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第二节 企业信息化 4 一、数据、信息与知识之间的演变 5 二、企业信息化的架构 6 第三节 企业智能化 8 一、第四次工业革命 8 二、企业智能化的基本含义与组成框架 9 思考题 11 参考文献 11 第二章 简单自动控制系统 12 第1节 自动控制系统的概念 12 一、自动控制是人工控制的模仿与发展 12 二、自动控制系统的基本概念及特点 13 三、简单控制系统的工作过程 15 第二节 自动控制系统的过程特性及控制质量指标 17 一、自动控制系统的静态动态和过渡过程 17 二、自动控制系统的控制质量指标 18 三、影响自动控制系统控制质量指标的主要因素 20 第三节 PID控制器特性与选用 21 一、控制器的基本组成 21 二、 控制器的特性 21 三、PID控制器的特性及选用 26 第四节 执行器的特性与选用 28 一、控制阀的构成与选择 28 二、变频执行器的控制原理与选用 36 三、智能控制阀 37 第五节 过程控制系统的工程设计概述 37 一、过程控制系统工程设计的内容 37 二、简单控制系统的方案设计 38 三、过程控制系统工程设计的图例与符号 40 第六节 控制器的变量整定及简单控制系统的投运 43 一、控制器的变量整定 44 二、控制系统的投运 47 思考题 48 参考文献 50 第三章 过程特性及其数学模型的建立 51 第1节 机理分析法建立过程数学模型 51 一、一阶过程的数学模型建立 51 二、二阶过程的数学模型建立 57 三、具有纯滞后特性的过程数学模型建立 59 四、高阶过程的数学模型 61 五、二阶过程和高阶过程数学模型的简化 62 第二节 描述过程特性的参数 63 一、过程负荷及自衡 63 二、过程的放大系数Kp 65 三、过程的时间常数Tp 66 四、过程的滞后时间 67 第三节 传递函数法建立系统的数学模型 68 一、拉氏变换 69 二、用传递函数法建立系统数学模型 71 第四节 用过程辨识法建立过程数学模型 80 一、过程辨识建模的内容和步骤 81 二、辨识过程模型结构和参数的简易方法 83 三、用小二乘法辨识过程的数学模型 86 四、机理与经验的组合建模 90 第五节 大数据建模概述 91 一、工业大数据的特征及应用 91 二、大数据建模的步骤 95 三、工业大数据建模的特点 98 思考题 101 参考文献 102 第四章 过程变量测量方法与信号变送 103 第1节 自动化仪表概述 103 一、自动化仪表的发展与分 103 二、自动化仪表的技术性能指标 107 第二节 常规变量的测量原理与信号变送 111 一、压力的测量 111 二、液位的测量 123 三、流量的测量 133 四、温度的测量 141 五、pH值的测量 159 第三节 轻化工过程特殊变量 167 一、黑液浓度的测量 167 二、纸浆浓度的测量 170 三、纸浆打浆度的测量 174 五、纸浆质量的分析 179 六、纸张水分的测量 181 七、纸张定量的测量 189 八、纸张填料（灰分）的测量 194 九、纸张其它质量指标的测量 195 第四节 软测量技术及其应用 199 一、软测量技术 200 二、软测量工程设计 202 三、软测量技术的应用 203 思考题 207 参考文献 208 第五章 复杂控制与智能控制 209 第1节 复杂控制 209 一、串级控制 209 二、比值控制 218 三、前馈-反馈控制 224 四、分程与选择控制 231 第二节 智能控制系统 242 一、适应性控制 242 二、模糊控制 246 三、神经网络控制 253 四、解耦控制 258 五、预测控制 262 六、专家控制 266 思考题 269 参考文献 269 第六章 集散控制系统（DCS） 270 第1节 过程控制系统(PCS)与集散控制系统(DCS) 270 一、过程控制系统（PCS） 270 二、集散控制系统（DCS） 272 第二节 DCS的基本组成与典型架构 287 一、DCS的基本组成 287 二、DCS的产品结构类型和技术特征 290 三、DCS的体系结构 295 第三节 轻化工常用DCS系统 304 一、西门子公司DCS系统——SIMATIC PCS7 304 二、ABB公司DCS系统——Baily Symphony 308 三、浙大中控公司DCS系统——JX 300XP 313 四、和利时公司DCS系统——MACSV 316 思考题 320 参考文献 321 第七章 制浆过程控制 322 第1节 蒸煮过程控制 322 一、浆料蒸煮的目的和质量评价指标 322 二、浆料蒸煮过程影响因素及控制要点 323 三、间歇式置换蒸煮系统典型流程及控制方案 324 四、横管连续蒸煮系统典型流程及控制方案 335 第二节 废纸制浆过程典型控制 340 一、废纸制浆基本工艺流程和各环节控制要求 340 二、废纸制浆过程典型环节控制方案 343 三、多圆盘白水及纤维回收控制方案 351 第三节 洗涤和筛选过程控制 354 一、浆料洗涤和筛选的目的及质量评价指标 354 二、真空逆流洗涤系统工艺流程及控制方案 355 三、封闭筛选系统工艺流程及控制方案 358 第四节 漂白过程典型控制 366 一、浆料漂白的目的和质量评价指标 366 二、ECF无元素氯漂白系统工艺流程及控制方案 367 三、废纸浆漂白 374 思考题 376 参考文献 377 第八章 造纸过程控制 379 第1节 打浆过程控制 379 一、打浆的目的和质量评价指标 379 二、打浆过程典型控制方案 380 三、打浆度软测量及盘磨进退盘智能控制方案 383 第二节 配浆与流送过程控制 385 一、配浆与流送的目的 385 二、配浆典型过程控制方案 386 三、流送典型过程控制方案 387 第三节 造纸过程与纸机传动控制 390 一、长网造纸机造纸工艺流程及总体控制方案 390 二、长网造纸机湿部控制方案 392 三、长网造纸机干燥部控制方案 398 四、长网造纸机传动控制方案 406 五、生活用纸造纸过程控制方案 412 第四节 纸张质量控制 415 一、纸张主要质量评价指标 416 二、纸张质量控制系统QCS 417 思考题 424 参考文献 425 第九章 发酵过程控制 427 第1节 发酵过程及主要过程参数 427 一、发酵过程工艺流程 427 二、发酵过程主要过程参数 428 第二节 发酵过程单元控制方案 430 一、发酵过程温度控制 430 二、发酵过程pH值控制 432 三、发酵过程溶解氧控制 435 四、发酵过程罐压、搅拌转速和通气流量控制 438 五、发酵过程自动消泡控制 439 第三节 发酵过程优化控制方案 441 一、发酵过程数学模型类型 441 二、发酵过程优化控制策略 443 三、谷氨酸发酵过程优化控制举例 445 思考题 456 参考文献 456 第十章 合成革生产过程控制 458 第1节 合成革的质量评价指标 458 一、合成革的分类 458 二、合成革的质量评价指标 459 第二节 配料过程控制方案 460 第三节 湿法生产过程控制方案 462 一、湿法贝斯的生产工艺流程 463 二、基布浸渍凝固和水洗过程控制方案 464 三、基布干燥过程控制方案 467 第四节 干法生产过程控制方案 475 一、干法制革工艺流程 476 二、干法移膜制革干燥方法及控制方案 477 思考题 480 参考文献 481 第十一章 热电联供控制 482 第1节 热电联产的组成 482 第二节 热力锅炉及其控制方案 484 一、给水自动控制系统 484 二、汽包蒸汽温度自动控制系统 486 三、燃烧过程自动控制系统 487 四、锅炉的DCS系统简介 489 第三节 汽轮发电机组及其控制系统 490 一、汽轮机调节系统简介 490 二、DEH的主要控制系统 491 三、汽轮发电机组的DCS简介 493 第四节 热电联供综合运行优化控制及其应用 494 思考题 500 参考文献 501 第十二章 造纸废水处理过程控制系统 502 第1节 污水处理方法和工艺及水质参数 502 一、常见的污水处理方法 502 二、污水处理过程工艺参数和水质参数 507 三、污水处理过程自动控制的难点 516 第二节 造纸废水处理?程?体控制方案 517 一、制浆造纸废水的来源及特点 517 二、制浆造纸废水处理控制 519 第三节 造纸废水处理典型过程控制方案 523 一、废纸制浆过程废水处理控制 523 二、造纸废水连续深度处理自动监控系统 535 三、造纸污水处理过程故障检测及诊断 538 思考题 550 参考文献 551 第十三章 生产执行系统 552 第1节 全厂综合自动化系统概述 552 一、综合自动化系统的发展现状 552 二、综合自动化系统体系结构 560 三、综合自动化系统的关键技术 564 第二节 生产执行系统（MES）架构 568 一、MES的产生与发展 568 二、MES的框架模型 571 第三节 MES的功能与主要功能模块 574 一、生产调度管理 574 二、流程与设备管理 576 三、物料管理 578 四、质量管理 580 五、能源效率管理 583 六、生产追溯 584 七、生产统计、综合查询与决策 585 思考题 586 参考文献 586 第十四章 生产计划系统 587 第1节 生产计划系统概述 587 第二节 生产计划系统架构 589 第三节 生产计划系统主要功能模块 591 一、主生产计划 591 二、粗能力计划 593 三、物料需求计划 597 四、细能力计划 601 五、车间作业计划 606 六、计划执行与控制 611 七、采购计划 615 八、基础数据及数据接口 618 思考题 620 参考文献 621 十五章 智能制造概述 622 第1节 制造业智能化转型 622 一、制造业从自动化向智能化转型 622 二、制造业智能化转型的标志 624 三、智能制造的范式与内涵 627 第二节 智能制造的基本原理 630 一、智能制造的进化 630 二、新一代智能制造技术的特征 635 第三节 信息物理系统 637 一、信息物理系统的本质 637 二、信息物理系统的层级体系架构 639 三、信息物理系统的四大核心技术要素及其关键技术 642 第四节 工业互联网平台 648 一、工业互联网平台的本质内涵 二、工业互联网平台的基本技术组成和体系架构 三、工业互联网平台的关键技术体系 四、工业互联网平台架构案例 第五节 轻化工企业智能化转型的着力点 一、我国智能制造的发展战略 二、轻化工企业智能化转型路径 三、 轻化工企业智能化转型的技术着力点 四、 轻化工企业智能化转型的实践案例 思考题 参考文献 內容試閱： 在实现我国轻化工业现代化的过程中，必须坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走新型工业化的道路。自动化是工业化和信息化之间的“桥梁”，是工业数字化、信息化和智能化的基础。从上世纪中叶开始，自动化技术广泛应用于制造业， 使生产过程实现了自动化， 显著提高了产品质量和生产效率。进入21世纪，自动化技术广泛应用于制造企业的生产管理和经营管理中， 使企业的制造过程和资源计划管理的效率显著提高， 成为提高企业竞争力的核心技术。 提高轻化工业过程自动化水平，不仅需要自动化工程技术人员的努力，而且需要轻化工工程技术人员的密切配合，协同创新。同时，安装在生产过程中的各种自动化装置和系统，如同生产设备一样，是供过程技术人员使用的工具。从事轻化工工程技术工作者应该学习和掌握生产过程自动化的基本知识，以适应技术集成创新和轻化工业现代化的需要。为此，全国高校轻化工工程专业都开设了过程自动化方面的课程。为了适应教学需要，中国轻工业出版社于2009出版了由刘焕彬教授主编的《制浆造纸过程自动测量与控制(第二版)》，并列入了教育部普通高等教育“十一五”规划教材。 进入21世纪以来，新一代信息技术飞速发展，新一轮工业革命方兴未艾，自动化技术与工业数字化、信息化和智能化技术相互融合，相互促进，涌现出了许多新的理念和技术。由于2009版教材《制浆造纸过程自动测量与控制（第二版）》中不少内容取材于上世纪中后期的技术，已不能反映快速发展的自动化、数字化、信息化和智能化的新技术现状与水平。而且在该教材中，自动化技术的应用对象和案例主要采用和依托于制浆造纸工业，而轻化工其他相关专业又缺乏和急需自动化和信息化的相关教材。为了适应这些新发展和新需要，编者在《制浆造纸过程自动测量与控制(第二版)》教材的基础上，增加了自动化、数字化、信息化和智能化的新技术内容及其在轻化工行业中的应用案例，扩宽了过程自动化技术在合成革制造过程、生化发酵过程等轻化工行业的应用内容，重新编写出版这本新教材，取名《轻化工过程自动化与信息化(第三版)》。 《轻化工过程自动化与信息化(第三版)》的编写目的是使读者通过学习掌握轻化工生产过程中主要变量的基本测量原理，正确地选用和使用有关测量仪表；运用自动控制的基本理论去分析简单控制系统，结合轻化工过程的要求，提出各工序的自动化方案，为自动化系统设计提供有关要求和数据；了解计算机集散控制系统、全厂自动化、全厂信息化以及智能制造等新技术在轻化工生产过程中的应用。 本书注重从应用的角度出发，深入浅出地介绍有关自动测量和自动控制的内容。在介绍过程变量测量时，重点放在各变量的特点、测量原理与方法以及仪表的选用，而仪表的结构只作一般的介绍。在介绍自动控制系统时，重点放在从设计和使用好简单控制系统这一实际问题出发，介绍自动控制系统的组成、基本原理和影响因素。在介绍自动控制系统在轻化工过程中的应用时，通过若干典型案例的分析，使读者能分析一个工段或车间的生产过程要求与自动化系统之间的关系和作用。 本书内容采用模块结构，由四个（四篇）内容模块组成：为过程参数自动测量与控制模块，重点介绍自动控制系统的有关概念，过程变量自动测量和过程简单自动控制系统的组成、原理和设计。第二为生产过程控制系统模块，重点介绍过程主要变量的控制系统以及复杂控制系统与智能控制系统典型方案。第三为全厂综合自动化系统模块，重点介绍计算机控制原理及全厂自动化的组成。第四为企业信息化与智能化技术模块，介绍工厂信息化与智能化的构建及其关键技术内容。由于本书采用模块结构，作为教材使用时各校可根据不同的教学要求和学时安排，采用不同的模块组合去组织教学。 本书分为十五章，其中、二、三、十五章由华南理工大学刘焕彬教授编写（其中汤伟教授参与了第二章部分内容的编写工作），第四、五、六、十二章由华南理工大学沈文浩教授编写，第七、八、九、十章由陕西科技大学汤伟教授编写，第十一、十三、十四章由华南理工大学李继庚研究员编写。全书主编为华南理工大学刘焕彬教授，副主编为华南理工大学沈文浩教授。 由于生产过程自动化、信息化和智能化的科学技术发展迅速，而且它们在轻化工生产过程中的应用日新月异，加上编者学识水平有限，因此本书存有不足之处，敬请读者批评指正。 编者 2021.3 第1章 导论 自动化技术已广泛应用于制造业生产过程。以汽车、船泊、机床等机械装备制造为代表的离散工业制造过程和以石油、冶金、材料、造纸等重要原材料工业为代表的流程工业过程实现了自动化，显著提高了产品质量和生产效率。自动化技术还广泛应用于制造企业的经营管理和生产管理中，提高了企业的资源计划和制造过程管理的效率。从上世纪中叶开始，自动化技术与计算机技术的结合成为第三次工业革命的核心技术和推动力。自动化技术水平是实现工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。生产过程实现生产过程自动化，能提高产量，保证质量，减少原材料和能量的消耗，降低生产成本，改善劳动条件，确保生产安全，节能减排，保护环境，收到良好的经济效益和社会效益。因此，生产过程自动化成为工业现代化的主要趋势。自动化涉及到人类活动的几乎所有领域，实现各类过程的自动化是人类永无止境的梦想和追求目标。 第1节 生产过程自动化发展概况 自动化（Automation）是指机器设备、生产过程、管理过程在没有人或较少人的直接参与下，应用自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制等自动化技术，去实现人的预期要求和目标的总称。自动化技术（Automatic Technology）是指实现自动化的方法和技术，是涉及到机械装置、微电子、计算机、信息处理、各种控制与优化算法等硬件和软件领域的一门综合性技术。实现生产过程自动化的主要技术是生产过程控制技术（简称过程控制技术，Process Control Technology）。组成对生产过程进行测量与控制的自动化技术工具总称为过程自动控制系统（简称过程控制系统，Process Control System，PCS）。 过程自动化技术的基础是自动控制理论，其形成与发展源于社会实践和科学实践，其发展具有二个特点：是生产发展的需要促进了自动控制理论的研究开拓，创新了自动化技术，进而促进了生产的发展，自动化理论、技术与应用三者相互推动、相互促进，三者间表现出清晰的同步性；第二是自动化技术是一门综合性技术，是由被控制过程的相关学科、自动控制学科、信息学科、计算机学科等交叉集成形成的综合技术。如图1-1所示，过程控制系统学科的结构是由控制系统为主体，控制理论为基础，生产过程与工艺和自动化仪表与计算机相关学科为二翼组成的。 图1-1 过程控制系统的学科结构 一、自动控制理论的发展概况 自动控制理论从形成发展至今已经历了八十多年的历程，大体可分为三个发展阶段。阶段是以20世纪40年代兴起的控制原理为标志，以单输入单输出的PID控制系统为特征，称为经典控制理论阶段；第二阶段以20世纪60年代后兴起的状态空间法为标志，以多输入多输出的控制系统为特征，称为现代控制理论阶段；第三阶段则是20世纪80年代兴起的基于知识的专家系统和基于信息论的智能控制为标志，称为智能控制理论阶段。 经典控制理论研究的主要过程多为线性定常系统，主要解决单输入单输出问题，研究方法主要采用以传递函数，频率特性，根轨迹为基础的频域分析法。它的控制思想是对系统（机器或过程）进行“控制”使之稳定运行，采用“反馈”的方式使系统按照人们的要求精确地工作，终使系统按指定目标运行，完成镇定任务。经典控制理论推动了自动化技术的发展与应用，经典控制理论辉煌的成果之一要首推比例积分微分sPID）控制规律。PID控制原理简单、易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效，直到目前为止， 在工业过程控制中大部份?制系统还使用PID控制规律。本书从第二章至第四章，重点介绍经典控制理论和技术的基本概念与应用。 20世纪60年代后，复杂大型化生产过程对控制提出了更高要求，经典控制理论已不能满足要求，从而促使了现代控制理论的发展。在这一时期，发展航天技术的需要以及生产向大型化、连续化方向发展，对非线性、耦合性和时变性的过程，经典控制理论己经不能满足要求，从而促进了控制理论从经典控制理论到现代控制理论的发展。现代控制理论研究的问题从单输入单输出系统推广到了多输入多输出系统，不仅可以研究线性系统，而且可以研究非线性系统。现代控制理论建立的数学模型，实现了从直接根据被控过程的物理特性的方法向建立一般化的变量估计与系统辨识理论的扩展。它以状态空间分析方法为基础，内容包括了以小二乘法为基础的系统辨识，以极大值原理和动态规划为主要方法的控制和以卡尔曼滤波理论为核心的估计等三部分。值得注意的是，现代控制理论在综合和分析系统时，己经从外部现象深入到揭示系统的内在规律性，从局部控制进入到一定意义上的全局，而且在结构上从单环扩展到适应环、学习环。与此同时，电子计算机的发展和普及为现代控制理论的应用开辟了道路，提供了十分重要的技术手段。 经典控制理论与现代控制理论被统称为常规（或称为传统）的控制理论。常规控制理论的共同特点是：各种理论与方法都是建立在过程的数学模型基础上的，或者说，常规控制理论的前提条件是必须能够在常规控制理论指定的框架下，用数学式严格地表述出被控制过程的动态行为。过程的数学模型可以是基于微积分理论，线性代数或矢量分析。因此我们可以把常规控制理论方法概括地称为“基于数学模型的方法”（Mathematical Model Based Techniques）。常规控制理论对能够得到准确数学表述的过程能进行有效的控制，适用于确定过程变量为过程的控制。 随着科学技术的不断进步和工业生产的不断发展，人们发现许多现代军事和工业领域所涉及的被控过程和过程都难于建立精确的数学模型，甚至根本无法建立数学模型，即使对有些过程和过程可以建立数学模型，但由于模型极其复杂，难于实现实时的高性能的有效控制。因此，基于数学模型的常规控制理论面临着强有力的挑战。常规控制理论遇到的困难是不确定性问题，即被控过程模型的不确定性和环境本身的不确定性。 到了20世纪80年代，常规控制理论己难于解决含有大量不确定性和难以建模的复杂系统的控制问题。人们开辟寻找新的控制途径：避开数学模型，直接用机器去模仿工程技术人员的操作经验，去实现对复杂过程的有效控制。因而，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，新一代控制理论--智能控制理论开始形成和发展。 智能控制是在常规控制理论基础上，吸收人工智能，运筹学，计算机科学，模糊数学，生理学等其他科学中的新思想，新方法，对更广阔的过程实现期望控制。其核心是如何设计和开发能够模拟人类智能的设备，使控制系统实现更高的目标。智能控制是常规控制理论的继承和发展。常规控制理论里的“反馈”和“信息”这两个基本概念，在智能控制理论中仍然占有重要地位，并且更加突出了信息处理的重要性。在智能控制系统中并不排斥常规控制理论的应用，恰恰相反，在分级递阶结构的智能控制系统中，面向生产的执行级， 更强调采用常规控制理论进行设计。这是因为在这一级的被控过程通常具有精确的数学模型，成熟的常规控制理论可以对其实现高精度的控制。本书第五章第十四章和第十五章介绍了现代控制和智能控制的概念与应用。 二、过程自动化技术发展概况 自动控制理论的发展，促进了其在各个应用领域自动化技术的发展。自动控制理论在生产过程应用中形成了过程自动化技术。过程自动化技术在工业中的应用大致可以分为四个阶段： 第1阶段，单变量检测阶段（20世纪40年代前）。它以人工现场操作，在设备附近安装过程变量（温度、压力、流量、液位等）的测量仪表为标志，有的还带有简单的报警和控制装置。操作人员通过检测仪表可以了解主要设备的运行情况、以便在必要时采取措施，保证产品质量，维持生产安全。 第二阶段，局部自动化（又称单机自动化）阶段（20世纪40年代到50年代）。它的重要标志是对单台设备（或简单过程）的主要变量进行自动测量和自动控制，以电子显示仪表和气动仪表为代表。 第三阶段，综合自动化阶段（20世纪60年代到70年代）。在这一阶段中，将几台设备或整个车间根据工艺过程连接起来，应用电动或气动单元组合仪表实现多个变量的自动测量和自动控制，20世纪70年代开始出现计算机直接控制系统（Direct Digital Control，DDC），继而出现了集散控制系统（又称为分布式控制系统，Distributed Control System，DCS），实现了生产过程集中控制。操作人员可以在控制室方便地监视和处理生产问题。但是开机、停机、事故处理以及附属设备的操作等还要人工去完成。 第四阶段，全厂综合自动化阶段（20世纪80年代以后）。在这个阶段采用高度集中的中央控制装置，突出的标志是计算机集成过?系统（Computer Integrated Production Systems，CIPS）的应用，这是综合自动化的更高形式。现场检测仪表测量的数据全部送入计算机，由计算机对变量进行自动控制，能自动开机、停机，预报和处理生产的异常状态。20世纪90年代以来，生产过程自动化与电子商务、现场总线技术相结合，出现了工业信息化技术（Industrial Information Technology），实现了企业管理和生产控制全厂自动化和信息化，使整个企业的生产和管理保持在高效率、低消耗、安全可靠的状态之中。 随着科学技术的不断进步和生产过程需求的不断提高，过程自动化技术也在不断发展。当前自动化系统发展的主要特点是：过程优化受到普遍关注，综合自动化系统（CIPS）成为主要发展方向，逐步实现企业信息化和智能化。

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