集散控制系统原理及其应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:电子工业出版社

作者:张德泉 编

出品人:

页数:313

译者:

出版时间:2012-8

价格:27.00元

装帧:

isbn号码:9787121047961

丛书系列:

图书标签:

• 集散控制系统
• DCS
• 过程控制
• 自动化
• 工业控制
• 控制工程
• 仪表
• PLC
• 系统设计
• 应用技术

现代工业自动化：传感器、网络与控制架构 图书简介 本书深入探讨了现代工业自动化领域的核心技术与系统架构，旨在为工程技术人员、研究人员以及相关专业学生提供一份全面、实用的技术参考。本书聚焦于传感器技术、工业通信网络以及先进的控制系统集成，内容覆盖了从底层数据采集到顶层决策支持的全流程。 第一部分：工业传感器的精密测量与信号处理 本部分详细阐述了现代工业环境中用于物理量、化学量测量的各类传感器的工作原理、选型标准与安装维护。我们首先系统梳理了温度、压力、流量、液位、位移与力学量传感器的最新发展趋势，强调了高精度、高可靠性以及在恶劣环境下的适用性。 1.1 智能传感器的原理与集成 重点剖析了具备自诊断、自校准和数字通信能力的智能传感器。讨论了MEMS（微机电系统）技术在传感器制造中的应用，及其带来的体积小型化和成本效益。深入分析了传感器输出信号的线性化、滤波与模数转换（ADC）技术，确保采集信号的纯净度和准确性。 1.2 信号调理与抗干扰技术 详细介绍了信号调理电路的设计，包括隔离放大、冷端补偿、电桥平衡等关键环节。针对工业现场普遍存在的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），本书提供了详尽的屏蔽、接地、滤波和双绞线配置的实践指南，确保数据在传输过程中的完整性。 1.3 工业视觉与在线监测技术 本章引入了机器视觉在质量检测、定位引导中的应用。涵盖了工业相机（CCD/CMOS）、镜头选型、光源设计以及图像处理算法的基础知识，重点关注如何将视觉信息转化为可用于控制系统的实时数据。 第二部分：工业通信网络与现场总线技术 现代自动化系统的核心在于可靠、实时的数据交换。本部分专注于当前主流的工业通信协议栈和网络架构，强调了网络的安全性和确定性。 2.1 经典现场总线技术回顾与比较 对 PROFIBUS、CANopen、DeviceNet 等经典现场总线进行了深入的技术剖析，比较了它们在实时性、带宽、拓扑结构和应用场景上的优劣。强调了特定领域的应用规范，如在运动控制或过程控制中的最佳实践。 2.2 以太网/IP 与基于时间的敏感网络（TSN） 本章重点介绍了基于标准以太网技术的工业通信协议，如 EtherNet/IP 和 PROFINET。其中，TSN（Time-Sensitive Networking）作为下一代网络技术被给予了重点关注，详细阐述了其在实现超低延迟、确定性通信方面的机制，如时间同步（IEEE 802.1AS）和流量整形（IEEE 802.1Qbv）。 2.3 无线工业通信与物联网（IIoT）集成 探讨了在需要灵活部署或移动设备的场景下，工业无线技术（如 WirelessHART、ISA100.11a 以及基于 Wi-Fi/5G 的私有网络）的应用挑战与解决方案。重点讨论了如何构建 IIoT 网关，实现现场设备数据与企业信息系统（如 MES/ERP）的有效集成。 2.4 网络架构设计与安全防护 本书提供了一套系统性的工业网络设计方法论，包括网络分层、冗余设计和带宽规划。同时，鉴于网络攻击对生产连续性的威胁，本章详细介绍了网络隔离（如使用防火墙和DMZ）、访问控制列表（ACL）以及固件安全更新的策略，构建纵深防御体系。 第三部分：高级控制算法与系统集成 本部分将理论控制方法与实际的工业应用需求相结合，探讨了如何利用现代计算资源实现更精确、更柔性的过程控制。 3.1 PID 控制的深入优化与先进 PID 变体 尽管 PID 控制器应用广泛，但本书超越了基础的 P、I、D 增益整定。深入研究了Smith 预估器、串级控制、前馈控制等高级 PID 结构在处理大延迟和耦合系统时的应用。同时，探讨了基于模型自适应（Self-Tuning）PID 的实现方法，以应对过程参数的时变性。 3.2 模型预测控制（MPC）的理论与实践 MPC 作为现代过程控制的代表性技术，本书给出了其详细的数学描述（基于状态空间模型或输入/输出模型），并着重讲解了其在处理多变量耦合、约束优化方面的优势。讨论了在实时嵌入式系统中实现 MPC 的计算效率问题。 3.3 运动控制系统的同步与插补 聚焦于精密机械和机器人领域的同步控制。讲解了电子凸轮、虚拟轴技术以及多轴联动时的插补算法，确保高速运动下的轨迹精度和平稳性。同时，介绍了运动控制器（Motion Controller）与驱动器（Drive）之间的通信机制（如 SERCOS III）。 3.4 状态估计与软测量技术 在难以直接测量的关键参数（如反应器内的催化剂活性、锅炉的垢层厚度）估计方面，本书介绍了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）在处理噪声和不确定性方面的强大能力。并对基于过程模型或数据驱动的软测量（Soft Sensor）技术进行了介绍，作为对硬传感器的有效补充。 第四部分：系统可靠性、诊断与维护 自动化系统的长周期、高可靠运行是工业生产的基本要求。本部分关注系统的健康管理和故障预防。 4.1 冗余架构设计与切换策略 详细分析了控制器（PLC/DCS）、电源、通信链路和执行机构的冗余配置方案（1+1、1：N）。重点在于设计高效、无扰的故障检测与自动切换逻辑，将切换时间降至毫秒级。 4.2 基于状态的维护（CBM）与故障诊断 阐述了如何利用传感器数据和历史运行日志，通过趋势分析、频谱分析和模式识别技术，实现对设备健康状况的预测。本书介绍了 IEC 61508/61511 标准在功能安全系统设计中的应用，确保安全仪表系统（SIS）的可靠性。 4.3 系统的集成测试与调试方法 提供了一套系统化的集成测试流程，从单元测试、集成测试到工厂验收测试（FAT）和现场验收测试（SAT）。强调了硬件在环（HIL）仿真在调试复杂控制逻辑和验证切换逻辑的有效性。 本书的特色在于紧密结合当前工业界对数字化转型和智能制造的需求，提供了大量工程实践案例和具体的技术选型指导，是理解和部署现代工业自动化系统的必备参考书。

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我最近在准备一个关于能耗优化与过程控制结合的研究课题，原本以为需要翻阅大量分散的能源管理系统（EMS）资料，但令人惊喜的是，这本书竟然将**DCS与能源优化模块的集成逻辑**作为重要章节进行了阐述。书中详细描述了如何通过设定优化的目标函数（例如最小化蒸汽消耗或最大化热效率），并将这些优化指令通过APC（先进过程控制）层无缝传递到底层的控制回路中。它清晰地描绘了**数据采集层、监控层、优化层和执行层之间的数据流向与反馈机制**。这种自上而下的系统集成思维，极大地拓宽了我对传统DCS职能边界的认知。此外，关于历史数据库（Historian）的高效存储与检索策略，特别是针对海量高频数据的压缩算法探讨，也为我设计实验数据存储方案提供了坚实的理论基础。这本书的结构布局兼顾了不同层次读者的需求，既有宏观的架构描述，也有微观的算法实现细节。

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我发现这本书的魅力在于它的**历史观和未来展望**。它并非只关注当前主流的技术栈，而是用一种历史的眼光审视了从早期的集中式控制到分布式控制，再到如今的基于云/边缘计算的混合架构的演进脉络。特别是对**功能安全标准（如IEC 61508/61511）在DCS系统设计中的强制性要求和设计原则**的讲解，做得极其透彻。书中通过一系列失败案例的复盘，强调了安全仪表系统（SIS）与基本过程控制系统（BPCS）的物理和逻辑隔离的重要性，以及如何通过定期的安全完整性等级（SIL）验证来持续保持系统的安全状态。这种对“不惜一切代价保证安全”的理念的贯彻，让读者深刻体会到控制系统设计中伦理和责任的重要性。它让人明白，DCS不仅仅是提高效率的工具，更是保障人身和环境安全的最后一道防线。

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如果要用一个词来概括我的感受，那就是“全面而深刻”。与其他侧重于某个特定品牌或软件的教材不同，这本书的视角是**平台中立的**，它着眼于DCS的通用设计哲学和核心数学模型。例如，在阐述**故障诊断与隔离（FDI）技术**时，它介绍了几种基于观测器模型和残差分析的方法，并评估了它们在处理传感器漂移、执行器卡涩等常见故障时的优劣。这种不偏不倚地介绍多种技术路线的做法，使得读者能够真正掌握“选择工具的智慧”，而不是被单一厂商的解决方案所局限。读完后，我感觉自己对整个控制系统的生命周期管理——从需求定义、系统设计、编程实现，到最终的调试和后期维护——都有了一个系统、连贯的认知框架。这本书对于提升工程师的系统级思维能力，具有不可替代的作用。

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这本《集散控制系统原理及其应用》简直是工程实践的宝典！我最近在负责一个大型自动化生产线的升级项目，原有的控制架构已经显得力不从心，急需引入更现代化、更灵活的DCS解决方案。翻开这本书，最让我眼前一亮的是它对**经典PID控制算法在DCS环境下的优化与实现**的深入剖析。作者没有停留在教科书式的理论推导，而是花了大量的篇幅讲解了如何针对高动态响应、强耦合的工业过程，选择合适的采样时间、死区补偿策略以及前馈控制的引入点。特别是关于**多变量控制（MPC）在解耦策略中的应用**那一章，结合了具体的流程模拟案例，让我对如何用有限的控制器资源管理复杂的工厂级调度有了豁然开朗的认识。书中对冗余架构的构建也极为详尽，从硬件选型到软件逻辑的切换策略，都提供了清晰的蓝图，这对于保障系统24/7稳定运行至关重要。这本书的理论深度和工程实用性做到了极佳的平衡，绝对是现场工程师案头必备的工具书。

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作为一名从事系统集成多年的技术人员，我接触过市面上形形色色的自动化产品手册和白皮书，大多浮于表面，缺乏对底层逻辑的深度挖掘。然而，这本《集散控制系统原理及其应用》的价值在于其对**网络通信协议栈在工业控制网络中的特定优化**的探讨。它详细对比了不同现场总线（如Profibus DP/PA, Foundation Fieldbus, 乃至早期的HART）在实时性、数据完整性和系统带宽占用上的差异，并着重分析了**基于以太网的工业控制协议（如EtherNet/IP或Profinet IRT）在时间同步和确定性传输方面如何克服传统挑战**。我特别欣赏它在讲解系统安全（Cybersecurity）时的前瞻性视角，书中提出的基于深度包检测（DPI）的入侵检测模型，远比标准的安全白皮书更具实操指导意义。它不仅仅是在描述“是什么”，更在深入探讨“为什么是这样设计”以及“如何设计得更好”，对于理解现代控制系统的脉络非常有帮助。

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