集散控制系统原理及其应用（第2版）.pdf

“十二五”职业教育国家规划教材 经全国职业教育教材审定委员会审定 全国高等职业教育工业生产自动化技术系列规划教材 集散控制系统原理 及其应用（第 2 版）张德泉 主 编 金 强 常慧玲 副主编 王 林 主 审 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书以技术应用型人才知识能力素质培养为目标，介绍了计算机控制系统基本知识、集散型控制系统的基础知识和典型集散型控制系统（TDC-3000/TPS/PKS,CENTUM-CS,JX-300X,Delta V,I/A S,MACS 等）的基本结构、基本功能、操作使用方法、软件组态、系统维护方法和工程应用案例等知识，结合实验实训，介绍集散控制系统的应用技术。教材力求内容的实用性、先进性、通用性和典型性，突出高等职业教育注重实践技能训练和动手能力培养的特色。本书可作为高等职业院校“工业生产自动化技术”及“计算机控制技术”专业的教材，亦可适用于化工、石油化工、炼油、冶金、电力、轻工、建材、食品等行业从事工业自动化仪表的技术工人技能培训和自学，也可作为从事本行业的工程技术人员和大中专院校师生的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 集散控制系统原理及其应用/张德泉主编.2 版.北京：电子工业出版社，2015.1 全国高等职业教育工业生产自动化技术系列规划教材 ISBN 978-7-121-24619-7.集 .张 .集散控制系统高等职业教育教材 .TP273 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 245353 号 策划编辑：王昭松（）责任编辑：王昭松 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：19.25 字数：492.8 千字 版 次：2007 年 8 月第 1 版 2015 年 1 月第 2 版 印 次：2015 年 1 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：38.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。第 2 版前言 集散控制系统是以微处理器为基础，综合运用了计算机技术、图形显示技术、信息处理技术、网络通信技术和自动控制技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种计算机综合控制系统。随着科学技术的发展，集散控制系统正向着计算机集成制造系统（CIMS）、计算机集成过程系统（CIPS）和现场总线控制系统（FCS）方向飞速发展。怎样将这些新知识、新技术、新方法、新规范（标准）融合到教学实践中去，培养出既掌握一定的专业理论知识，又具有较强的专业实践技能的高素质应用型人才，已成为高等职业院校教学工作的新课题和新任务。为了适应教学要求，2007 年作者与相关院校的一线老师，在充分调研和分析的基础上，一起编写了集散控制系统原理及其应用一书。由于本书内容实用，突出了高等职业教育注重实践技能训练和动手能力培养的特色，出版至今，深受读者的喜爱和欢迎。随着教学改革的不断深入，本书对应的“集散控制系统原理及应用”课程于 2008 年荣获省级精品课程，配备了相关课程网站http:/ 年，教育部启动“十二五职业教育规划教材”评审工作，本书有幸成为第一批获得立项并顺利通过审核的教材，这是对编者的肯定，更是一种鞭策，我们需要更加努力地做好这本书，来答谢每一位读者。第 2 版教材更加注重内容的实用性、先进性、通用性和典型性。按照“以必需、够用为度”的原则，精选教学内容，精心设计实验实训内容。在讲述计算机控制系统基本知识的基础上，介绍当今世界应用较为广泛的新型集散控制系统的结构、原理及其在工业领域的应用实例。通过实际案例分析和实验实训操作，使学生学到真正有用的、实用的知识和技能。为了方便教学，在每一章的开头列出了知识目标和技能目标，结尾列出了内容小结，并编写了思考题与习题。全书分为 9 章，理论和实验实训授课总计约 78 学时。授课教师可根据本校情况，对书本中的内容进行选择、补充、删减和处理，拟定授课计划，以满足教学需要。本书由张德泉任主编，金强、常慧玲任副主编。绪论和第 2 章由张德泉编写，第 1 章、第 9 章第 2 节和附录 B 由李红萍编写，第 3 章和第 9 章第 3 节由金强编写，第 4 章由王世文编写，第 5 章、第 9 章第 1 节和附录 A 由常慧玲编写，第 6 章由王银锁编写，第 7 章和第 8章由李征宏编写。全书由张德泉统稿，王林主审。在本书编写过程中得到了中国石油兰州石化公司、兰州石化职业技术学院等单位的领导和朋友们的支持和帮助，并参考了大量的相关书籍和文献资料。编者向这些为本书的编写提供帮助的人们和文献资料的作者致以诚挚的谢意！由于编者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请读者批评指正。编 者 2014 年 10 月 目 录 绪论 （1）第 1 章 计算机控制系统概述（6）1.1 计算机控制系统的组成（6）1.1.1 基本概念（6）1.1.2 系统（7）1.1.3 软件系统（8）1.2 计算机控制系统的应用类型（8）1.2.1 数据采集系统 （8）1.2.2 直接数字控制系统（9）1.2.3 监督计算机控制系统（9）1.2.4 分级控制系统（10）1.2.5 集散控制系统（11）1.2.6 现场总线控制系统（11）1.3 信号处理（12）1.3.1 输入信号处理（12）1.3.2 输出信号处理（17）1.4 PID 控制算法（18）1.4.1 理想 PID 控制算法（18）1.4.2 理想 PID 控制算法的 改进（20）本章小结（21）思考题与习题（22）第 2 章 集散控制系统基础知识（23）2.1 集散控制系统的体系结构（23）2.2 集散控制系统的硬件结构（26）2.2.1 现场控制站（26）2.2.2 操作站（28）2.2.3 冗余技术（29）2.3 集散控制系统的软件体系（30）2.3.1 集散控制系统的系统 软件（30）2.3.2 集散控制系统的组态 软件（30）2.4 集散控制系统的基本功能（31）2.4.1 现场控制站的基本功能（31）2.4.2 操作站的基本功能（35）2.4.3 自诊断功能 （36）2.5 数据通信技术（37）2.5.1 数据通信原理（37）2.5.2 通信网络（40）2.5.3 通信协议（45）2.5.4 现场总线简介（48）本章小结（52）思考题与习题（52）第 3 章 TDC-3000 和 TPS/PKS 集散 控制系统（54）3.1 TDC-3000 系统概述（54）3.1.1 TDC-3000 系统构成（54）3.1.2 TDC-3000 系统特点（57）3.2 TPS 系统概述（58）3.2.1 TPS 系统构成（58）3.2.2 TPS 系统特点（61）3.3 PKS 系统简介（62）3.3.1 PKS 系统构成（63）3.3.2 PKS 最新技术和基本系统 组件（65）3.4 TPS 系统的分散过程控制装置（66）3.4.1 过程管理站 （67）3.4.2 先进过程管理站（74）3.4.3 高性能过程管理站（76）3.4.4 逻辑管理站 （79）3.4.5 故障安全控制器（81）3.5 TPS 系统的集中操作管理装置（82）3.5.1 全局用户操作站（82）3.5.2 应用模件（95）3.5.3 先进应用模件（95）3.5.4 应用处理平台（96）3.5.5 历史模件（96）3.5.6 重建归档模件（97）3.6 应用组态（97）3.6.1 常用操作命令（97）3.6.2 网络组态文件组态（99）3.6.3 NIM 组态（101）3.6.4 控制功能组态（103）3.7 TPS 系统在工业生产装置上的 应用（106）3.7.1 工艺简介（106）3.7.2 系统配置（107）3.7.3 主要控制方案（108）本章小结（111）思考题与习题（114）第 4 章 CENTUM-CS 集散控制系统（115）4.1 系统概述（115）4.1.1 系统构成（116）4.1.2 系统特点（117）4.2 现场控制站（118）4.2.1 硬件构成（119）4.2.2 卡件功能（121）4.3 操作监视站（124）4.3.1 硬件构成（124）4.3.2 基本功能（125）4.4 通用操作（125）4.5 画面的监视和操作（130）4.6 工程师站（131）4.6.1 工程师站功能（131）4.6.2 CS 3000 系统软件安装（132）4.6.3 系统项目生成（133）4.6.4 组态操作（134）4.6.5 系统测试（138）4.7 CENTUM-CS 在工业生产装置 上的应用（138）4.7.1 工艺简介（138）4.7.2 系统配置（139）4.7.3 主要控制方案（139）本章小结（141）思考题与习题（141）第 5 章 JX-300X 集散控制系统（142）5.1 JX-300X 系统基础知识（142）5.1.1 总体概述（142）5.1.2 通信网络（144）5.1.3 系统主要特点（147）5.2 系统组态（149）5.2.1 基本概念（149）5.2.2 组态软件（150）5.2.3 组态软件 SCKey（151）5.2.4 流程图绘制（157）5.3 系统实时监控 （159）5.3.1 概述（159）5.3.2 屏幕认识（161）5.3.3 实时监控操作画面（161）5.4 系统调试与维护（162）5.4.1 系统调试（162）5.4.2 系统维护（163）5.5 JX-300XP 系统在工业生产装置 上的应用（165）5.5.1 工艺简介（165）5.5.2 系统配置（166）5.5.3 主要控制方案 （167）本章小结（169）思考题与习题（169）第 6 章 其他集散控制系统简介（170）6.1 I/A S 系统（170）6.1.1 通信系统（170）6.1.2 I/A S 系统硬件（172）6.1.3 I/A S 系统软件（175）6.2 MACS 系统（176）6.2.1 MACS 系统的组成 （177）6.2.2 现场控制站（FCS）（178）6.2.3 操作员站（OPS）（180）6.2.4 MACS 系统软件 （182）本章小结（185）思考题与习题（186）第 7 章 现场总线控制系统（187）7.1 现场总线概述 （187）7.1.1 现场总线的基本概念（187）7.1.2 现场总线技术发展概况（189）7.1.3 几种典型的现场总线（191）7.2 现场总线控制系统构成原理 （195）7.2.1 现场总线控制系统的 硬件（196）7.2.2 现场总线控制系统的 软件（198）7.3 Dleta V 现场总线控制系统简介（200）7.3.1 系统概述（200）7.3.2 Delta V 系统的构成（201）7.3.3 Delta V 系统在工业生产 过程控制中的应用（203）本章小结（206）思考题与习题（206）第 8 章 紧急停车系统（207）8.1 紧急停车系统的基本概念（207）8.1.1 紧急停车系统的类型和 特点（207）8.1.2 安全等级及标准（210）8.1.3 安全系统的常用指标（212）8.1.4 安全系统应用的场合（214）8.2 冗余控制器（214）8.2.1 冗余控制器的构成（214）8.2.2 冗余控制器的工作原理（216）8.2.3 冗余控制器的特点（216）8.3 ESD 在工业生产装置上的应用（217）8.3.1 工艺简介（217）8.3.2 系统配置（217）8.3.3 主要控制方案及其组态（222）本章小结（225）思考题与习题（225）第 9 章 集散控制系统实践训练（226）9.1 JX-300