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现代工业控制系统与过程优化实践 图书简介 本书全面深入地探讨了现代工业控制系统的设计、实施、运行与优化等核心内容。 聚焦于流程工业，特别是化工、石化、电力、冶金等领域的自动化需求，本书旨在为工程技术人员、一线操作员以及相关专业学生提供一套系统、实用的理论指导与工程实践参考。 第一部分：工业自动化基础理论与技术革新 本部分首先回顾了工业自动化技术的发展历程，重点阐述了从传统的继电器控制到现代分布式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）以及监督控制与数据采集系统（SCADA）的演进脉络。 深入分析了数字化、网络化对工业生产模式带来的深刻变革。 1. 控制系统架构解析： 详细介绍了分层控制模型，包括现场设备层、控制层、监控层和管理层的功能划分与接口标准。 特别对比了DCS与PLC在适用范围、系统集成度、可靠性与扩展性方面的差异，并探讨了面向中小型装置的集成控制系统（SIS/PLS）的应用场景。 2. 传感器与执行器原理： 涵盖了主流过程参数测量技术，如压力、温度、流量、物位、成分分析等传感器的物理原理、选型原则、安装规范与误差分析。 对调节阀、变频驱动器等执行器的动态特性、流量特性曲线（线性、等百分比、快开特性）进行了详尽的数学描述和工程应用案例分析。 3. 过程控制理论基础： 巩固了经典的反馈控制理论，包括PID控制器的原理、结构、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、内模控制IMC法）及其在复杂过程中的局限性。 引入了先进控制策略，如串级控制、比值控制、前馈控制、解耦控制的设计与实施要点。 第二部分：先进过程控制（APC）与优化技术 随着工业过程复杂度的提高和经济效益对实时优化的追求，先进过程控制技术已成为提升竞争力的关键。 本部分着重讲解了超越传统PID控制的高级算法及其在实际生产中的应用。 1. 模型预测控制（MPC）： 深入剖析了MPC的核心——系统辨识、模型建立（状态空间模型、传递函数模型）、滚动时域优化算法（二次规划、线性规划）以及约束处理机制。 提供了MPC在多变量耦合过程（如精馏塔、反应器温度控制）中的设计流程和案例分析，强调了准确过程模型对MPC性能的决定性作用。 2. 软测量技术： 针对那些难以在线实时测量的关键质量指标（如反应器转化率、产品纯度），详细介绍了基于数据驱动的软测量建模方法，包括偏最小二乘（PLS）、支持向量机（SVM）以及深度学习在软测量中的初步应用。 探讨了软测量结果的不确定性评估与反馈机制。 3. 过程优化与经济调度： 讲解了如何将过程模型与经济模型相结合，实现操作目标从“稳定运行”向“利润最大化”的转变。 介绍了实时优化（RTO）系统的基本框架，包括数据采集、模型求解、优化结果的下发与执行，以及系统安全连锁的保障措施。 第三部分：系统集成、网络安全与智能制造 本部分着眼于当前工业4.0和智能制造的趋势，探讨了控制系统在企业信息层面的集成以及面临的网络安全挑战。 1. 控制系统网络化与集成： 阐述了工业以太网（如EtherNet/IP, Profinet, OPC UA）在控制系统中的应用，重点讲解了数据集成标准和协议。 详细介绍了ISA-95标准在企业资源规划（ERP）、制造执行系统（MES）与过程控制系统（PCS）之间信息流和操作流的映射关系，强调了信息孤岛的打破。 2. 工业网络安全防护： 针对工控系统（ICS）日益严峻的安全威胁，本书系统梳理了潜在的攻击向量（如恶意代码植入、DDoS攻击、内部人员威胁）。 介绍了基于IEC 62443标准的纵深防御策略，包括网络区域划分、访问控制、安全审计、入侵检测与应急响应预案的制定。 3. 数据分析与预测性维护： 探讨了如何利用控制系统采集的海量历史数据进行离线和在线分析。 重点介绍了基于设备健康状态监测（PHM）的预测性维护方法，包括振动分析、油液分析、热成像技术在关键旋转设备（泵、压缩机）状态评估中的应用，以及如何将维护策略嵌入到自动控制逻辑中，实现从“定期维护”向“状态维护”的转变。 第四部分：系统可靠性、故障诊断与人机交互 本部分关注控制系统的健壮性、操作人员与系统交互的有效性，这是确保连续安全生产的基础。 1. 高可靠性与冗余设计： 详细分析了系统各组件（CPU、I/O模块、通信网络、电源）的单点故障（SPOF）风险。 对比了热备用、温备用等不同冗余架构的优缺点，并介绍了故障转移策略和系统自检机制的实现。 2. 故障诊断与分析： 讲解了基于故障树分析（FTA）和事件树分析（ETA）的系统级安全评估方法。 介绍了利用专家系统和基于模型的残差分析技术进行故障的早期预警和定位，以缩短停机时间。 3. 现代人机界面（HMI）设计： 遵循国际人机工程学标准（如ISA 101/EEMUA 191），本书提供了优秀HMI设计原则，包括信息分层、关键信息突出显示、报警管理（报警抑制、报警归并、报警优先级划分）的实践指南，旨在减少操作员的认知负荷和误操作风险。 本书内容覆盖面广，理论深度适中，兼顾了前沿技术介绍与工程实际操作细节，是提升流程工业自动化水平的必备参考资料。
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