控制工程手册（下）

工业控制系统是现代工业的神经中枢、运行中心和安全屏障，是确保重大工程和重大装备安全可靠和高效优化运行的根本保证，是实现各个工程领域节能、降耗、减排的有效手段。控制工程主要研究工程领域工业控制系统的理论、方法、技术及装备，以及工业控制系统的工程实现方法和技术，在工程科学技术领域具有十分重要的地位。
控制工程学科领域涉及现代数学方法，传感器与自动检测、人工智能与模式识别、自动测试与故障诊断、计算机应用与系统集成、自动控制理论与方法、计算机辅助设计与仿真、工业机器人与泛在网络等；应用领域涉及各种工业过程，数控装备、工程机械、轨道交通、工业机器人、企业能源管理，以及智能电网、智能交通、智能楼宇、智能矿山等公用工程；主要技术内容包括工业控制系统建模、控制、优化、调度、管理、故障诊断、远程维护等。
工业自动化技术如今已广泛应用于电力、化工、石化、冶金、建材、环保、机械、电子、建筑、交通、国防等领域，已成为提高劳动生产率、增加产量、提高质量、节约能源、降低能耗、减少排放、确保安全等的主要手段。控制工程主要技术手段包括先进检测技术、系统建模技术、软测量技术、先进控制技术、实时优化技术、故障诊断技术、仪器仪表技术、生产管理技术、优化调度技术、能源管理技术、生产制造执行系统等，这些技术对提升企业创新能力、提高综合经济效益、增强国际竞争力发挥着重要作用。
我国至今还没有一本涉及各个工程领域的控制工程手册。改革开放以来，我国国民经济健康快速发展，工业控制技术取得丰硕成果，工业控制系统在各个工程领域开花结果。为推动工业控制系统在现代工业生产中发挥更大的作用，我们编写了这套《控制工程手册》，它对于促进我国流程工业、装备制造业、国防工业的发展具有重要的指导意义。
我们提供给我国控制工程领域的高等院校、科研机构和工矿企业的广大专家学者、工程技术人员和研发人员的这套手册，不仅是一套具有实用性、指导性的手册，而且还是一套具有先进性、前瞻性的手册。纵览全书，其中涉及的工业控制系统全部在各个工业领域获得成功应用，显示出先进的技术经济指标，取得了重大的经济效益、社会效益和军事效益，具有很强的实用性。本手册的工程系统检测、建模、控制、优化、调度、管理、决策、诊断、运行等技术，系统、全面、先进，这些技术对其他领域的控制系统研究和应用具有重要的指导性。本手册还全面总结了三十多年来我国工业控制领域的新研究成果，概括了近我国工业自动化领域的39项国家技术发明奖和国家科学技术进步奖，彰显了手册的先进性。同时，本手册在所有篇章的后，都指出了技术的发展趋势，预测了可能出现的技术突破，显示了其前瞻性。
本手册总体架构以自动检测仪表与执行器、计算机控制系统等自动化工具为基础，以控制工程方法和控制工程技术为核心，以各种工业生产过程和机器装备的控制系统设计、分析、综合、运行为特色，全书共8篇59章，包括：
第1篇 自动检测仪表，包括测量技术基础，温度、压力、流量、物位测量仪表，在线分析仪表，机械量测量仪表，显示仪表，执行机构和控制阀，后还介绍了防爆安全仪表。
第2篇 计算机控制系统，包括可编程控制器PLC、集散控制系统DCS、安全仪表系统SIS、成套专用控制系统、监控软件、现场总线与工业以太网以及工业物联网。
第3篇 控制工程方法，包括单回路控制器、先进控制、智能控制、伺服控制和间歇控制。
第4篇 控制工程技术，包括信号处理和数据校正技术、系统建模技术、 软测量技术、过程优化技术、性能评估技术、故障诊断技术、安全性技术。
第5篇 工业过程控制，包括典型单元生产过程控制、炼油生产过程控制、石化生产过程控制、氯碱与化肥生产过程控制、 煤化工过程自动控制、火力发电过程控制、新能源发电自动控制、 钢铁生产过程控制、有色冶金生产过程控制、造纸生产自动控制、食品加工过程控制、生物制药过程自动控制、水泥生产过程自动控制、城市供水与污水处理过程自动控制。
第6篇 工业装备控制，包括数控系统、工业机器人、工程机械控制系统、轨道交通列车运行控制系统。
第7篇企业能源管理，包括企业能源管理模式与能源管理系统、企业能源管理主要功能、企业能源管理关键技术、钢铁企业能源管理系统、石化企业能源管理系统、水泥企业能源管理系统、有色企业能源管理系统、电力企业能源管理系统。
第8篇智能工程控制，包括智能电网、智能交通、 智能建筑、智能矿山。
本套手册的编写，从2011年开始启动，集聚了我国控制工程领域80多位深孚众望的专家学者，历经4年时间，召开了5次编委会全体会议，确定了本书的架构及主要内容，总结了控制工程的主要方法和技术，汇集了工程领域100多个控制系统的成功应用案例，并将39个工业控制系统及装备的国家技术发明奖和国家科学技术进步奖的应用案例搜集其中，所以这套《控制工程手册》是我国工业控制技术几十年来的工作总结，是我国控制工程未来的展望，是一套中国工业自动化领域的百科全书。
在本手册的编写过程中，所有编委所在单位以及工程应用单位给予了大力帮助与支持，在此谨表示衷心的感谢。
书中不足之处在所难免，恳请批评指正。

孙优贤
2015年9月

《控制工程手册》分上、下两册，本书是下册，包括4篇内容。第5篇工业过程控制，内容包括典型单元过程控制以及炼油、石化、发电、钢铁、冶金、造纸、轻工、制药等生产过程控制。第6篇工业装备控制，内容包括数控系统、工业机器人、工程机械自动控制、轨道交通控制。第7篇企业能源管理，内容包括企业能源管理技术及其在钢铁、石化、水泥、有色冶金等企业的应用。第8篇智能工程控制，内容包括智能电网、智能交通、智能楼宇、智能矿山。
本手册着力创新，突破了自动控制在流程工业中应用的限制，首次将装备自动化、企业能源管理、公用工程自动化纳入控制工程体系中来。本手册注重发展，既有传统专业知识的介绍，更有在探索和研究中的新技术、新方法。
本书是面向控制领域工程技术人员和高校师生的实用型手册，旨在启迪相关行业从业人员的创新思维。

孙优贤，浙大，院士，以孙优贤院士为带头人的浙江大学工业自动化学科是我国工业自动化领域的国家重点学科，全国首批建立的硕士、博士学位授予点，并设有博士后流动站。学科建有国家重点实验室和国家工程研究中心。复杂工业过程的建模、控制与优化，工厂综合自动化，现场总线和智能化仪表等研究，已进入国际先进水平。研究成果在大型炼油厂、大型石化厂、大型造纸厂、大型钢铁厂、大型制药厂和各类化工厂中得到广泛应用。

第5篇工业过程控制001

第1章典型单元生产过程控制2

1.1流体输送过程控制3

1.2传热过程的控制15

1.3精馏过程控制27

1.4反应过程的控制38

1.5煤气化过程控制48

参考文献55

第2章炼油生产过程控制56

2.1炼油工业概述56

2.2常减压生产过程控制58

2.3催化裂化67

2.4催化重整75

2.5延迟焦化82

2.6油品调合87

参考文献92

第3章石化生产过程控制94

3.1乙烯生产全过程自动控制95

3.2芳烃联合装置自动控制118

3.3精对苯二甲酸生产自动控制138

3.4聚酯过程自动控制156

参考文献163

第4章氯碱与化肥生产过程控制165

4.1大型制碱装置的过程控制165

4.2聚氯乙烯过程控制168

4.3合成氨装置过程控制174

4.4尿素装置过程控制178

参考文献184

第5章煤化工过程自动控制185

5.1煤焦化过程自动控制186

5.2煤气化过程自动控制190

5.3合成气制甲醇生产过程自动控制198

5.4甲醇下游化工过程自动控制206

参考文献211

第6章火力发电过程控制213

6.1火力发电生产过程213

6.2常规控制系统控制器参数优化设计226

6.3发电生产过程建模方法236

6.4单元机组负荷控制系统优化设计240

6.5给水控制系统优化设计253

6.6汽温控制系统优化设计259

6.7燃烧控制系统优化设计264

6.8汽轮机控制系统优化设计267

参考文献280

第7章新能源发电自动控制281

7.1核能发电自动控制281

7.2风力发电自动控制288

7.3太阳能发电自动控制294

7.4生物质能发电自动控制311

7.5水力发电自动控制316

参考文献328

第8章钢铁生产过程控制329

8.1概述329

8.2炼铁生产过程自动化330

8.3炼钢生产过程自动化343

8.4轧钢生产过程自动控制359

参考文献376

第9章有色冶金生产过程控制378

9.1概述378

9.2选矿自动控制380

9.3轻金属冶炼自动控制387

9.4重金属冶炼自动控制394

9.5有色金属加工自动控制402

参考文献408

第10章造纸生产自动控制409

10.1概述409

10.2制浆过程自动控制412

10.3碱回收过程自动控制421

10.4造纸过程自动控制431

参考文献438

第11章食品加工过程控制439

11.1食品加工常用单元控制439

11.2微生物反应过程控制446

11.3分离过程自动化455

11.4蒸发与干燥过程控制464

11.5配方生产过程综合自动化471

参考文献481

第12章生物制药过程自动控制482

12.1生物制药对自动化的需求482

12.2生物制药过程及控制483

12.3典型生物制药过程模型化493

12.4数据驱动的生物制药过程产量预报506

12.5生物制药过程的**控制和调度508

参考文献515

第13章水泥生产过程自动控制516

13.1水泥生产工艺与自动控制系统介绍516

13.2生料制备系统519

13.3熟料煅烧系统545

参考文献580

第14章城市供水与污水处理过程自动控制583

14.1城市供水与污水处理过程工艺概述583

14.2城市供水与污水处理过程的检测585

14.3城市供水过程自动化系统590

14.4城市污水处理过程自动化系统599

参考文献603

第6篇工业装备控制605

第1章数控系统606

1.1概述606

1.2计算机数控（CNC）装置及相关的控制方法617

1.3数控伺服系统642

1.4典型数控系统652

1.5国内外**数控系统技术661

附录Ⅰ数控系统的常用术语668

附录Ⅱ数控系统的技术标准672

参考文献672

第2章工业机器人674

2.1工业机器人发展简述674

2.2工业机器人的结构类型674

2.3工业机器人的传感器、驱动器与控制器677

2.4工业机器人控制基础683

2.5工业机器人相关标准711

2.6工业机器人编程环境及作业工具719

2.7典型工业机器人应用工程案例724

参考文献729

第3章工程机械控制系统730

3.1工程机械概述730

3.2工程机械控制系统753

3.3工程机械的感知部件755

3.4工程机械控制部件776

3.5工程机械执行器件791

3.6工程机械常用控制方法及应用841

3.7工程机械控制类产品相关标准876

3.8大型掘进装备自动控制技术885

参考文献891

第4章轨道交通列车运行控制系统893

4.1绪论893

4.2城市轨道交通列车运行控制系统894

4.3高速铁路列车运行控制系统897

4.4列车运行控制各子系统原理和结构903

4.5列车运行控制系统关键技术930

第7篇企业能源管理973

第1章企业能源管理模式与能源管理系统974

1.1企业能源管理模式974

1.2企业能源管理系统定位 976

1.3企业能源管理系统技术的发展展望980

第2章企业能源管理主要功能981

2.1能源监控子系统981

2.2能源计划调度子系统982

2.3能源分析管理子系统985

2.4钢铁企业能源管理功能举例986

第3章企业能源管理关键技术990

3.1企业能源监控技术990

3.2企业能效评估和分析991

3.3能源动态平衡和优化调度技术997

3.4全流程能量系统全局优化1001

参考文献1017

第4章钢铁企业能源管理系统1019

4.1钢铁生产工艺流程及其能源系统1019

4.2能源管理系统的组成结构1020

4.3能源管理系统功能1024

4.4济钢能源管理系统实例1032

4.5首钢京唐钢铁公司能源优化管理系统1036

4.6煤气热值和压力的智能调控1037

4.7煤气计量的平衡认证系统1046

4.8余热余能回收利用智能控制1053

4.9钢铁企业智能电力系统1056

参考文献1061

第5章石化企业能源管理系统1062

5.1石化企业能源管理系统概述1062

5.2石化企业整厂用能优化策略及应用1064

5.3石化企业能源管理中心典型案例1065

5.4蒸汽动力系统运营优化1068

5.5瓦斯平衡与优化调度1086

5.6基于夹点技术的换热网络优化设计1091

5.7空分装置流程协调与节能优化控制1092

参考文献1097

第6章水泥企业能源管理系统1100

6.1水泥工艺及控制对象1100

6.2水泥企业能源管理系统设计1101

6.3水泥企业能源管理的关键技术1107

6.4水泥企业能源管理的应用及效果1110

参考文献1111

第7章有色企业能源管理系统1112

7.1有色冶金企业能源管理系统概况1112

7.2基于评价指标的蒸发过程节能优化1116

7.3铜冶炼企业能源管理系统1118

参考文献1124

第8章电力企业能源管理系统1125

8.1电厂能源管理体系的建立1125

8.2火电厂能源审计研究1128

8.3火力发电厂生产工艺流程分析1133

8.4节能降耗管理措施1137

8.5某热电厂耗能设备存在的主要问题及节能改造分析1141

参考文献1152

第8篇智能工程控制1153

第1章智能电网1154

1.1智能电网内涵1154

1.2厂网协调控制1156

1.3间歇性可再生能源并网控制1158

1.4基于物联网的输变电设备监测与控制1161

1.5大电网稳定控制1165

1.6智能微网与配电网控制1167

1.7电能质量控制1169

1.8储能装置和电动汽车充电装置控制1173

1.9智能变电站1177

参考文献1179

第2章智能交通1183

2.1智能交通系统综述1183

2.2智能交通系统的基本理论1194

2.3智能交通系统的关键技术1204

2.4智能交通路口信号控制系统1207

2.5智能交通的交通流状态预测1217

2.6智能交通应用与交通仿真1233

2.7智能交通新技术与智能交通系统发展1252

参考文献1267

第3章智能建筑1269

3.1智能建筑相关设计标准1269

3.2智能建筑控制技术1270

3.3智能建筑控制系统案例1287

参考文献1318

第4章智慧矿山1319

4.1概述1319

4.2智慧矿山的构架设计1323

4.3智慧矿山的建设1325

4.4智慧矿山的规划实施1350

参考文献1353

索引1354

《控制工程手册》分上、下两册，本书是下册，包括4篇内容。第5篇工业过程控制，内容包括典型单元过程控制以及炼油、石化、发电、钢铁、冶金、造纸、轻工、制药等生产过程控制。第6篇工业装备控制，内容包括数控系统、工业机器人、工程机械自动控制、轨道交通控制。第7篇企业能源管理，内容包括企业能源管理技术及其在钢铁、石化、水泥、有色冶金等企业的应用。第8篇智能工程控制，内容包括智能电网、智能交通、智能楼宇、智能矿山。
本手册着力创新，突破了自动控制在流程工业中应用的限制，首次将装备自动化、企业能源管理、公用工程自动化纳入控制工程体系中来。本手册注重发展，既有传统专业知识的介绍，更有在探索和研究中的新技术、新方法。
本书是面向控制领域工程技术人员和高校师生的实用型手册，旨在启迪相关行业从业人员的创新思维。

孙优贤，浙大，院士，以孙优贤院士为带头人的浙江大学工业自动化学科是我国工业自动化领域的国家重点学科，全国首批建立的硕士、博士学位授予点，并设有博士后流动站。学科建有国家重点实验室和国家工程研究中心。复杂工业过程的建模、控制与优化，工厂综合自动化，现场总线和智能化仪表等研究，已进入国际先进水平。研究成果在大型炼油厂、大型石化厂、大型造纸厂、大型钢铁厂、大型制药厂和各类化工厂中得到广泛应用。