherNet/IP）在化工现场的应用场景、带宽特性和抗干扰能力。特别分析了如何利用TSN（时间敏感网络）技术满足高精度时间同步和确定性通信的需求。 2. 数据采集与MES集成： 讲解了OPC UA作为主流的工业数据互操作标准，在连接控制层与信息层（IT/OT融合）中的关键作用。内容涵盖了如何设计高效的数据采集策略，确保过程数据的实时性、准确性，并将其有效转化为MES系统所需的批次管理、设备效率（OEE）计算的输入。 3. 工业物联网（IIoT）与边缘计算： 探讨了在过程控制领域部署IIoT平台的必要性。介绍了边缘计算在现场侧进行数据预处理、短周期控制逻辑执行和快速故障响应中的优势，以及如何将边缘智能与云端大数据分析相结合，实现更精细化的过程优化和资产管理。 第五部分：能效管理与可持续性控制 面对日益严格的环保要求和能源成本，本部分侧重于如何通过控制系统实现绿色制造。 1. 过程加热与冷却系统的优化控制： 针对锅炉、加热炉、余热回收系统等高能耗单元，提出了先进的燃烧优化控制策略，如基于氧含量和烟气特性的自适应空气配比控制，以及利用热力学模型指导的换热网络集成控制。 2. 排放与污染物控制： 讲解了连续排放监测系统（CEMS）的数据集成，以及如何将环保控制（如脱硫、脱硝反应器）的运行参数纳入主控制系统的APC范围，以在满足排放限值的同时，最小化催化剂消耗和能耗。 结论与展望 全书最后总结了化工控制系统未来发展的趋势，包括人工智能在控制策略生成中的应用、数字孪生技术在过程模拟与故障预演中的价值，以及对未来操作员角色的重塑与能力培养的需求。 本书特点： 理论与实践紧密结合： 提供了大量的化工案例分析和工程应用实例，帮助读者理解抽象的控制理论如何落地。 覆盖面广： 涵盖了从基础PID调优到前沿的RTO、IIoT集成等多个层次的技术。 面向工程应用： 重点突出标准规范（如IEC系列）和工业实际通信协议的应用细节。 本书适合化工、化学工程、过程装备与控制工程等专业的本科生、研究生，以及在化工、石油、冶金等流程工业从事过程控制、自动化和生产优化的一线工程师和技术管理人员参考阅读。
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