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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Chen, Zhen-Yu (EDT)/ Tian-You, Chai (EDT)/ Zhen-Yu, Chen (EDT)/ Chai, Tian-You (EDT)/ International

出品人:

页数:255

译者:

出版时间:

价格:102

装帧:Pap

isbn号码:9780080430270

丛书系列:

图书标签:

• 自动化
• 低成本
• DIY
• 机器人
• 电子工程
• 1998
• 技术
• 制造
• 项目
• 电路

现代工业自动化技术：面向未来生产力的新范式 图书简介 本书深入探讨了跨越多个关键领域的前沿工业自动化技术，旨在为读者提供一个全面、实用的知识框架，以应对21世纪制造业对效率、灵活性和可持续性的严峻挑战。我们摒弃了过时的、局限于特定硬件的视角，转而聚焦于构建下一代智能制造系统的核心理念、架构与实施策略。 本书的结构围绕“感知-决策-执行”这一自动化系统的基本闭环展开，辅以对新兴技术趋势的深刻洞察。全书共分为七个部分，内容详实，理论与实践并重。 --- 第一部分：自动化系统基础与架构演进 本部分首先确立了现代自动化系统的基石。我们详细分析了从传统的分布式控制系统（DCS）到基于服务的架构（SOA）和微服务化控制器的演进路径。重点讨论了“功能安全”和“信息安全”在现代控制网络中的集成设计方法，这对于确保高度互联环境下的系统韧性至关重要。 标准与协议的深度解析： 深入剖析了工业通信协议的最新发展，包括对EtherCAT、TSN（时间敏感网络）在实现确定性实时通信中的作用进行量化评估。书中提供了详细的协议栈对比分析，帮助工程师选择最适合特定应用场景的通信骨干。 控制层级的重新定义： 探讨了如何通过分层解耦（Decoupling）策略，将传统的PLC（可编程逻辑控制器）逻辑从上层制造执行系统（MES）中分离，实现更高的系统模块化和可重用性。我们特别关注了基于软件的控制器（SoftPLC）和基于云的控制框架的潜力与局限。 人机交互（HMI）的范式转变： 介绍如何运用增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术来革新操作员的培训、远程诊断和日常维护流程，实现“沉浸式操作”体验。 --- 第二部分：先进传感、测量与数据采集 没有准确可靠的数据输入，自动化决策便无从谈起。本部分聚焦于非接触式、高精度传感技术在复杂工业环境中的应用挑战与解决方案。 高维数据采集技术： 详尽阐述了3D激光雷达（LiDAR）、高光谱成像和基于压电效应的超声波传感器在质量检测和过程监控中的应用案例。书中包含大量的工程图例，说明如何进行传感器布局优化以克服环境干扰（如灰尘、温度波动）。 边缘智能传感节点： 探讨了将基础数据预处理和特征提取能力内置于传感器硬件中的“智能传感器”概念。这涉及低功耗嵌入式系统（如FPGA或特定ASIC）的设计，用以在数据源头降低数据传输负担并提高响应速度。 过程变量的实时建模： 介绍如何利用基于第一性原理（First Principles）和数据驱动的混合模型，对传统难以测量的变量（如反应速率、材料内部应力）进行实时估算，从而突破传统传感器技术的物理限制。 --- 第三部分：智能决策与控制算法革新 这是本书的核心部分，重点在于如何利用现代计算能力实现超越传统PID（比例-积分-微分）控制的复杂系统优化。 模型预测控制（MPC）的工业化： 提供了MPC算法在大型、多变量、存在约束条件的化工和流程工业中的详细实施指南。书中包含MATLAB/Simulink示例代码片段，演示如何处理模型的非线性、时滞和不确定性。 强化学习（RL）在动态优化中的应用： 探索了RL代理如何学习复杂的控制策略，尤其是在没有精确数学模型或环境参数随时间变化的系统中。讨论了离线训练与在线微调的策略，以及如何保证学习过程的稳定性和可解释性。 不确定性下的鲁棒控制： 针对传感器漂移、执行器故障或环境扰动，本章详细介绍了$mathcal{H}_{infty}$控制、滑模控制等鲁棒控制理论，并展示了它们在确保关键生产环节连续运行中的实际效能。 --- 第四部分：机器人技术与柔性制造系统 本部分关注物理执行层面的集成与智能化，特别是面向小批量、高混杂生产的需求。 协作机器人（Cobots）的安全性与编程： 深入分析了当前ISO/TS 15066标准中关于人机接触力的严格要求，并提供了基于力/力矩反馈的自主安全边界规划方法。书中对比了基于示教和基于模型编程的效率差异。 高精度运动规划与轨迹优化： 探讨了如何利用多核处理器和实时操作系统（RTOS）来实现亚毫秒级的运动规划，以满足高速装配和精密焊接的要求。重点讲解了基于凸优化（Convex Optimization）的捷径规划算法。 移动机器人与车队管理： 讨论了在复杂的仓库和工厂环境中，自主移动机器人（AMR）如何通过分布式协调算法（如基于市场机制的调度）实现高效的物料搬运，并确保与固定自动化设备的无缝接口。 --- 第五部分：工业物联网（IIoT）与数据驱动运维 IIoT 不仅仅是连接设备，更关乎如何利用连接产生价值。本部分着重于数据流的构建与价值提取。 OPC UA的深度应用： 不仅限于基础通信，还详细介绍了OPC UA的伴随规范（Companion Specifications）在资产模型描述方面的应用，如何构建统一的数字孪生模型。 基于时间序列的异常检测： 阐述了如何构建大规模工业时间序列数据库（Time-Series Database, TSDB），并应用傅里叶分析、卡尔曼滤波和深度学习（如LSTM网络）来识别早期设备退化信号，实现预测性维护（PdM）。 数据治理与跨系统集成： 讨论了在OT（运营技术）和IT（信息技术）融合的背景下，数据清洗、标准化和语义互操作性的挑战，确保来自不同代工厂设备的数据能够被统一的分析平台有效利用。 --- 第六部分：数字孪生与仿真优化 数字孪生（Digital Twin）被视为连接物理世界与虚拟世界的桥梁。本部分侧重于如何利用高保真模型进行前瞻性决策。 多域模型集成： 介绍了如何将机械动力学模型、流体热力学模型与控制系统模型耦合起来，构建一个统一的、高保真的数字孪生体，用于模拟复杂的热应力或振动环境。 “孪生”驱动的控制验证： 详述了在物理部署前，如何利用数字孪生环境进行“硬件在环”（HIL）和“软件在环”（SIL）的严格测试，从而大幅缩短调试周期并规避风险。 生产流程的虚拟调试与吞吐量分析： 演示如何利用离散事件仿真（DES）软件对生产线的布局、缓存策略和人员分配进行迭代优化，以达到理论上的最大吞吐量。 --- 第七部分：安全、可持续性与未来趋势 本部分着眼于自动化技术对企业长期战略的影响。 工业网络安全纵深防御： 提供了针对OT环境的安全加固策略，包括网络分段（Purdue Model的现代解读）、资产清单的自动化发现与漏洞管理，以及安全事件响应流程。 能源效率的自动化优化： 探讨了如何通过实时负载平衡、变频驱动（VFD）的智能控制以及基于实时能源价格的生产调度，实现显著的能耗降低。 模块化与可重构自动化： 总结了面向“产品族”生产的自动化系统设计原则，即如何设计易于通过软件配置或少量物理重构来适应新产品导入的柔性系统。 本书特色： 本书避免了对任何单一供应商解决方案的偏袒，而是聚焦于通用工程原理和跨平台的最佳实践。每章末尾均设有“工程挑战与解答”环节，提供真实的行业案例分析和可供实践的算法思路，是自动化工程师、系统集成商和制造研发人员必备的参考指南。

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