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第1章 DCS基本原理和发展历程1

1.1 什么是DCS1

1.2 控制系统概述1

1.2.1 控制系统的基本组成2

1.2.2 测量方法和测量装置3

1.2.3 控制方法和运算处理装置4

1.2.4 控制的执行方法和执行装置6

1.2.5 控制系统各要素的关系6

1.2.6 控制系统的人机界面7

1.2.7 直接控制与监督控制8

1.2.8 本书的要点8

1.3 DCS的发展历史9

1.3.1 控制系统的发展历史9

1.3.2 仪表控制系统的基本概念10

1.3.3 早期的仪表控制系统——基地式仪表12

1.3.4 近代仪表控制系统——单元式组合仪表12

1.3.5 数字式单回路调节器SLC14

1.3.6 计算机控制系统14

1.3.7 控制系统从模拟技术向数字技术的演进15

1.3.8 分布式控制系统的产生及其特点17

1.3.9 DCS的发展历程19

1.4 DCS的体系结构22

1.4.1 DCS的基本构成22

1.4.2 DCS的软件27

1.4.3 DCS的网络结构31

1.4.4 DCS的物理结构及硬件构成33

1.5 几种计算机控制系统的比较36

1.5.1 以PLC构成的控制系统／监督控制系统36

1.5.2 SCADA系统38

1.5.3 PC Based监督／控制系统39

1.5.4 现场总线控制系统FCS39

1.6 几种典型的DCS简介40

1.6.1 Honeywell公司的TDC-3000系统40

1.6.2 ABB公司的IndustrialIT系统41

1.6.3 和利时公司的HOLLiAS系统42

1.7 DCS的应用开发设计、调试与检验43

1.7.1 DCS的应用开发设计43

1.7.2 对DCS性能指标的简要介绍44

第2章 最新DCS的体系结构和技术特点47

2.1 促进第四代DCS形成的原因47

2.1.1 用户需求的拉动47

2.1.2 相关技术的成熟发展47

2.2 第四代DCS的体系结构48

2.2.1 现场仪表层48

2.2.2 装置控制层49

2.2.3 工厂监控与管理层50

2.2.4 企业经营管理层51

2.3 第四代DCS的主要功能和技术特征51

2.3.1 第四代DCS的典型代表51

2.3.2 第四代DCS的信息化59

2.3.3 第四代DCS的集成化64

2.3.4 DCS变成真正的混合控制系统65

2.3.5 DCS包含FCS功能并进一步分散化65

2.3.6 DCS平台开放性与应用服务专业化67

2.4 国内DCS的发展状况举例67

2.4.1 HOLLiAS系统的产品家族及结构68

2.4.2 HOLLiAS的MES功能70

2.4.3 HOLLiAS控制功能HOLLiAS-MACS75

2.4.4 H0LLiAS控制层硬件77

2.4.5 HOLLiAS控制层软件79

2.4.6 HOLLiAS LEC逻辑和嵌入式控制器（Logic＆Embedded Controller）86

2.4.7 HOLLiAS LK可编程控制器（PLC）87

2.4.8 HOLLiAS-VSI逻辑联锁控制系统87

2.4.9 HOLLiAS-PADS工厂电站综合自动化系统89

2.4.10 HOLLiAS专业化的解决方案90

2.5 结论91

第3章 从控制工程看DCS——功能与性能的要求92

3.1 DCS的控制功能及应用任务分类92

3.1.1 工业控制系统的结构92

3.1.2 控制任务分类及快速性需求93

3.1.3 闭环控制系统的构成96

3.1.4 控制策略与运算的平台装置96

3.2 运算放大器和调节运算方法97

3.2.1 运算放大器和虚拟地原理97

3.2.2 模拟调节的运算原理98

3.2.3 控制策略与放大器组件系统102

3.2.4 模拟系统与数字系统的比较104

3.3 数字系统的控制周期与可控性105

3.3.1 线性系统的可控性105

3.3.2 控制周期（T0）是不可控环节106

3.3.3 实例1——汽轮机调速系统和它的控制周期107

3.3.4 实例2——锅炉气包水位控制系统的控制周期109

3.3.5 结果及认识110

3.4 数字控制器的确定性问题111

3.4.1 常用递推控制算法111

3.4.2 控制器的确定性和它的意义115

3.5 控制工程作业自动化116

3.6 控制工程对于DCS系统的技术需求118

3.6.1 系统的可靠性与可维修性需求118

3.6.2 控制系统的快速性需求120

3.6.3 数字控制器的确定性需求120

3.6.4 工程作业自动化120

第4章 DCS硬件系统——原理、指标、试验和应用122

4.1 DCS硬件组成概述122

4.2 主控制器（MCU）123

4.2.1 主控制器的基本原理123

4.2.2 MCU的冗余配置125

4.2.3 MCU的技术指标及试验方法125

4.2.4 MCU应用设计127

4.3 模拟量输入设备（AI）128

4.3.1 AI设备的基本原理128

4.3.2 AI设备的技术指标及试验方法133

4.3.3 AI设备应用设计145

4.4 模拟量输出设备（AO）145

4.4.1 AO设备的基本原理145

4.4.2 AO设备的技术指标及试验方法146

4.4.3 AO设备应用设计146

4.5 开关量输入设备（DI）147

4.5.1 DI设备的基本原理147

4.5.2 DI设备的技术指标及试验方法147

4.6 SOE输入设备（SOE）150

4.6.1 SOE设备的基本原理150

4.6.2 SOE设备的技术指标及试验方法151

4.6.3 SOE设备应用设计151

4.7 开关量输出设备（DO）151

4.7.1 DO设备的基本原理151

4.7.2 DO设备的技术指标及试验方法151

4.7.3 DO设备应用设计153

4.8 脉冲量输入设备（PI）153

4.8.1 PI设备的基本原理153

4.8.2 PI设备的技术指标153

4.9 电源转换设备154

4.9.1 电源设备简介154

4.9.2 电源冗余157

4.9.3 电源指标及测试158

4.10 组态维护与人机接口设备160

4.10.1 显示设备160

4.10.2 输入设备163

4.10.3 操作员站和工程师站主机163

4.10.4 系统服务器163

4.10.5 打印机165

第5章 DCS软件系统166

5.1 DCS软件系统概述166

5.2 DCS的直接控制软件168

5.2.1 直接控制软件的功能概述168

5.2.2 信号采集与数据预处理170

5.2.3 DCS的基本控制功能178

5.2.4 DCS控制器上的实时数据组织和管理180

5.2.5 DCS控制器的任务结构及控制处理181

5.2.6 DCS控制软件的一些评价要素184

5.3 DCS的监督控制软件及人机界面软件187

5.3.1 概述187

5.3.2 DCS监督控制层的功能187

5.3.3 DCS监督控制层的软件体系结构208

5.3.4 实时数据库系统222

5.3.5 历史数据库系统227

5.3.6 与监视控制功能相关的主要数据结构229

5.3.7 人机界面软件230

5.4 IEC 61131—3控制编程语言与软件模型及DCS的组态软件232

5.4.1 IEC 61131—3简介233

5.4.2 编程基础与编程过程235

5.4.3 IEC 61131—3标准的基本内容238

5.4.4 IEC 61131—3的软件模型246

5.4.5 五种编程语言介绍249

5.4.6 应用举例264

5.4.7 IEC 61131—3标准在DCS中的实际运用276

5.4.8 DCS的监督控制层组态软件277

5.5 DCS的高级优化控制与管理软件278

5.5.1 概述278

5.5.2 实时数据库的高层信息接口279

5.5.3 资产管理AMS281

5.5.4 批处理Batch286

5.5.5 质量分析系统292

5.5.6 APC297

5.5.7 OTS-OperatorTraining Simulator305

第6章 DCS的网络系统308

6.1 DCS的网络体系308

6.1.1 DCS的功能层次和网络层次308

6.1.2 DCS网络层次结构的选择308

6.1.3 对DCS各层网络的要求310

6.2 工业数据数字通信312

6.2.1 数字通信的编码方式313

6.2.2 数字通信工作方式317

6.2.3 差错控制318

6.2.4 通信传输介质323

6.2.5 数字通信链路的电气特性328

6.2.6 数字通信协议331

6.2.7 数字通信系统的性能指标331

6.3 控制网络332

6.3.1 计算机网络层次模型333

6.3.2 通信协议338

6.3.3 TCP/IP340

6.3.4 网络拓扑341

6.3.5 网络设备343

6.3.6 网络的RAMS349

6.3.7 工业以太网349

6.3.8 通信骨干网351

6.3.9 无线通信网络354

6.3.10 网络安全356

6.4 现场总线361

6.4.1 现场总线的产生和发展361

6.4.2 现场总线的特点和优点363

6.4.3 现场总线技术介绍365

6.4.4 无线传感器网络373

6.4.5 现场总线的选择和使用374

第7章 DCS系统可靠性与安全性技术381

7.1 系统可靠性概述381

7.1.1 可靠性技术发展概述381

7.1.2 可靠性基本概念和术语382

7.1.3 可靠性设计的内容388

7.2 系统安全性概述389

7.2.1 安全性分类389

7.2.2 安全性与可靠性的关系390

7.2.3 功能安全390

7.2.4 电气安全及安规认证393

7.2.5 信息安全395

7.3 可靠性和安全性分析方法399

7.3.1 可靠性预测399

7.3.2 可靠性框图401

7.3.3 马尔可夫分析401

7.3.4 故障模式与影响分析402

7.3.5 故障树分析405

7.3.6 HAZOP分析407

7.4 可靠性和安全性设计技术408

7.4.1 冗余技术408

7.4.2 容错技术与故障安全412

7.4.3 维修性分析414

7.5 环境适应性设计技术414

7.5.1 温度414

7.5.2 湿度415

7.5.3 气压416

7.5.4 振动和冲击416

7.5.5 防尘和防水416

7.5.6 防腐蚀417

7.5.7 防爆418

7.5.8 电磁兼容性和抗干扰419

7.5.9 接地425

7.5.10 隔离433

7.5.11 屏蔽436

7.5.12 双绞线436

7.5.13 防雷击437

7.6 软件可靠性设计与质量保证443

7.6.1 软件可靠性研究概述443

7.6.2 软件可靠性的概念444

7.6.3 提高软件可靠性的方法和技术447

7.6.4 软件可靠性评测453

7.6.5 软件质量保证454

第8章 DCS的应用设计与实施456

8.1 DCS应用设计与实施的一般过程457

8.2 自动化系统的总体设计457

8.2.1 可行性研究设计458

8.2.2 初步设计中需要考虑的问题458

8.2.3 施工图设计中需要考虑的问题460

8.3 DCS的选型与工程化设计465

8.3.1 DCS选型及工程化设计466

8.3.2 DCS的招标、选型及订货466

8.3.3 应用工程设计的准备工作467

8.3.4 应用工程设计联络会471

8.3.5 应用工程设计与文件生成472

8.3.6 主控制室的设计及人因工程设计477

8.4 系统的生产、组态及调试490

8.4.1 系统硬件物资齐套与装配490

8.4.2 用户培训491

8.4.3 应用工程软件的组态与调试492

8.4.4 系统联调505

8.4.5 系统硬件测试与考核506

8.4.6 整理项目出厂文档和资料507

8.5 出厂测试与验收508

8.5.1 项目概要说明508

8.5.2 测试依据508

8.5.3 提交文件资料清单509

8.5.4 测试环境509

8.5.5 系统软、硬件配置检查509

8.5.6 检验方法及判定510

8.5.7 系统连续运行考核518

8.5.8 测试结论及测试组签字519

8.5.9 系统发运到现场519

8.6 系统现场实施520

8.6.1 系统位置选择、机房布置和环境要求520

8.6.2 DCS系统接地522

8.6.3 现场设备开箱验收523

8.6.4 系统现场设备就位、安装与加电524

8.6.5 系统信号电缆敷设与端子接线526

8.6.6 DCS系统现场调试528

8.6.7 系统竣工验收532

8.6.8 用户操作人员的培训533

8.6.9 整理竣工技术资料533

8.7 系统运行与维护534

8.7.1 系统常见故障及排除534

8.7.2 供电与接地系统常见故障535

8.7.3 防止干扰和设备损坏的一般方法535

8.7.4 工程现场维护常见问题536

8.8 小结537

第9章 应用案例538

9.1 DCS在超（超）临界火电机组中的应用538

9.1.1 超（超）临界机组的特点538

9.1.2 超（超）临界机组的模拟量控制系统（MCS）539

9.1.3 旁路控制系统（BPS）545

9.1.4 炉膛安全监测系统（FSSS）547

9.1.5 机组级自启／停控制系统（APS）554

9.1.6 电气监控系统（ECS）556

9.1.7 锅炉烟气脱硫（FGD）560

9.1.8 百万超超临界机组DCS分站566

9.2 MACS在80万吨／年催化裂化联合装置应用567

9.2.1 工艺简介567

9.2.2 催化联合装置生产线的特点和控制范围569

9.2.3 某催化裂化联合装置的系统结构和配置570

9.2.4 过程控制方案572

9.2.5 控制方案实现575

9.2.6 结束语581

9.3 DCS在30万吨／年甲醇15万吨／年二甲醚生产装置的设计及应用582

9.3.1 甲醇及二甲醚工艺简介582

9.3.2 甲醇装置DCS系统结构设计584

9.3.3 甲醇装置DCS系统工程控制实施592

9.3.4 总结605

9.4 智能母管协调控制系统及应用606

9.4.1 母管制机组现状606

9.4.2 母管协调控制目标607

9.4.3 MACS智能母管协调控制实现方式607

9.4.4 MACS智能母管协调控制系统新技术介绍608

9.4.5 MACS智能母管协调控制系统应用案例610

9.4.6 母管协调控制经济效益与社会效益614

9.4.7 结束语615

9.5 HOLLiAS MACSTM系统在120万吨重碱装置中的应用615

9.5.1 系统概述615

9.5.2 系统初步设计615

9.5.3 工程设计617

9.5.4 结论623

9.6 HOLLiAS MACSTM系统在8000吨／年聚异氰酸酯中的应用623

9.6.1 系统概述623

9.6.2 系统的可行性论证624

9.6.3 系统的初步设计625

9.6.4 系统的工程设计627

9.6.5 系统的测试与工厂验收设计631

9.6.6 系统安装场地设计632

9.6.7 系统现场验收设计633

9.6.8 结论633

9.7 秦山二期核电站计算机控制系统633

9.7.1 引言633

9.7.2 概述633

9.7.3 双域结构的使用634

9.7.4 硬件配置636

9.7.5 通信网络设备及其连接639

9.7.6 系统供电、隔离和接地方案641

9.7.7 关于分站的设计645

9.7.8 实现功能646

9.7.9 应急系统功能659

9.7.10 Web功能659

9.8 MACS系统在新型干法熟料生产线的应用660

9.8.1 引言660

9.8.2 新型干法熟料生产线的工艺介绍660

9.8.3 新型干法熟料生产线的特点和控制范围661

9.8.4 塔牌5000吨／天的系统结构和配置663

9.8.5 过程控制方案665

9.8.6 控制方案实现669

9.9 景德镇发电公司475吨／小时循环流化床机组DCS系统673

9.9.1 项目主要系统设备和工艺概况673

9.9.2 机组对控制系统的要求675

9.9.3 DCS系统总体设计原则676

9.9.4 控制系统实施方案677

9.9.5 工程实施693

9.9.6 系统点评695

参考文献696

参考网址697