分布式控制系统(DCS)设计与应用实例

第1章　DCS基本原理和发展历程

1.1什么是DCS

1.2控制系统概述

1.2.1控制系统的基本组成

1.2.2测量方法和测量装置

1.2.3控制方法和运算处理装置

1.2.4控制的执行方法和执行装置

1.2.5控制系统各要素的关系

1.2.6控制系统的人机界面

1.2.7直接控制与监督控制

1.2.8本书的要点

1.3DCS的发展历史

1.3.1控制系统的发展历史

1.3.2仪表控制系统的基本概念

1.3.3早期的仪表控制系统——基地式仪表

本书以DCS的应用设计为目标，从基础控制系统实现方法入手，辅以丰富的实际应用案例，详细地介绍了DCS的构造、原理和当前的最新技术，产品、技术规范、指标、标准和验收测试方法，以及在各种典型行业（电力、石化、水泥、造纸、制药、水处理、管网）的应用。力求使读者能够以本书为参考，解决在DCS的应用设计及运行管理过程中的各种实际问题。由于本书各个章节相对独立，因此读者既可以按照顺序逐章阅读，也可以根据需要单独阅读有关章节。

此书将最大限度地为DCS的设计选型、应用、验收等人员提供实际指导与帮助。

《分布式控制系统(DCS)设计与应用实例(第2版)》以DCS的应用设计为目标，从基础控制系统实现方法入手，辅以丰富的实际应用案例，详细地介绍了DCS的构造、原理和当前的最新技术，产品、技术规范、指标、标准和验收测试方法，以及在各种典型行业（电力、石化、水泥、造纸、制药、水处理、管网）的应用。力求使读者能够以《分布式控制系统(DCS)设计与应用实例(第2版)》为参考，解决在DCS的应用设计及运行管理过程中的各种实际问题。由于《分布式控制系统(DCS)设计与应用实例(第2版)》各个章节相对独立，因此读者既可以按照顺序逐章阅读，也可以根据需要单独阅读有关章节。

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第1章 DCS基本原理和发展历程

1.1 什么是DCS

1.2 控制系统概述

1.2.1 控制系统的基本组成

1.2.2 测量方法和测量装置

1.2.3 控制方法和运算处理装置

1.2.4 控制的执行方法和执行装置

1.2.5 控制系统各要素的关系

1.2.6 控制系统的人机界面

1.2.7 直接控制与监督控制

1.2.8 本书的要点

1.3 DCS的发展历史

1.3.1 控制系统的发展历史

1.3.2 仪表控制系统的基本概念

1.3.3 早期的仪表控制系统——基地式仪表

1.3.4 近代仪表控制系统——单元式组合仪表

1.3.5 数字式单回路调节器SLC

1.3.6 计算机控制系统

1.3.7 控制系统从模拟技术向数字技术的演进

1.3.8 分布式控制系统的产生及其特点

1.3.9 DCS的发展历程

1.4 DCS的体系结构

1.4.1 DCS的基本构成

1.4.2 DCS的软件

1.4.3 DCS的网络结构

1.4.4 DCS的物理结构及硬件构成

1.5 几种计算机控制系统的比较

1.5.1 以PLC构成的控制系统/监督控制系统

1.5.2 SCADA系统

1.5.3 Soft PLC及PC Based监督/控制系统

1.5.4 现场总线控制系统FCS

1.6 几种典型的DCS简介

1.6.1 Honeywell公司的TDC3000系统

1.6.2 ABB公司的IndustrialIT系统

1.6.3 和利时公司的HOLLiAS系统

1.7 DCS的应用开发设计、调试与检验

1.7.1 DCS的应用开发设计

1.7.2 对DCS性能指标的简要介绍

第2章 最新DCS的体系结构和技术特点

2.1 促进第四代DCS形成的原因

2.1.1 用户需求的拉动

2.1.2 相关技术的成熟发展

2.2 第四代DCS的体系结构

2.2.1 现场仪表层

2.2.2 装置控制层

2.2.3 工厂监控与管理层

2.2.4 企业经营管理层

2.3 第四代DCS的主要功能和技术特征

2.3.1 第四代DCS的典型代表

2.3.2 第四代DCS的信息化

2.3.3 第四代DCS的集成化

2.3.4 DCS变成真正的混合控制系统

2.3.5 DCS包含FCS功能并进一步分散化

2.3.6 DCS 平台开放性与应用服务专业化

2.3.7 DCS的功能安全和信息安全

2.4 国内DCS的发展状况举例

2.4.1 HOLLiAS系统的产品家族及结构

2.4.2 HOLLiAS的MES功能

2.4.3 HOLLiAS 控制功能HOLLiASMACS

2.4.4 HOLLiAS控制层硬件

2.4.5 HOLLiAS控制层软件

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

2.4.7 HOLLiAS LK可编程控制器（PLC）

2.4.8 HOLLiASVSI逻辑联锁控制系统

2.4.9 HOLLiASPADS工厂电站综合自动化系统

2.4.10 HOLLiAS专业化的解决方案

2.5 结论

第3章 从控制工程看DCS——功能与性能的要求

3.1 DCS的控制功能及应用任务分类

3.1.1 工业控制系统的结构

3.1.2 控制任务分类及快速性需求

3.1.3 闭环控制系统的构成

3.1.4 控制策略与运算的平台装置

3.2 运算放大器和调节运算方法

3.2.1 运算放大器和虚拟地原理

3.2.2 模拟调节的运算原理

3.2.3 控制策略与放大器组件系统

3.2.4 模拟系统与数字系统的比较

3.3 数字系统的控制周期与可控性

3.3.1 线性系统的可控性

3.3.2 控制周期（T0）是不可控环节

3.3.3 实例1——汽轮机调速系统和它的控制周期

3.3.4 实例2——锅炉气包水位控制系统的控制周期

3.3.5 结果及认识

3.4 数字控制器的确定性问题

3.4.1 常用递推控制算法

3.4.2 控制器的确定性和它的意义

3.5 控制工程作业自动化

3.6 控制工程对于DCS系统的技术需求

3.6.1 系统的可靠性与可维修性需求

3.6.2 控制系统的快速性需求

3.6.3 数字控制器的确定性需求

3.6.4 工程作业自动化

第4章 DCS硬件系统——原理、指标、试验和应用

4.1 DCS硬件组成概述

4.2 主控制器(MCU)

4.2.1 主控制器的基本原理

4.2.2 MCU的冗余配置

4.2.3 MCU的技术指标及试验方法

4.2.4 MCU应用设计

4.3 模拟量输入设备(AI)

4.3.1 AI设备的基本原理

4.3.2 AI设备的技术指标及试验方法

4.3.3 AI设备应用设计

4.4 模拟量输出设备(AO)

4.4.1 AO设备的基本原理

4.4.2 AO设备的技术指标及试验方法

4.4.3 AO设备应用设计

4.5 开关量输入设备(DI)

4.5.1 DI设备的基本原理

4.5.2 DI设备的技术指标及试验方法

4.6 SOE输入设备(SOE)

4.6.1 SOE设备的基本原理

4.6.2 SOE设备的技术指标及试验方法

4.6.3 SOE设备应用设计

4.7 开关量输出设备(DO)

4.7.1 DO设备的基本原理

4.7.2 DO设备的技术指标及试验方法

4.7.3 DO设备应用设计

4.8 脉冲量输入设备(PI)

4.8.1 PI设备的基本原理

4.8.2 PI设备的技术指标

4.9 电源转换设备

4.9.1 电源设备简介

4.9.2 电源冗余

4.9.3 电源指标及测试

4.10 组态维护与人机接口设备

4.10.1 显示设备

4.10.2 输入设备

4.10.3 操作员站和工程师站主机

4.10.4 系统服务器

4.10.5 打印机

第5章 DCS软件系统

5.1 DCS软件系统概述

5.2 DCS的直接控制软件

5.2.1 直接控制软件的功能概述

5.2.2 信号采集与数据预处理

5.2.3 DCS的基本控制功能

5.2.4 DCS控制器上的实时数据组织和管理

5.2.5 DCS控制器的任务结构及控制处理

5.2.6 DCS控制软件的一些评价要素

5.3 DCS的监督控制软件及人机界面软件

5.3.1 概述

5.3.2 DCS监督控制层的功能

5.3.3 DCS监督控制层的软件体系结构

5.3.4 实时数据库系统

5.3.5 历史数据库系统

5.3.6 与监视控制功能相关的主要数据结构

5.3.7 人机界面软件

5.4 IEC 61131—3控制编程语言与软件模型及DCS的组态软件

5.4.1 IEC 61131—3简介

5.4.2 编程基础与编程过程

5.4.3 IEC 61131—3标准的基本内容

5.4.4 IEC 61131—3的软件模型

5.4.5 五种编程语言介绍

5.4.6 应用举例

5.4.7 IEC 61131—3标准在DCS中的实际运用

5.4.8 DCS的监督控制层组态软件

5.5 DCS的高级优化控制与管理软件

5.5.1 概述

5.5.2 实时数据库的高层信息接口

5.5.3 资产管理AMS

5.5.4 批处理Batch

5.5.5 质量分析系统

5.5.6 APC

5.5.7 OTSOperator Training Simulator

第6章 DCS的网络系统

6.1 DCS的网络体系

6.1.1 DCS的功能层次和网络层次

6.1.2 DCS网络层次结构的选择

6.1.3 对DCS各层网络的要求

6.2 工业数据数字通信

6.2.1 数字通信的编码方式

6.2.2 数字通信工作方式

6.2.3 差错控制

6.2.4 通信传输介质

6.2.5 数字通信链路的电气特性

6.2.6 数字通信协议

6.2.7 数字通信系统的性能指标

6.3 控制网络

6.3.1 计算机网络层次模型

6.3.2 通信协议

6.3.3 TCP/IP

6.3.4 网络拓扑

6.3.5 网络设备

6.3.6 网络的RAMS

6.3.7 工业以太网

6.3.8 通信骨干网

6.3.9 无线通信网络

6.3.10 网络安全

6.4 现场总线

6.4.1 现场总线的产生和发展

6.4.2 现场总线的特点和优点

6.4.3 现场总线技术介绍

6.4.4 无线传感器网络

6.4.5 现场总线的选择和使用

第7章 DCS系统可靠性与安全性技术

7.1 系统可靠性概述

7.1.1 可靠性技术发展概述

7.1.2 可靠性基本概念和术语

7.1.3 可靠性设计的内容

7.2 系统安全性概述

7.2.1 安全性分类

7.2.2 安全性与可靠性的关系

7.2.3 功能安全

7.2.4 电气安全及安规认证

7.2.5 信息安全

7.3 可靠性和安全性分析方法

7.3.1 可靠性预测

7.3.2 可靠性框图

7.3.3 马尔可夫分析

7.3.4 故障模式与影响分析

7.3.5 故障树分析

7.3.6 HAZOP分析

7.4 可靠性和安全性设计技术

7.4.1 冗余技术

7.4.2 容错技术与故障安全

7.4.3 维修性分析

7.5 环境适应性设计技术

7.5.1 温度

7.5.2 湿度

7.5.3 气压

7.5.4 振动和冲击

7.5.5 防尘和防水

7.5.6 防腐蚀

7.5.7 防爆

7.5.8 电磁兼容性和抗干扰

7.5.9 接地

7.5.10 隔离

7.5.11 屏蔽

7.5.12 双绞线

7.5.13 防雷击

7.6 软件可靠性设计与质量保证

7.6.1 软件可靠性研究概述

7.6.2 软件可靠性的概念

7.6.3 提高软件可靠性的方法和技术

7.6.4 软件可靠性评测

7.6.5 软件质量保证

第8章 DCS的应用设计与实施

8.1 DCS应用设计与实施的一般过程

8.2 自动化系统的总体设计

8.2.1 可行性研究设计

8.2.2 初步设计中需要考虑的问题

8.2.3 施工图设计中需要考虑的问题

8.3 DCS 的选型与工程化设计

8.3.1 DCS选型及工程化设计

8.3.2 DCS的招标、选型及订货

8.3.3 应用工程设计的准备工作

8.3.4 应用工程设计联络会

8.3.5 应用工程设计与文件生成

8.3.6 主控制室的设计及人因工程设计

8.4 系统的生产、组态及调试

8.4.1 系统硬件物资齐套与装配

8.4.2 用户培训

8.4.3 应用工程软件的组态与调试

8.4.4 系统联调

8.4.5 系统硬件测试与考核

8.4.6 整理项目出厂文档和资料

8.5 出厂测试与验收

8.5.1 项目概要说明

8.5.2 测试依据

8.5.3 提交文件资料清单

8.5.4 测试环境

8.5.5 系统软、硬件配置检查

8.5.6 检验方法及判定

8.5.7 系统连续运行考核

8.5.8 测试结论及测试组签字

8.5.9 系统发运到现场

8.6 系统现场实施

8.6.1 系统位置选择、机房布置和环境要求

8.6.2 DCS系统接地

8.6.3 现场设备开箱验收

8.6.4 系统现场设备就位、安装与加电

8.6.5 系统信号电缆敷设与端子接线

8.6.6 DCS系统现场调试

8.6.7 系统竣工验收

8.6.8 用户操作人员的培训

8.6.9 整理竣工技术资料

8.7 系统运行与维护

8.7.1 系统常见故障及排除

8.7.2 供电与接地系统常见故障

8.7.3 防止干扰和设备损坏的一般方法

8.7.4 工程现场维护常见问题

8.8 小结

第9章 应用案例

9.1 DCS在超（超）临界火电机组中的应用

9.1.1 超（超）临界机组的特点

9.1.2 超（超）临界机组的模拟量控制系统（MCS）

9.1.3 旁路控制系统（BPS）

9.1.4 炉膛安全监测系统（FSSS）

9.1.5 机组级自启/停控制系统（APS）

9.1.6 电气监控系统（ECS）

9.1.7 锅炉烟气脱硫（FGD）

9.1.8 百万超超临界机组DCS分站

9.1.9 汽轮机停机故障分析

9.2 MACS在80万吨/年催化裂化联合装置应用

9.2.1 工艺简介

9.2.2 催化联合装置生产线的特点和控制范围

9.2.3 某催化裂化联合装置的系统结构和配置

9.2.4 过程控制方案

9.2.5 控制方案实现

9.2.6 结束语

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

9.3.1 甲醇及二甲醚工艺简介

9.3.2 甲醇装置DCS系统结构设计

9.3.3 甲醇装置DCS系统工程控制实施

9.3.4 总结

9.4 智能母管协调控制系统及应用

9.4.1 母管制机组现状

9.4.2 母管协调控制目标

9.4.3 MACS智能母管协调控制实现方式

9.4.4 MACS智能母管协调控制系统新技术介绍

9.4.5 MACS智能母管协调控制系统应用案例

9.4.6 母管协调控制经济效益与社会效益

9.4.7 结束语

9.5 HOLLiAS MACSTM系统在120万吨重碱装置中的应用

9.5.1 系统概述

9.5.2 系统初步设计

9.5.3 工程设计

9.5.4 结论

9.6 HOLLiAS MACSTM系统在8 000吨/年聚异氰酸酯中的应用

9.6.1 系统概述

9.6.2 系统的可行性论证

9.6.3 系统的初步设计

9.6.4 系统的工程设计

9.6.5 系统的测试与工厂验收设计

9.6.6 系统安装场地设计

9.6.7 系统现场验收设计

9.6.8 结论

9.7 CPR1000 DCS核电站非安全级控制系统

9.7.1 引言

9.7.2 CPR1000 DCS总体概述

9.7.3 非安全级DCS

9.7.4 非安全级DCS工程实施

9.8 秦山二期核电站计算机控制系统

9.8.1 引言

9.8.2 概述

9.8.3 双域结构的使用

9.8.4 硬件配置

9.8.5 通信网络设备及其连接

9.8.6 系统供电、隔离和接地方案

9.8.7 关于分站的设计

9.8.8 实现功能

9.8.9 应急系统功能

9.8.10 Web功能

9.9 MACS系统在新型干法熟料生产线的应用

9.9.1 引言

9.9.2 新型干法熟料生产线的工艺介绍

9.9.3 新型干法熟料生产线的特点和控制范围

9.9.4 塔牌5000吨/天的系统结构和配置

9.9.5 过程控制方案

9.9.6 控制方案实现

9.10 景德镇发电公司475吨/小时循环流化床机组DCS系统

9.10.1 项目主要系统设备和工艺概况

9.10.2 机组对控制系统的要求

9.10.3 DCS系统总体设计原则

9.10.4 控制系统实施方案

9.10.5 工程实施

9.10.6 系统点评

9.11 通信接口在化工行业的典型应用

9.11.1 软件架构

9.11.2 应用案例

9.12 汽包锅炉燃烧控制优化应用

9.12.1 概述

9.12.2 原理及动态特性

9.12.3 汽包锅炉控制共性

9.12.4 应用

9.13 和利时能源管理系统EMS在企业中的应用

9.13.1 概述

9.13.2 应用背景

9.13.3 系统架构

9.13.4 网络架构

9.13.5 主要功能介绍

9.13.6 实施效果

9.14 仿真系统的典型应用

9.14.1 仿真系统发展现状

9.14.2 仿真系统的作用

9.14.3 和利时仿真机特点

9.14.4 和利时仿真系统的架构

9.14.5 产生的效益

9.15 APC优化控制在水泥烧成系统上的典型应用

9.15.1 前言

9.15.2 烧成系统工艺特点

9.15.3 烧成系统控制目标及难点

9.15.4 APC优化控制系统及原理

9.15.5 烧成系统APC优化控制方案

9.15.6 APC优化效果及经济效益

9.15.7 总结

9.16 批量控制技术及典型应用

9.16.1 批量控制技术

9.16.2 典型应用

9.17 HOLLiAS AMS系统介绍及其在石油化工装置中的典型应用

9.17.1 前言

9.17.2 现状问题

9.17.3 HAMS解决方案

9.17.4 典型应用案例

9.17.5 总结与展望

参考文献

参考网址