集散控制系统原理及应用（黄海燕）（第四版）

本书1995年第一版出版，2002年第二版出版，2009年第三版出版，本教材已多次重印，印数达数万，得到广大读者的关注与认可。2009年第三版教材被教育部定为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。
本教材第三版出版以来，虽然集散控制系统基本架构没有很大改变，但根据集散控制系统的分散控制、集中管理的特点，近年来在向下和向上两个方向都有很大发展，为此重新修订教材。近年来随着现场总线控制系统的应用，无线移动通信技术获得飞速发展，先后发布ISA SP100、WirelessHART、WIA-PA及OneWireless等无线网络的标准，其中，WIA-PA是我国开发的具有自主知识产权的用于工业过程自动化的无线网络。随着现场总线控制系统的应用，读者希望有更多的现场总线功能模块的介绍。
随着企业管理功能的增强，移动通信、大数据和云计算、虚拟化技术和工业互联网等技术的发展，对集散控制系统也有不小影响。尤其是2015年我国提出《国家智能制造标准体系建设指南》，一些集散控制系统供应商也相继推出各自的工业互联网平台，将集散控制系统的大量数据作为工业互联网的基本数据，用于大数据分析、云计算、虚拟化技术等应用。德国提出工业4.0后，读者也希望能够了解更多的有关我国和其他国家的有关应对措施。为便于广大读者了解集散控制系统近年的进展，本版的内容除保持前面各版的特点外，对原教材中的内容做了较大修改和增删。主要修改和增删的内容如下。
① 增加现场总线控制系统功能模块、现场总线通信和无线通信等方面的内容。
② 增加集散控制系统与现场总线控制系统结合的新型集散控制系统产品的构成示例。
③ 根据ISA SP95，对PCS、MOM和ERP及企业管理系统等内容进行介绍。
④ 介绍OPC UA及OPC UA TSN的有关架构和体系等内容。OPC UA将是连接第三方应用的重要软件，而TSN是OT和IT融合的时间敏感网络。
⑤ 面向过程的程序设计语言已经向面向对象程序设计语言进展，因此增加面向对象程序设计语言的有关内容，如封装、类和方法、接口、多态和继承等。
⑥ 随着网络应用的开放和扩展，对网络通信系统提出网络安全和信息安全的要求，为此，介绍了网络信息安全等内容，如信息安全等级、网络安全体系架构等。针对仪表安全系统的应用，增加了功能安全等内容。
⑦ 删除不常用的网络协议，增加了实时以太网（提出时间确定性概念、介绍五类常用实时性现场总线网络等）、无线通信、时间敏感网络TSN、工业互联网等内容，同时，对云计算（包括IaaS、PaaS、SaaS）、边缘计算、虚拟化技术、大数据分析、软件定义等热点问题进行介绍。
⑧ 介绍德国RAMI4.0、美国NIST的SMS、日本IVI和我国IMSA的国家智能制造标准体系等，并讨论各自特点。
⑨ 人机交互技术在集散控制系统中得到广泛应用，为此，删除了仪表盘显示的内容，对人机交互系统的WIMP技术、实时数据库、面向对象的数据库等内容进行介绍，并增加了信息管理的有关内容。
 针对工业互联网的发展，介绍了工业互联网体系架构、云计算、工业互联网功能架构、关键技术、虚拟化技术、工业大数据、大数据技术参考架构等，并介绍了五个集散控制系统供应商提供的工业互联网平台应用示例等。
为便于熟悉教材的有关内容，本书提供习题和思考题。根据教师的反馈意见，本版为使用本教材的教师提供约470页的PPT课件，特别是提供了有关图表。PPT课件可在化学工业出版社教学资源网www.cipedu.com.cn上免费下载。
本书共分8章。第1章概述讨论集散控制系统的特点，以及它的过去、现在和发展趋势。第2章讨论集散控制系统的构成，介绍五种典型集散控制系统产品的构成，并分析分散过程控制装置、操作和管理装置和通信系统的基本构成。第3章介绍集散控制系统的性能评估。第4章分析集散控制系统的控制算法和控制组态，并提供了不同控制系统的应用示例。第5章介绍集散控制系统的工程设计，讨论集散控制系统选型和评估问题。第6章介绍集散控制系统的人机界面和集散控制系统的操作。第7章讨论集散控制系统的数据通信，包括数据通信的基本概念、网络标准、网络通信协议、工业互联网等。第8章是集散控制系统在工业控制领域的应用示例。
本教材由黄海燕、余昭旭、何衍庆编著。本教材的编写工作得到华东理工大学信息科学与工程学院、科洋科技股份有限公司等单位的积极支持和帮助，钱锋、周人、王慧锋、侍洪波、孙自强、王华忠、余新华、施赟雅、蒋臻、阮晓辰、黄士玥、孙士超、周漪、王吉英、宋怡菁等给予热情指导和关怀。彭瑜、石明根、武丽英、何尊青、俞金寿、吴勤勤、黄道、顾幸生、张雪申、邱宣振、吴坚刚、王强、沈建平、卢焕青、李进、沈伟愿、戴自祥、顾珏、江琦、严伟达、李燕、陈庆、李成杰、石慧、龙卷海、陈佳等提供了大量资料和关心帮助。此外，何乙平、王朋、陈积玉、洪光明、汤荔娟、范秀兰、陈天成、冯保罗、杭一飞、杨洁、王为国等也提供了不少帮助。本书的出版还得到化学工业出版社的大力支持和帮助，谨在此一并表示衷心感谢和诚挚谢意。在编写过程中，参考了有关专业书籍和产品说明书，在此向有关作者和单位表示衷心感谢。也对使用和阅读本教材的教师、学生和有关技术人员及提供反馈意见的有关人员表示衷心感谢。
由于编著者水平所限，不足之处在所难免，恳请前辈和广大读者不吝指正。

编著者

本书讨论集散控制系统的原理和工程应用问题，介绍了五种典型集散控制系统产品及其在工业生产过程中的实际应用示例，主要涉及集散控制系统的系统构成、控制算法、系统选型和评估、数据通信、人机界面的工程设计、组态、安装和维护等内容。
本书内容已制作成PPT课件，可从化学工业出版社教学资源网免费下载。
本书可作为自动化专业、检测仪表和控制装置专业本科学生教材，对从事集散控制系统选型、工程设计、系统评估和应用操作的人员也很有参考价值。

第1章概述1
1.1集散控制系统基本概念1
1.1.1集散控制系统的发展历史1
1.1.2集散控制系统的基本结构3
1.2集散控制系统特点4
1.2.1集散控制系统定义4
1.2.2集散控制系统特点6
1.3集散控制系统的展望9
1.3.1信息化和扁平化9
1.3.2网络化12
1.3.3现场总线和无线网络17
1.3.4功能安全20
1.3.5虚拟化技术和云计算21
1.3.6标准化24
1.3.7软件定义25
思考题31

第2章集散控制系统构成32
2.1集散控制系统的体系结构32
2.1.1集散控制系统的各层功能32
2.1.2集散控制系统基本构成33
2.1.3集散控制系统的结构特征35
2.1.4现场总线控制系统基本构成36
2.2集散控制系统的构成示例40
2.2.1Experion PKS系统40
2.2.2Foxboro Evo过程自动化系统51
2.2.3Delta V系统57
2.2.4AbilityIT系统64
2.2.5ECS-700系统68
2.3集散控制系统的构成特点73
2.3.1分散过程控制装置构成的特点73
2.3.2操作管理装置构成的特点76
2.3.3通信系统构成的特点77
思考题81

第3章集散控制系统性能评估82
3.1可靠性82
3.1.1可靠性和可靠性指标82
3.1.2可靠性计算83
3.1.3可维修性85
3.1.4提高可靠性的措施87
3.2易操作性89
3.2.1操作透明度89
3.2.2易操作性90
3.2.3容错技术91
3.3可组态性92
3.3.1组态92
3.3.2组态语言96
3.3.3标准编程语言98
3.4集散控制系统的其他性能指标100
3.4.1可扩展性100
3.4.2实时性102
3.4.3环境适应性105
3.4.4开放性107
3.4.5经济性108
3.4.6安全性110
思考题116

第4章集散控制系统的控制算法和控制组态117
4.1集散控制系统的数据处理117
4.1.1数据处理过程117
4.1.2非线性补偿处理120
4.1.3仪表系数的处理121
4.2集散控制系统的控制算法121
4.2.1数字PID控制算法121
4.2.2集散控制系统中的先进控制系统及其实现125
4.2.3集散控制系统中顺序逻辑控制和批量控制的实现140
4.2.4集散控制系统中优化控制的实现152
4.3现场总线控制系统的模块154
4.3.1模块类型和参数154
4.3.2现场总线设备的功能模块157
4.3.3现场总线功能模块组态应用示例170
思考题172

第5章集散控制系统的工程设计174
5.1图形符号和文字符号174
5.1.1功能图描述符号174
5.1.2分散控制、共用显示、逻辑和计算机系统的设计符号176
5.1.3过程显示图形符号和文字符号180
5.1.4设计符号的应用示例180
5.1.5现场总线设备连接图185
5.2集散控制系统的工程设计187
5.2.1工程设计中有关专业之间的相互关系187
5.2.2工程组态189
5.2.3控制室的设计195
5.2.4电源系统设计197
5.2.5接地和防雷系统的设计197
5.2.6电磁兼容性和抗电磁干扰的设计199
5.2.7功能安全设计201
5.3系统升级和迁移204
5.3.1提高集散控制系统的应用水平204
5.3.2集散控制系统的升级209
5.3.3集散控制系统的迁移210
思考题211

第6章集散控制系统的人机界面212
6.1人机界面基本概念212
6.1.1人机交互212
6.1.2人机界面实施方法215
6.1.3集散控制系统中的人机界面218
6.2集散控制系统的操作221
6.2.1显示屏操作方式222
6.2.2集散控制系统的监控229
6.2.3集散控制系统的控制组态236
6.2.4维护和系统画面243
6.2.5画面动画效果245
6.3数据库247
6.3.1数据库基础知识247
6.3.2关系数据库248
6.3.3实时数据库252
6.3.4面向对象的数据库256
6.4信息管理258
6.4.1智能设备管理系统258
6.4.2制造运营管理和企业资源计划262
思考题270

第7章集散控制系统的数据通信271
7.1数据通信基本概念271
7.1.1计算机网络271
7.1.2数据通信271
7.1.3通信媒体共享技术273
7.1.4数据交换技术273
7.1.5差错控制和流量控制273
7.1.6扩频技术274
7.2集散控制系统的网络标准275
7.2.1国际标准化组织ISO制定的国际标准OSI参考模型275
7.2.2MAP制造自动化协议276
7.2.3现场总线标准277
7.2.4OPC UA标准279
7.3集散控制系统中应用的网络协议282
7.3.1EIA RS-232和RS-485标准接口282
7.3.2工业以太网283
7.3.3现场总线通信协议284
7.3.4无线通信协议285
7.3.5实时以太网288
7.4工业互联网技术292
7.4.1工业4.0292
7.4.2工业互联网297
思考题311

第8章集散控制系统应用示例312
8.1EPKS集散控制系统的工业应用312
8.1.1EPKS系统在蜡油加氢装置的应用312
8.1.2先进控制在延迟焦化装置的应用313
8.2Foxboro Evo集散控制系统的工业应用315
8.2.1Foxboro I/A S系统在汽油调合优化控制系统的应用315
8.2.2Foxboro I/A S系统在炼油厂蒸馏装置中的应用316
8.3DeltaV集散控制系统的工业应用317
8.3.1DeltaV系统在丙烯酸及酯装置的应用317
8.3.2DeltaV系统在聚氯乙烯生产中的应用319
8.4Ability集散控制系统的工业应用320
8.4.1Ability集散控制系统在水泥生产中的应用320
8.4.2Ability集散控制系统在离子膜烧碱生产装置中的应用322
8.5ECS-700集散控制系统的工业应用323
8.5.1ECS-700集散控制系统在高透成型纸生产中的应用323
8.5.2ECS-700集散控制系统在空分装置中的应用325

参考文献327