Instrument Engineers' Handbook, Vol. 2 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:CRC Press

作者:Liptak, Bela G. 编

出品人:

页数:2464

译者:

出版时间:2005-9-29

价格:USD 249.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780849310812

丛书系列:

图书标签:

仪表工程
过程控制
工业自动化
传感器
测量技术
控制系统
仪器仪表
化工仪表
自动化仪表
过程仪表

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具体描述

The latest update to Bela Liptak's acclaimed "bible" of instrument engineering is now available. Retaining the format that made the previous editions bestsellers in their own right, the fourth edition of "Process Control and Optimization" continues the tradition of providing quick and easy access to highly practical information. The authors are practicing engineers, not theoretical people from academia, and their from-the-trenches advice has been repeatedly tested in real-life applications. Expanded coverage includes descriptions of overseas manufacturer's products and concepts, model-based optimization in control theory, new major inventions and innovations in control valves, and a full chapter devoted to safety. With more than 2000 graphs, figures, and tables, this all-inclusive encyclopedic volume replaces an entire library with one authoritative reference. The fourth edition brings the content of the previous editions completely up to date, incorporates the developments of the last decade, and broadens the horizons of the work from an American to a global perspective.

过程控制与自动化系统集成：面向实践的工程指南导言：现代工业的核心驱动力在当今高度集成化和自动化的制造环境中，对过程控制系统的设计、实施、优化与维护的需求日益迫切。本书旨在为过程工程师、控制系统设计师以及现场技术人员提供一份详尽、侧重于实践操作与系统集成的参考手册。它超越了基础的理论阐述，深入到如何将先进的控制策略、可靠的仪表选型与复杂的自动化架构无缝结合，以确保工业流程的效率、安全性和合规性。本卷聚焦于控制系统的“软”构件——即算法、架构、通信协议以及集成方法论——这些是确保物理设备（如阀门、传感器和执行器）能够以最优方式协同工作的关键要素。我们认识到，仅仅拥有优秀的硬件是不够的，工程的真正价值体现在如何将这些组件整合入一个响应迅速、可扩展且易于管理的自动化生态系统中。第一部分：高级控制策略与模型化本部分深入探讨了超出传统PID控制范畴的高级过程控制（APC）技术，这些技术是实现流程优化和应对复杂耦合系统的基石。 1. 过程建模与系统辨识：详细阐述了如何从实际操作数据中提取有效的数学模型（如一阶加滞后模型、高阶模型、多输入多输出（MIMO）模型）。重点关注系统辨识的实验设计（如脉冲响应测试、频率响应分析），以及如何处理噪声、非线性和操作窗口限制对模型准确性的影响。内容包括如何使用最小二乘法、系统矩阵分解等方法进行参数估计，并讨论了模型验证和在线再辨识的必要性。 2. 模型预测控制（MPC）： MPC作为当前工业界应用最广泛的APC技术之一，将获得详尽的介绍。我们不仅解释了MPC的基本原理——滚动时域优化（Receding Horizon Optimization）——还详细剖析了约束处理（硬约束与软约束）、目标函数（代价函数）的构建、以及在线二次规划（QP）求解器的选择与实施策略。具体案例分析将涵盖：如何为反应器、精馏塔或热交换网络构建准确的约束集，并展示如何通过调整权重矩阵（Q与R矩阵）来平衡性能与控制器的鲁棒性。 3. 优化与状态估计：探讨了如何将经济性指标（如原料消耗、能耗最小化）融入控制器的优化目标中。内容包括卡尔曼滤波（Kalman Filtering）及其扩展形式（EKF、UKF）在状态估计中的应用，特别是在传感器信息不完全或存在随机干扰的情况下的数据融合技术。讨论了如何利用估计的状态变量（例如反应物的实时浓度或催化剂的活性）来指导更精细的控制动作。第二部分：分布式控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（PLC）的集成实践现代控制架构是分层级的，本书重点关注如何有效地集成和协调DCS与PLC在过程控制层级中的角色。 4. DCS架构与配置深度解析：详细介绍新一代DCS系统的架构特点，包括其冗余设计（处理器、通信、I/O）、系统生命周期管理、以及标准的工程工具集。重点讲解在DCS环境中如何构建复杂控制功能块（Function Blocks）、实现互锁（Interlocks）逻辑，并强调在项目实施中应遵循的命名约定、文档标准和变更管理流程。特别关注人机界面（HMI）的设计原则，确保操作员能够快速理解系统状态并做出正确响应。 5. PLC/PAC在过程控制中的应用：分析PLC/PAC（可编程自动化控制器）如何在需要高速响应或独立操作的子系统中发挥作用。探讨了在过程应用中选择PLC时应考虑的关键因素，如处理速度、内存容量、热插拔能力以及特定的过程安全认证。详细对比了DCS与PLC在处理批处理（Batch Control，基于ISA-88标准）和顺序控制任务时的优势与劣势，并提供了两者间高效数据交换的集成方法。 6. 现场总线技术与I/O策略：系统性地回顾了主要的现场总线协议（如HART、Foundation Fieldbus、Profibus PA/DP）及其在控制回路中的角色定位。本书强调的重点是I/O的冗余与诊断，包括如何实现通道级、模块级乃至整个I/O架的冗余切换，以及如何利用智能仪表提供的诊断信息来预测和预防设备故障，从而实现更高级别的设备管理。第三部分：网络、安全与数据管理控制系统越来越依赖于可靠的网络基础设施和强大的网络安全防护。本部分专门处理这些跨领域的工程挑战。 7. 工业通信网络与协议栈：深入剖析了工业以太网的结构，从标准的TCP/IP到专用的实时以太网（如Profinet IRT, EtherCAT）。重点讲解了如何设计具有确定性（Determinism）的控制网络，包括带宽计算、QoS（服务质量）设置，以及如何构建可靠的环形冗余拓扑结构（如MRP）。此外，详细讨论了OPC UA在数据集成和跨平台通信中的关键作用。 8. 过程控制系统的网络安全（ICS Security）：基于IEC 62443标准框架，系统性地阐述了如何为控制系统构建纵深防御体系。内容涵盖了安全区（Zones）和管道（Conduits）的划分、资产清单的建立、补丁管理策略的制定、以及如何安全地隔离操作技术（OT）网络与信息技术（IT）网络。特别强调了安全审计、入侵检测系统（IDS）在控制网络中的部署考量，以应对针对关键基础设施的威胁。 9. 历史数据库（Historian）与数据分析：详细介绍了过程历史数据库的架构设计，包括数据压缩算法、时间戳精度要求，以及高可用性配置。重点在于如何从历史数据中提取有价值的工程信息，例如设备寿命预测（Remaining Useful Life, RUL）、操作漂移分析，以及如何建立关键绩效指标（KPI）的实时仪表板，从而支持持续的过程改进（CPI）。第四部分：系统生命周期、可靠性与调试控制系统工程的成功取决于其在整个生命周期中的可靠运行和高效维护。 10. 调试、启动与性能验证：提供了一套结构化的调试流程，从单元调试（Unit Testing）、子系统集成测试（FAT/SAT）到最终的联运调试（Commissioning）。强调了在启动阶段应如何系统地执行“回路检查清单”和“功能安全联锁验证矩阵”。内容包括如何使用仿真工具（如硬件在环 HIL 或软件在环 SIL）在物理系统启动前预先验证控制逻辑的正确性。 11. 功能安全与风险评估（SIS）：深入探讨了安全仪表系统（SIS）的设计和实施，严格遵循IEC 61511标准。详细解释了安全完整性等级（SIL）的确定过程，包括危险与可操作性分析（HAZOP）和风险矩阵的应用。重点讲解了安全回路的独立性要求、低故障率部件（LFR）的选择，以及SIS系统定期的“低频测试”和验证计划。 12. 系统维护与文档管理：概述了从“冷备用”到“热备用”的切换程序，以及应对控制系统突发故障的应急响应方案。强调了建立一个动态、版本受控的工程文档库的重要性，确保所有变更（无论大小）都能被准确记录、批准并反映在最新的系统备份中，以保障未来的系统升级和故障排除工作。 --- 总结：本书是一本面向工程实践的综合性手册，它系统地连接了过程理论、高级控制算法、自动化硬件集成以及现代信息安全标准。其目标是使工程师能够设计和部署出不仅“能运行”，而且“能高效、安全、可靠地运行”的下一代工业控制系统。