工业过程控制系统及工程应用

第1章控制系统概论
1.1控制系统的基本组成1
1.1.1控制主机1
1.1.2检测仪表2
1.1.3执行机构2
1.1.4通信设备2
1.1.5操作器件2
1.1.6人机界面2
1.1.7系统软件3
1.2分布式控制系统3
1.2.1分布式控制系统的结构3
1.2.2分布式控制系统的功能层次4
1.3控制系统的常用通信技术6
1.3.1串行通信6
1.3.2USB通信6
1.3.3工业以太网通信7
1.3.4现场总线通信技术8
1.4常用控制计算机10
1.4.1控制计算机的硬件组成11
1.4.2控制计算机的功能特点12
1.4.3控制系统的规模13
1.5国内外主要PLC产品13
1.5.1美国PLC产品14
1.5.2欧洲PLC产品14
1.5.3日本PLC产品15
1.5.4国产PLC产品16
1.6主要DCS产品16
1.6.1国外主要DCS产品16
1.6.2国产DCS产品19
1.7主要现场总线技术20
1.7.1典型现场总线结构20
1.7.2FF现场总线21
1.7.3Profibus现场总线22
1.7.4Profinet现场总线23
1.8控制系统的发展趋势24
1.8.1PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展24
1.8.2DCS面向测控管一体化设计发展24
1.8.3控制系统正在向现场总线(FCS)方向发展25
1.8.4PLC、DCS、FCS将长期共存25
1.9控制系统监控组态软件25
1.9.1组态软件概念25
1.9.2组态软件的功能26
1.9.3国内外主要组态软件27
1.9.4组态软件的发展趋势27
第2章控制系统工程规划
2.1控制系统设计的基本原则与步骤30
2.1.1控制系统设计的基本原则30
2.1.2控制系统的设计要求30
2.1.3控制系统设计的一般步骤31
2.1.4控制主机总体设计34
2.1.5工业防爆危险区的防爆等级35
2.2控制系统的硬件配置36
2.2.1人-机接口(操作站)36
2.2.2中央处理器(CPU)37
2.2.3通信网络及过程接口38
2.2.4编程终端及工程师站38
2.3控制系统软件配置及编程语言39
2.3.1控制系统软件层次39
2.3.2控制层软件41
2.3.3控制计算机编程语言45
2.4下位控制软件的设计规划47
2.4.1下位控制软件的基本规划47
2.4.2将过程划分为任务和区域48
2.4.3单个功能区域的描述48
2.4.4列出仪表I/O和创建I/O图49
2.4.5建立安全要求50
2.4.6描述所要求的操作界面显示和控制51
2.4.7创建组态图52
2.5控制系统的监控画面设计52
2.5.1主要显示内容52
2.5.2概貌显示画面53
2.5.3过程显示画面54
2.5.4仪表面板显示画面55
2.5.5操作点显示画面55
2.5.6趋势显示画面55
2.5.7报警显示画面57
2.5.8电子表格58
2.5.9系统显示画面58
2.6控制系统工程设计59
2.6.1基础设计/初步设计59
2.6.2工程设计/施工图设计59
2.6.3工程设计阶段应完成的工作60
2.6.4应用软件编程阶段应完成的工作60
2.7控制系统询价、报价60
2.7.1询价60
2.7.2报价及比较61
第3章控制系统设计规范
3.1管道及仪表流程图（P&ID）的设计63
3.1.1控制方案的确定63
3.1.2管道及仪表流程图（P&ID）的设计内容64
3.1.3管道及仪表流程图（P&ID）的绘制66
3.2仪表功能标志67
3.2.1功能标志组成67
3.2.2仪表的位号67
3.3文字符号68
3.3.1基本文字符号68
3.3.2典型的仪表回路号和仪表位号示例71
3.3.3仪表常用缩写字母72
3.3.4缩写字母的应用74
3.4图形符号74
3.4.1基本图形符号74
3.4.2图形符号76
3.5测量点与连接线的图形符号81
3.5.1测量点的表示81
3.5.2仪表的各种连接线规定81
3.6自控系统图形符号示例82
3.6.1单一参数控制系统图形符号示例82
3.6.2常规仪表复杂控制系统图形符号示例83
3.6.3复杂控制系统图形符号示例84
3.6.4合成氨装置H2O/C控制系统（超前/滞后系统）图形符号示例84
3.7控制室设计规定86
3.7.1总图位置的选择86
3.7.2布置和面积86
3.7.3操作站87
3.7.4建筑、结构设计要求87
3.7.5采光与照明88
3.7.6采暖、通风和空气调节88
3.7.7进线方式和室内电缆敷设89
3.7.8接地及安全保护89
3.7.9通信89
3.8仪表供电设计规定89
3.8.1仪表供电范围、负荷等级与电源类型89
3.8.2仪表电源质量与容量90
3.8.3供电系统设计与设计条件90
3.8.4供电器材的选择91
3.8.5供电系统的配线91
3.9信号报警、安全联锁系统设计规定91
3.9.1信号报警系统92
3.9.2安全联锁系统93
3.10仪表配线设计规定95
3.10.1电线、电缆的选用95
3.10.2电线、电缆的敷设96
3.10.3仪表盘（箱、柜）内配管、配线98
3.11仪表系统接地设计规定99
3.11.1仪表系统接地原则99
3.11.2接地系统的构建100
3.11.3接地连接方法100
3.11.4接地连接的规格及结构要求104
3.11.5仪表系统接地注意事项104
第4章控制系统仪表设计选型
4.1温度检测仪表的设计选型105
4.1.1仪表设计选型的总原则105
4.1.2就地温度仪表105
4.1.3集中温度仪表106
4.1.4温度变送器106
4.2压力检测仪表的设计选型106
4.2.1压力检测仪表选型总则106
4.2.2根据应用条件选择压力表107
4.2.3主要性能选择107
4.2.4变送器的选择108
4.2.5压力测量仪表的分类和特点108
4.3流量检测仪表的设计选型108
4.3.1流量检测仪表选型总则108
4.3.2一般流体、液体、蒸汽流量测量仪表的选型109
4.3.3腐蚀、导电或带固体微粒流量测量仪表的选型111
4.3.4高黏度流体流量测量仪表的选型112
4.3.5粉粒及块状固体流量测量仪表的选型112
4.3.6流量测量仪表的选型112
4.4物位仪表的设计选型115
4.4.1物位仪表选型总则115
4.4.2液面和界面测量仪表115
4.4.3料面测量仪表117
4.5过程分析仪表选型118
4.5.1过程分析仪表选型总则118
4.5.2分析气相混合物组分的仪表选型118
4.5.3分析液相混合物组分的仪表选型123
4.6控制阀的设计选型126
4.6.1控制阀组成及流量特性的选择126
4.6.2控制阀类型的选择127
4.6.3阀材料的选择128
4.6.4控制阀口径的确定原则129
4.6.5执行机构的选择130
4.6.6控制阀附件的选择132
第5章控制计算机
5.1西门子系列PLC产品介绍134
5.1.1LOGO！134
5.1.2SIMATIC S7-200系列PLC135
5.1.3SIMATIC S7-1200系列PLC136
5.1.4SIMATIC S7-1500 系列PLC138
5.1.5SIMATIC S7-300 PLC139
5.1.6SIMATIC S7-400 PLC141
5.1.7分布式IO—ET200143
5.2S7-300PLC的硬件配置144
5.2.1S7-300PLC的组装144
5.2.2S7-300PLC的组成及结构145
5.2.3S7-300PLC的扩展147
5.3S7-300的CPU148
5.3.1紧凑型S7-300CPU148
5.3.2标准型CPU149
5.3.3故障安全型CPU151
5.4S7-300的数字量输入/输出模块152
5.4.1SM321数字量输入模块153
5.4.2SM322数字量输出模块154
5.5S7-300模拟量模块156
5.5.1SM331的模拟量输入模块156
5.5.2SM332模拟量输出模块156
5.6S7-300的其他常用模块164
5.6.1电源模块164
5.6.2接口模块164
5.6.3常用CP通讯产品165
5.6.4S7-300常用配件166
5.7S7-400 PLC系统167
5.7.1S7-400概述167
5.7.2S7-400 PLC系统169
5.8S7-400的CPU模块171
5.8.1CPU 412模块171
5.8.2CPU 414模块172
5.8.3CPU 416模块174
5.8.4CPU 417模块176
5.9S7-400H冗余系统176
5.9.1S7-400H概述176
5.9.2S7-400H冗余系统结构177
5.9.3S7-400H冗余系统组成177
5.9.4S7-400H冗余方式及组态编程180
5.9.5S7-400H冗余系统的CPU模块181
5.10S7-400的I/O模块182
5.10.1S7-400数字量模块182
5.10.2S7-400的接口模块187
5.11ET 200分布式I/O系统187
5.11.1ET 200概述187
5.11.2ET 200M分布式I/O站188
第6章控制编程软件
6.1控制编程软件概述191
6.1.1STEP 7软件版本191
6.1.2STEP 7的安装191
6.1.3PC与PLC通信方式193
6.1.4程序的下载193
6.1.5程序的上传194
6.1.6S7-300/400PLC仿真196
6.1.7STEP 7的应用步骤197
6.1.8如何获得帮助197
6.2项目创建及硬件组态197
6.2.1项目的产生197
6.2.2硬件组态的基本步骤199
6.2.3组态中央机架199
6.2.4组态分布式I/O站201
6.2.5组态PROFINET IO站201
6.2.6组态SIMATIC PC站203
6.2.7组态冗余系统204
6.2.8模块参数设置205
6.3STEP 7的程序结构及编程208
6.3.1STEP 7程序的组成及调用208
6.3.2数据类型及表示方法211
6.3.3编程语言213
6.3.4程序编辑器213
6.3.5创建块的方法214
6.3.6使用库编程214
6.3.7逻辑块的编程215
6.3.8创建数据块217
6.4STEP 7指令系统218
6.4.1指令及其结构218
6.4.2位逻辑指令219
6.4.3数据比较指令220
6.4.4常用数据类型转换指令221
6.4.5整形数计算函数222
6.4.6浮点数计算函数223
6.4.7移位、循环指令224
6.4.8计数器225
6.4.9定时器226
6.5模拟量输入/输出与PID控制227
6.5.1模拟量输入/输出227
6.5.2连续型PID控制器SFD41230
第7章监控组态软件
7.1组态王软件简介233
7.1.1组态王软件版本233
7.1.2安装组态王软件235
7.1.3组态王支持的I/O 设备235
7.2创建监控工程236
7.2.1工程的开发步骤236
7.2.2创建一个工程236
7.3定义外部设备和数据变量238
7.3.1外部设备定义238
7.3.2I/O变量定义238
7.3.3变量的管理242
7.4创建组态画面243
7.4.1画面设计243
7.4.2动画连接244
7.4.3命令语言247
7.4.4画面的切换248
7.4.5运行系统设置249
7.5报警和事件249
7.5.1建立报警和事件窗口249
7.5.2报警和事件的输出251
7.6趋势曲线252
7.6.1实时趋势曲线252
7.6.2历史趋势曲线252
7.7控件254
7.7.1组态王内置控件254
7.7.2Active X控件255
7.8报表系统256
7.8.1创建报表256
7.8.2报表函数257
7.9组态王历史库259
7.9.1组态王历史库概述259
7.9.2组态王变量的历史记录属性259
7.9.3历史记录存储及文件的格式260
7.9.4历史数据的查询、备份和合并262
7.10组态王与其他应用程序的动态数据交换(DDE)263
7.10.1动态数据交换的概念263
7.10.2组态王访问Excel的数据264
7.10.3Excel访问组态王的数据265
7.10.4组态王与VB间的数据交换266
7.10.5重新建立DDE连接菜单命令267
7.11组态王数据库访问（SQL）267
7.11.1组态王SQL访问管理器268
7.11.2配置SQL数据库269
7.11.3组态王使用SQL数据库269
7.12组态王与OPC设备连接272
7.12.1OPC简介272
7.12.2组态王与OPC的连接272
7.13组态王的网络功能275
7.13.1组态王网络结构概述275
7.13.2网络配置简介276
7.13.3网络变量使用280
7.13.4网络精灵280
7.14冗余系统280
7.14.1双设备冗余280
7.14.2双机热备281
7.14.3双机热备配置282
7.15组态王For Internet应用283
7.15.1Web功能介绍283
7.15.2画面发布285
7.15.3在IE浏览器端浏览发布的画面286
7.16无线数据通信在组态王上的使用288
7.16.1组态王的无线通信过程288
7.16.2组态王用到的文件、功能及通信过程288
7.16.3GPRS 通信的组态289
第8章控制系统调试与维护
8.1控制系统的调试方法290
8.1.1控制系统的调试步骤290
8.1.2调试前的准备工作290
8.2控制计算机的检查与测试294
8.2.1控制计算机的现场验收294
8.2.2控制计算机的安全要求294
8.2.3控制计算机上电测试295
8.2.4控制计算机通信的检验与调试296
8.3控制系统现场调试297
8.3.1离线调试297
8.3.2在线调试301
8.4PID控制参数的工程整定方法302
8.4.1临界比例度法303
8.4.2衰减曲线法303
8.4.3经验凑试法304
8.4.4动态特性参数法306
8.4.5整定方法的比较307
8.5控制系统验收307
8.5.1控制系统验收步骤307
8.5.2控制系统验收的竣工资料308
8.6控制系统运行维护311
8.6.1控制系统常见故障311
8.6.2防止干扰和设备损坏的一般方法312
8.6.3系统现场维护常见问题313
8.6.4控制系统日常管理和维护314
第9章底吹炉熔炼生产过程控制系统
9.1底吹炉熔炼生产过程简介317
9.1.1铜熔炼生产过程流程317
9.1.2底吹炉结构317
9.1.3底吹炉工艺318
9.2主要测控内容及设计要求319
9.2.1原料工段主要测控内容319
9.2.2熔炼炉主要测控内容319
9.2.3循环水系统主要测控内容320
9.2.4阀站主要测控内容320
9.2.5电热前床主要测控内容320
9.2.6 控制系统要求320
9.2.7采用的设计规范及标准321
9.3控制系统的测控点设计321
9.3.1原料工段的P&ID图321
9.3.2底吹炉本体的P&ID图323
9.3.3阀站的P&ID图323
9.3.4循环水系统的P&ID图323
9.3.5电热前床的P&ID图323
9.4现场测控仪表及选型328
9.4.1概述328
9.4.2原料工段测控仪表选型329
9.4.3底吹炉本体测控仪表选型330
9.4.4阀站测控仪表选型331
9.4.5循环水系统测控仪表选型336
9.5底吹熔炼炉控制系统硬件及软件配置338
9.5.1控制系统结构338
9.5.2控制系统I/O配置338
9.5.3分布式PLC硬件配置342
9.5.4控制系统上位站的配置344
9.6监控系统设计开发345
9.6.1模拟工艺流程图345
9.6.2操作面板346
9.6.3报警窗口347
9.6.4历史数据显示348
9.6.5数据报表350
9.6.6PID控制回路参数调试界面351
参考文献