制药过程自动化与仪表

章　绪论 1

节　制药工程的工艺特点 /1

第二节　自动化发展概述 /2

一、 经典控制理论 /2

二、 现代控制理论 /3

三、 大系统理论 /3

四、 智能控制 /3

第三节　仪表发展概述 /4

第四节　自动化与仪表的硬件系统与软件系统 /5

一、 硬件系统 /5

二、 软件系统 /6

第五节　仪表的误差与基本技术性能指标 /7

一、 仪表的测量误差 /7

二、 仪表的技术性能指标 /8

第二章　自动化与仪表基础知识 11

节　自动控制的基本概念 / 11

一、 概念 / 11

二、 简单控制系统构成 / 12

三、 控制系统方框图 / 12

第二节　常见的自动控制系统概述 / 13

一、 定值控制系统 / 13

二、 随动控制系统 / 13

三、 程序控制系统 / 14

第三节　自动控制系统的过渡过程和品质指标 / 14

一、 自动控制系统的静态特性和动态特性 / 14

二、 自动控制系统的过渡过程 / 16

三、 自动控制系统的品质指标 / 16

第四节　被控对象特性的数学描述方法 / 18

一、 被控对象特性分析 / 19

二、 机理建模 / 19

三、 实验建模 / 24

第五节　仪表与自动控制系统的 标准与图例 / 24

一、 测量点 / 25

二、 仪表设备与功能的图形符号 / 25

三、 字母代号 / 26

四、 仪表的位号 / 26

五、 带控制点的工艺流程图 / 27

第六节　仪表的防护、防爆、防腐 / 28

一、 仪表的防护 / 28

二、 仪表的防爆 / 28

三、 仪表的防腐 / 30

第三章　温度检测及仪表 31

节　温度检测概述 / 31

一、 膨胀式温度计 / 32

二、 压力式温度计 / 33

三、 辐射式温度计 / 33

第二节　热电偶 / 34

一、 热电效应及测温原理 / 34

二、 热电偶的分类 / 37

三、 热电偶的结构 / 38

四、 补偿导线的选用 / 39

五、 冷端温度的补偿 / 40

第三节　热电阻 / 43

一、 热电阻的工作原理 / 43

二、 热电阻的分类 / 43

三、 热电阻的结构 / 44

第四节　温度变送器 / 45

一、 电动温度变送器 / 45

二、 一体化温度变送器 / 47

三、 智能式温度变送器 / 47

第五节　测温元件的选用与安装 / 48

一、 测温元件的选用 / 48

二、 测温元件的安装 / 48

第四章　压力检测及仪表 51

节　压力检测概述 / 51

一、 压力的定义及单位 / 51

二、 压力的几种表示方式 / 52

三、 常用的压力测量仪表 / 52

第二节　弹性式压力计 / 54

一、 弹性元件 / 54

二、 弹簧管压力表 / 55

三、 电接点信号压力表 / 56

第三节　应变式压力传感器 / 56

一、 应变效应和压阻效应的原理 / 57

二、 金属应变片与应变式压力传感器 / 58

三、 压阻元件与压阻式压力传感器 / 60

第四节　电容式压力传感器 / 61

一、 电容式压力传感器的工作原理 / 61

二、 电容式差压传感器 / 62

三、 电容式压力传感器的等效电路 / 63

四、 电容式压力传感器的测量电路 / 64

第五节　压电式压力传感器 / 66

一、 压电效应与压电材料 / 66

二、 压电式压力传感器的等效电路 / 66

三、 压电式压力传感器的结构 / 67

四、 压电式压力传感器的测量电路 / 68

第六节　压力仪表的选用与安装 / 69

一、 压力仪表的选用 / 69

二、 压力仪表的安装 / 71

第五章　流量检测及仪表 73

节　流量检测概述 / 73

第二节　差压式流量计 / 74

一、 节流现象与流量基本方程式 / 74

二、 标准节流装置 / 76

三、 差压式流量计的安装使用 / 78

第三节　转子流量计 / 80

一、 工作原理 / 80

二、 电远传式转子流量计 / 81

三、 转子流量计的指示值修正 / 83

第四节　电磁流量计 / 85

第五节　涡街流量计 / 86

第六节　涡轮流量计 / 87

第七节　质量流量计 / 88

第八节　流量测量仪表的选用与安装 / 90

一、 流量计的性能要求 / 90

二、 流体特性 / 90

三、 流量计的安装 / 91

四、 环境条件要求 / 91

五、 经济方面的考虑 / 91

第六章　物位检测及仪表 93

节　物位检测概述 / 93

一、 接触式物位检测仪表 / 93

二、 非接触式物位检测仪表 / 94

第二节　差压变送器测量物位 / 95

一、 工作原理 / 95

二、 差压变送器的迁移 / 96

三、 差压变送器的量程调整 / 98

四、 法兰式差压变送器 / 98

第三节　雷达液位计 / 99

一、 雷达液位计的工作原理 / 99

二、 雷达液位计的应用特点 /100

三、 雷达液位计的选型 /101

第四节　超声物位计 /101

一、 超声物位计概述 /101

二、 超声物位计的工作原理 /102

三、 超声物位计的测量特点 /103

第五节　电容物位计 /104

一、 电容物位计的工作原理 /104

二、 电容物位计的选型与安装 /105

三、 射频导纳技术 /106

第六节　核辐射物位计 /107

第七节　物位检测仪表的选用 /108

第七章　成分检测及仪表 110

节　成分检测概述 /110

第二节　含氧量检测 /110

一、 电化学氧分析仪 /110

二、 氧化锆氧分析仪 /111

三、 磁氧分析仪 /112

四、 荧光法氧分析仪 /114

五、 激光气体分析仪 /116

第三节　pH检测 /117

一、 pH 检测仪的结构和工作原理 /117

二、 pH 测量系统 /118

三、 工业pH 连续测量 /119

第四节　浊度检测 /119

一、 目视比浊法 /119

二、 分光光度法 /120

三、 浊度计测定法 /122

第五节　氢分析仪 /125

第六节　色谱分析仪 /125

一、 概述 /125

二、 气相色谱仪 /126

三、 高效液相色谱仪 /127

第八章　显示仪表 129

节　模拟式显示仪表 /129

一、 电子电位差计 /129

二、 电子自动平衡电桥 /132

三、 电子电位差计与电子自动平衡电桥的比较 /133

第二节　数字式显示仪表 /133

一、 数字式显示仪表的基本组成 /133

二、 数字式显示仪表的分类 /135

三、 数字式显示仪表的主要技术指标 /135

第三节　新型显示仪表 /136

一、 智能显示仪表 /136

二、 虚拟显示仪表 /137

第九章　控制规律与控制器 139

节　控制规律概述 /139

第二节　PID控制规律算法 /139

一、 双位控制 /140

二、 比例控制 /141

三、 积分控制 /145

四、 比例积分控制器 /145

五、 微分控制 /147

六、 比例微分控制器 /147

七、 比例积分微分控制器 /148

第三节　模拟控制器 /148

第四节　数字控制器 /149

一、 数字控制器的组成 /150

二、 数字控制器的基本构成 /150

三、 数字控制器的实例 /152

第十章　执行器 156

节　概述 /156

第二节　执行机构 /156

一、 气动执行机构 /156

二、 电动执行机构 /158

三、 液动执行机构 /159

第三节　调节阀 /160

一、 调节阀的结构 /160

二、 调节阀的类型 /160

第四节　控制阀的流量特性 /164

一、 控制阀的理想流量特性 /164

二、 控制阀的工作流量特性 /166

第五节　控制阀的选择 /168

一、 控制阀的结构及材质选择 /168

二、 控制阀的流量特性选择 /169

三、 控制阀的作用形式的选择 /170

四、 控制阀口径的选择 /170

第六节　阀门定位器 /171

一、 电- 气阀门定位器工作原理 /172

二、 智能阀门定位器 /172

三、 阀门定位器对阀的影响 /173

第七节　智能控制阀 /173

第十一章　简单控制系统 174

节　简单控制系统的组成 /174

第二节　简单控制系统的设计 /175

一、 设计方法概述 /175

二、 被控变量的选择 /176

三、 操纵变量的选择 /178

四、 控制器正、反作用的选择 /180

五、 控制规律的选择 /182

六、 参数整定方法 /183

第十二章　复杂控制系统 187

节　串级控制系统 /187

一、 串级控制的基本概念 /187

二、 串级控制系统的组成 /189

三、 串级控制系统的工作过程 /190

四、 串级控制系统的特点 /191

五、 串级控制系统的设计 /192

六、 串级控制系统的参数整定 /196

第二节　前馈控制系统 /197

一、 前馈控制的基本概念 /197

二、 前馈控制系统的特点 /198

三、 前馈控制系统的类型 /200

四、 前馈控制系统的应用场合 /202

五、 前馈控制系统的设计 /203

第三节　比值控制系统 /203

一、 比值控制的基本概念 /203

二、 比值控制系统的类型 /204

三、 比值控制系统的设计 /208

四、 比值控制系统的实施 /209

第四节　均匀控制系统 /212

一、 均匀控制的基本概念 /212

二、 均匀控制系统的类型 /214

三、 均匀控制系统的参数整定 /215

第五节　分程控制系统 /216

一、 分程控制的基本概念 /216

二、 分程控制系统的应用场合 /217

三、 分程控制系统应用中的几个问题 /220

第十三章　可编程逻辑控制器 222

节　可编程逻辑控制器的主要功能 /222

第二节　可编程逻辑控制器的特点 /223

第三节　可编程逻辑控制器的组成与基本结构 /223

一、 可编程逻辑控制器的硬件系统 /224

二、 可编程逻辑控制器的软件系统 /226

第四节　可编程逻辑控制器的工作原理 /227

第五节　S7-1200组成和基本结构 /228

一、 S7-1200 的硬件 /228

二、 S7-1200 的软件编程 /230

三、 S7-1200 的编程语言 /230

第六节　S7-1200的基本指令 /231

一、 位逻辑指令 /231

二、 定时器指令 /234

三、 数据处理指令 /236

四、 数学运算指令 /238

第七节　基于可编程逻辑控制器的工程实践 /239

一、 陈腐垃圾连续高效智能化裂解工艺技术及装备研究 /239

二、 密炼机控制系统设计与实现 /243

第十四章　集散控制系统 249

节　工业控制的发展历程 /249

第二节　集散控制系统的特点 /249

第三节　集散控制系统的基本组成 /250

一、 基本结构 /250

二、 体系结构 /251

第四节　集散控制系统应用组态 /252

一、 集散控制系统硬件组态 /252

二、 集散控制系统软件组态 /252

第五节　集散控制系统性能评估 /253

一、 可靠性 /253

二、 易操作性 /254

三、 可组态性 /254

四、 可扩展性 /254

五、 其他性能评估 /254

第六节　集散控制系统的通信网络与系统特性 /254

一、 数据通信的基本概念 /255

二、 通信介质 /256

三、 数据通信系统网络结构 /256

四、 通信控制方式 /259

五、 集散控制系统的网络存取控制技术 /259

六、 数据通信协议 /261

第七节　JX-300X集散控制系统 /263

一、 JX-300X 集散控制系统的组成 /263

二、 JX-300X 集散控制系统组态 /265

三、 JX-300X 集散控制系统的设备安装、调试、投运 /268

第八节　集散控制系统的应用举例 /269

第十五章　现场总线控制系统 272

节　现场总线简介 /272

一、 现场总线的现状与发展 /272

二、 几种典型的现场总线 /273

第二节　现场总线的组成 /278

第三节　现场总线的应用举例 /279

一、 技术方案 /280

二、 实施步骤 /280

第十六章　制药企业计算机控制系统 283

节　计算机控制系统简介 /283

一、 基本概念 /283

二、 计算机控制系统的基本结构 /283

三、 控制过程 /284

第二节　数据采集与监控系统 /284

一、 基本概念 /284

二、 数据采集与监控系统的结构 /285

三、 数据采集与监控系统典型架构 /286

第三节　企业资源计划系统 /288

一、 企业资源计划系统的概念 /288

二、 企业资源计划系统的特点 /288

三、 企业资源计划系统的模块 /288

四、 制药公司企业资源计划系统 /290

第四节　制造执行系统 /292

一、 基本概念 /292

二、 特征 /292

三、 制造执行系统应具备的能力 /293

第五节　基于大数据、云计算的计算机控制系统/294

一、 基本概念和技术 /294

二、 基于大数据、云计算的计算机控制系统实例 /297

第十七章　 控制系统简介 302

节　模糊控制 /302

一、 模糊控制的基本原理 /302

二、 模糊控制的几种方法 /304

第二节　专家控制系统 /305

一、 专家控制系统的概念 /305

二、 专家控制系统的类型 /305

三、 专家控制系统的结构 /306

第三节　神经网络 /307

一、 人工神经网络 /307

二、 神经网络在控制中的主要作用 /308

三、 神经网络控制的分类 /308

第十八章　典型制药设备的自动控制 309

节　流体传输设备的控制 /309

一、 离心泵的控制方案 /309

二、 往复泵的控制方案 /311

三、 压缩机的控制方案 /311

四、 离心式压缩机的防喘振控制 /312

第二节　传热设备的自动控制 /314

第三节　锅炉的控制 /316

一、 工作过程 /317

二、 锅炉汽包水位控制系统 /317

三、 锅炉燃烧控制系统 /321

第四节　精馏塔的控制 /322

一、 精馏塔的分类 /322

二、 精馏塔的工艺要求 /323

三、 精馏塔的干扰因素 /323

四、 精馏塔的控制方案 /324

第五节　生化过程控制 /326

一、 发酵罐温度控制 /327

二、 通气流量、罐压和搅拌转速控制 /327

三、 溶氧浓度控制 /327

四、 pH 控制 /328

五、 自动消泡控制 /328

第六节　化学反应器控制 /329

一、 化学反应器的类型 /329

二、 化学反应器的控制要求 /329

三、 化学反应器的自动控制方案 /330

第十九章　制药企业的自动控制综合举例 332

节　PCS7控制系统在阿司匹林生产过程中的应用 /332

一、 阿司匹林工艺概要 /332

二、 PCS7 控制系统 /333

三、 阿司匹林生产过程控制 /340

第二节　异丙醇钾反应自动控制案例 /343

一、 控制系统需求分析 /343

二、 异丙醇钾工艺流程 /344

三、 异丙醇钾工艺自动化整体方案 /346

四、 异丙醇钾生产过程控制 /349

参考文献/353

附录/ 356

附录A　铂铑10-铂型热电偶分度表 /356

附录B　镍铬-镍硅型热电偶分度表/360

附录C　铂热电阻分度表 /364

附录D　铜热电阻分度表 /366