具体描述
工业流程自动化与控制系统设计 本书面向对象： 本书主要面向从事自动化工程、控制系统设计、工业机器人应用、智能制造以及相关领域的研究人员、工程师、技术人员、高等院校相关专业的学生及教师。特别是对于希望深入理解现代工业生产中自动化技术原理、系统集成与优化的高级技术人员，本书提供了坚实的理论基础与丰富的实践指导。 内容概述： 本书系统地阐述了工业流程自动化与控制系统的设计、实施与优化全过程，涵盖了从底层传感器与执行器选型到顶层制造执行系统（MES）集成的前沿技术与工程实践。全书内容紧密围绕“数字化、智能化、集成化”三大核心主题展开，旨在培养读者构建高效、可靠、灵活的现代工业自动化解决方案的能力。 第一部分：工业过程基础与自动化理论 本部分首先回顾了工业生产过程的热力学、流体力学、化学反应动力学等基础知识，为理解控制对象打下坚实基础。随后，深入探讨了自动化控制理论的核心概念。 工业过程建模与仿真： 详细介绍了线性与非线性系统的建模方法，包括传递函数、状态空间模型，以及如何利用过程辨识技术获取精确的系统模型。重点阐述了基于物理模型和数据驱动的混合建模方法在复杂工业系统中的应用。 经典控制理论与先进控制： 涵盖了PID控制器的设计、整定（如Ziegler-Nichols法、IMC法）及其在实际中的局限性。在此基础上，重点介绍了先进控制策略，如前馈控制、比拟控制、内部模型控制（IMC）以及基于模型的预测控制（MPC）。MPC部分将结合具体工业案例（如多变量反应器温度控制）进行深入剖析，展示其在解耦和约束处理方面的优势。 离散系统与数字控制： 阐述了数字控制系统的采样、量化、编码原理，Z变换在离散系统分析中的应用，以及数字PID控制器的实现细节，包括抗积分饱和、零点保持器的选择等工程问题。 第二部分：现场设备与传感/执行技术 本部分聚焦于自动化系统的物理基础层，详细介绍了现代工业现场中各类关键设备的选型、工作原理、安装规范与故障诊断。 过程传感技术： 深入剖析了温度、压力、流量、物位、成分分析等关键过程变量的测量原理。特别关注了智能传感器（如基于总线技术的传感器）的特点、误差来源与校准技术。例如，对超声波、雷达液位计在复杂工况下的适用性进行了详细对比。 执行机构与驱动技术： 全面介绍了各类调节阀（气动、电动、电液伺服）的动态特性、流量特性曲线及选型原则。同时，详细讲解了伺服电机、步进电机在精确运动控制中的应用，包括变频器（VFD）的控制原理、电流环与速度环的协调。 现场总线与工业通信： 对比分析了主流的现场总线技术，如PROFIBUS DP/PA、Foundation Fieldbus、Modbus TCP/IP、EtherCAT等。重点阐述了不同总线在数据传输速率、实时性、可靠性、安全性和拓扑结构上的差异，以及在混合系统集成中的选择依据。 第三部分：可编程逻辑控制器（PLC）与分布式控制系统（DCS） 本部分是自动化系统架构的核心，详细介绍了工业控制器的设计理念、编程实践与系统集成。 PLC编程与应用工程： 遵循IEC 61131-3标准，系统讲解了梯形图（LD）、指令表（IL）、结构化文本（ST）、功能块图（FBD）和顺序功能图（SFC）的编程方法。重点分析了安全连锁逻辑的设计、故障安全编程（Failsafe Design）以及如何利用PLC实现批处理（Batch Control）流程。 DCS系统架构与工程实施： 阐述了DCS（Distributed Control System）的层次化结构（现场层、控制层、监视层、管理层），强调了其高可靠性、冗余设计和过程操作的集中化管理优势。详细介绍了控制站（Controller）、I/O模块的配置、系统网络冗余和主备切换策略。 人机界面（HMI）与SCADA系统： 探讨了现代HMI的设计原则，包括信息密度、操作直观性、报警管理系统（Alarm Management）的设计标准（如ISA 18.2）。SCADA系统部分关注数据采集、历史趋势分析、远程监控与网络安全防护。 第四部分：高级控制与智能制造集成 本部分面向工业4.0的趋势，介绍了提升系统性能和实现生产决策自动化的前沿技术。 过程优化与先进控制： 深入讲解了多变量控制技术，如对易产生耦合的单元操作（如精馏塔、多效蒸发器）的解耦控制方案设计。重点阐述了在线优化（Real-Time Optimization, RTO）的原理及其与MPC的结合，实现经济性最优运行。 工业网络安全与可靠性设计： 针对日益严峻的网络威胁，本书详细介绍了控制系统的安全防护等级（如IEC 62443标准），包括物理隔离、网络分段（DMZ）、防火墙配置、安全审计与入侵检测在工控环境中的应用。同时，探讨了热备件策略、系统冗余（I/O、CPU、网络）对提高系统可用性的关键作用。 数据集成与制造执行系统（MES）： 阐述了如何通过OPC UA等标准接口实现控制层（PLC/DCS）与企业资源规划（ERP）系统之间的信息流打通。重点分析了MES在生产调度、物料跟踪、质量追溯中的核心功能，以及如何利用自动化数据构建“数字孪生”（Digital Twin）的基础。 附录与案例分析： 本书附带多个跨行业（如精细化工、电力、食品饮料）的自动化项目设计案例，包括从需求分析、系统架构选择、控制策略制定到调试验收的完整流程演示，旨在巩固读者的工程实践能力。 本书特色： 理论与实践紧密结合： 避免空泛的理论推导，每一个控制策略和技术选型都配有实际工程应用场景的说明。 突出前沿技术： 对MPC、工业物联网（IIoT）的接口技术、网络安全等当前热点问题进行了深入、详尽的介绍。 面向复杂系统设计： 强调多变量系统、高可靠性系统和跨平台集成的工程化解决方案，而非仅限于单一设备或简单回路的编程。 通过系统学习本书内容，读者将能够独立承担复杂的工业自动化项目的设计、实施与维护工作，有效提升工厂的自动化水平、运行效率和过程稳定性。
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