开关量控制基础及应用_韦根原_9787519853624

本书讲述了开关量控制系统的特点及组成装置，着重说明了电、液、气动能源驱动的开关量执行设备。叙述了开关量控制系统在顺序控制和保护应用时所涉及的两个理论基础。归纳出分析和设计顺序控制的系统化方法。

开关量控制的应用在我们周围和工业生产中无处不在。许多高校特别是理工科院校已经把开关量控制课程列为专业必修课程。但各校的课程教学内容和目标却不尽相同，这种情况是由这门课程的特点决定的。开关量控制首先是一门交叉学科，涉及基础知识、专业内容多，基础理论有逻辑代数、系统可靠性理论，专业基础知识有电气逻辑与机电控制、可编程逻辑控制原理与应用、程序结构及编程。密切相关内容有控制装置与仪表、液压传动及应用背景的工艺原理和设备。其次开关量控制的应用目的性很强，不同生产领域、不同专业对设备要求、控制技术要求都有差异。另外，开关量控制的理论及应用理论基础薄弱，与其应用的指导作用不相适应。
开关量控制中顺序控制和自动保护在应用中存在共性的一面，但也有不同之处。其一是它们的应用目的不同。开关量控制应用是以管理生产过程为目的，进行顺序控制系统的组织；自动保护是以保证生产过程安全为目的，对保护系统的可靠性有较高要求。其二是依据的理论有所不同。虽然开关量控制依据的理论基础是逻辑代数和方程解析，但对保护系统还要依赖于系统可靠性理论。其三是开关量控制在这些领域中应用的指导性、系统化的方法值得探究和总结。
为此本教材做了如下工作：①夯实理论基础，引进新的理论和应用成果。在章中总结了逻辑代数和系统可靠性的知识。在第三章逻辑关系的分析中用数比概念建立方程式并用于电路和逻辑方程的分析，能够较好地把经验分析、设计的方法变为理论分析、设计的方法。②进行了开关量控制应用的系统化方法研究。在顺序控制系统的分析和设计中采用顺序功能表图用GRAFCET规范语言先行描述和分析顺序控制过程，然后再讨论采用的技术和编程方法。这样既提供了一个技术人员和运行人员交流控制要求的平台，讨论结果也是后续采用不同编程方法实现时的指导性文件。③在教学环节引入设计仿真软件Automation Studio作为教学的辅助工具。Automation Studio（AS）是一款集合液压、气动、电气控制、PLC设计、HMI（人机接口）等设计、仿真和控制为一体的优秀软件，应用于本课程教学中能够做到学习、设计及仿真验证到再学习、修改设计、仿真检验的闭环学习过程，为教学形式的改革提供了空间。在、二、三章的应用阅读中列写了AS软件的不同工作室应用的教程。书中的设计例题均在AS软件中设计并仿真验证。AS的不同工作室可以通过变量管理器链接起来，这样设计的控制方案、由流体组件模拟的开关量被控对象、设计的HMI（人机接口）控制面板加上工艺过程的动画模拟可以构成虚拟运行的环境，达到学习成果可视化的程度。
教材的第四、五、六章是以热力发电过程为背景的开关量控制应用部分。在热工顺序控制应用中，选取了锅炉烟风系统功能组、直吹式制粉系统功能组、给水系统功能组的设计实例。实例中均采用GRAFCET规范语言对功能组进行了分层描述。采用不同语言实现的方法可以参考第三章内容。在对机组级自启停控制系统（APS）的说明中，根据APS的运行特点采用GRAFCET中宏结构的形式进行了描述，这有利于对APS开展结构化设计工作。在保护系统的应用中介绍了热力发电机组中锅炉安全保护系统（FSSS）、汽轮机危急遮断系统（ETS）和单元机组的保护等内容。在保护系统可靠性分析中着重从多种的逻辑组合结构中讨论降低保护系统误动率和拒动率的数值差异及平衡度指标，为保护系统的设计和改进提供理论依据。
本书在编写过程中得到相关单位的支持和帮助，在此深表感谢。书中引用了一些专家、学者的著作和论文中的有关内容和实例，在参考文献中都已列出。书中也引用了一些学生的优秀设计实例，在此一并表示谢意。
由于编者水平有限、专业视角不同，而本书涉及知识、专业范围广，编写中难免有疏漏之处，恳请读者批评指正。若索要PPT课件、交流探讨专业内容，可用以下方式联系：weigenyuan@chinacomcn。

编者
2021年2月前言

绪论1
一、开关量控制系统的特征与应用范围1
二、本书讲授的内容和知识体系结构3
延伸阅读工业信号的量化和存储单位4
习题5
章开关量控制系统构成与理论基础6
节开关量控制系统的构成6
第二节逻辑控制原理7
一、基本逻辑原理7
二、时间顺序原理8
三、步序式原理8
第三节开关量变送器8
一、开关量变送器的输出形式8
二、开关量变送器的类型9
三、开关量变送器的技术指标10
四、开关量变送器的工作过程示例12
第四节开关量执行部件13
一、电驱执行机构14
二、液动执行机构20
三、气动执行机构25
第五节逻辑代数的方程与解析28
一、逻辑代数的表达式28
二、逻辑关系的表示方法和逻辑表达式的形式28
三、逻辑代数的基本规则30
四、表达式之间的逻辑关系32
五、条件等式的构建和求解34
六、方程式的解析36
七、一元方程式的相当电路39
八、连续动作方程组的求解40
第六节开关量控制系统可靠性理论基础42
一、可靠性定义42
二、可靠性研究中的概率论知识43
三、可靠性研究中的特征量47
四、系统工程结构图与可靠性框图48
五、系统的可靠性结构与可靠度49
应用阅读优秀的工业控制系统设计仿真控制软件Automation Studio53
习题56
第二章开关量控制装置工作原理与设计语言58
节继电器逻辑控制装置59
一、控制电器分类及符号59
二、继电器逻辑原理线路图绘制的一般原则61
三、继电器逻辑技术的应用62
第二节可编程序控制装置及工作原理72
一、可编程控制器综述72
二、工作过程、I/O接口和配线设计74
第三节可编程序控制器的设计语言80
一、可编程序控制器的系统软件及应用软件80
二、梯形图语言及编程84
三、功能模块图语言及编程98
四、顺序功能图语言及应用99
五、可嵌入SFC中的结构文本语法110
应用阅读Automation Studio中SFC编程方法和宏步126
一、进入SFC工作室126
二、SFC主页菜单栏简介127
三、SFC编程方法和模拟运行130
四、宏步141
五、嵌套143
六、强制执行命令146
习题148
第三章开关量控制系统的分析与设计方法150
节逻辑代数在电路中的表达与分析150
一、表达有触点电路方程中元件的规定150
二、电路分析实例151
第二节顺序控制系统的设计方法和步骤152
一、用梯形图进行顺序控制系统的设计方法153
二、用功能模块图进行顺序控制系统的设计方法164
三、基于PLC的顺序控制系统设计步骤166
第三节设计实例168
应用阅读Automation Studio中人机界面和动画设计172
一、人机界面和控制面板173
二、图元的动画设计173
习题176
第四章火电机组顺序控制系统178
节火电机组顺序控制系统的控制方式178
一、对设备级控制的要求179
二、对功能组控制的要求179
三、对机组级控制的要求180
第二节顺序控制系统设备级控制180
一、设备级控制的功能180
二、实例说明180
第三节顺序控制系统功能组控制181
一、功能组控制功能181
二、功能组的监控画面182
三、锅炉烟风系统功能组的设计说明183
四、直吹式制粉系统功能组的设计说明200
五、给水系统功能组的设计说明210
第四节顺序控制系统机组级控制216
一、机组级控制的作用和DCS构成216
二、APS的宏步结构设计217
三、宏步中的顺序功能图218
习题227
第五章火电机组热工保护系统229
节保护系统的特点与可靠性229
一、保护的作用和热工保护的内容229
二、保护技术和热工保护的特点229
三、保护系统结构与可靠性关系231
第二节锅炉热工保护系统237
一、锅炉热工保护项目237
二、直流锅炉给水流量过低保护及锅炉汽包水位高低保护237
三、锅炉主蒸汽压力、再热蒸汽压力高保护239
四、再热器保护242
五、锅炉炉膛安全保护系统243
第三节汽轮机热工保护系统252
一、汽轮机热工保护的内容252
二、汽轮机本体机械参数监控253
三、汽轮机辅机保护253
四、汽轮机防进水保护254
五、汽轮机紧急跳闸保护255
第四节单元机组的热工保护259
一、单元机组热工保护的作用和方式259
二、辅机故障减负荷控制259
三、机组快速甩负荷控制261
四、MFT和机组大联锁261
第五节单元机组的旁路控制系统264
一、旁路系统的主要功能264
二、旁路系统的安全保护作用265
三、旁路系统的形式265
四、苏尔寿旁路系统266
第六节保护系统故障原因和对策270
一、保护系统设计原则和可靠性指标270
二、保护系统故障原因271
三、减少保护系统故障的对策272
四、故障安全型设计274
五、故障诊断与容错控制275
延伸阅读冗余设计的应用276
习题277
第六章自动报警系统278
节报警信号和自动报警系统278
一、报警信号的类型278
二、自动报警系统的组成和要求278
第二节屏幕报警显示方式281
一、在系统模拟图中的报警显示281
二、在系统参数中的报警显示282
三、专门的报警显示282
习题284
参考文献285

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