PLC原理與編程實例分析 pdf epub mobi txt 電子書 下載 在線閱讀 2026

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出版者:國防工業

作者:程子華//劉小明

出品人:

頁數:307

译者:

出版時間:2010-4

價格:30.00元

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isbn號碼:9787118067279

叢書系列:

圖書標籤:

• 自動化
• PLC
• 可編程邏輯控製器
• 工業控製
• 自動化
• 編程實例
• 電氣工程
• 技術
• 西門子
• 三菱
• 原理

《工業自動化控製係統：原理、設計與應用》 引言 在現代工業生産的浪潮中，自動化控製係統扮演著核心驅動力的角色，深刻地改變著生産模式、效率水平以及最終的産品質量。從基礎的機械操作到復雜的生産流程，精確、高效、可靠的控製是實現智能化製造的基石。本書旨在係統地闡述工業自動化控製係統的基本原理，深入剖析其設計過程，並結閤豐富的實際應用案例，為讀者提供一個全麵而深入的理解框架。本書適閤於自動化、電氣工程、機械工程等相關專業的學生，以及從事工業自動化設計、集成、維護和管理的工程師和技術人員。 第一部分：工業自動化控製係統的基礎理論 第一章：自動控製的基本概念 本章將為您構建對自動控製係統最核心的認知。我們將從“控製”這一概念的本質齣發，探討其在工業生産中的意義和價值。接著，我們將深入理解“自動”的含義，區分手動控製、半自動控製與全自動控製的不同，以及為何自動化是現代工業不可或缺的組成部分。 1.1 控製的本質與目的 定義控製：如何理解“控製”在物理世界中的作用，即改變或維持某一物理量的過程。 工業控製的目的：提高生産效率、保證産品質量、降低生産成本、提升安全性、實現柔性生産等。 反饋與前饋控製：介紹兩種基本控製策略，理解它們如何通過信息來影響執行機構。 反饋控製：通過監測輸齣信號與設定值之間的偏差來調整輸入信號，實現閉環控製。 前饋控製：在擾動發生前，根據對擾動的預測來預先調整控製量，實現主動式控製。 1.2 自動控製係統的組成 傳感器：介紹各種類型傳感器的工作原理、選擇依據以及在係統中的作用，例如溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器、位置傳感器等。 控製器：闡述控製器的功能，包括信號處理、決策製定和輸齣信號生成。 執行機構：解釋執行機構如何將控製信號轉化為對被控對象的物理作用，例如電機、閥門、執行器、加熱器等。 被控對象：定義被控對象，即係統中需要被控製的物理過程或設備。 測量儀錶：討論測量儀錶在監測係統狀態和提供反饋信號中的作用。 1.3 自動控製係統的分類 按信號性質分類：連續控製係統與離散控製係統（數字控製係統），理解它們在信號處理方式上的差異。 按控製規律分類： 開關控製（ON/OFF 控製）：最簡單的控製方式，理解其特點和局限性。 比例（P）控製：介紹比例控製的基本原理，分析其優缺點，如響應速度快但存在穩態誤差。 積分（I）控製：闡述積分控製如何消除穩態誤差，分析其對係統穩定性的影響。 微分（D）控製：解釋微分控製如何抑製超調和提高響應速度，分析其對噪聲的敏感性。 PID 控製：詳細介紹比例-積分-微分（PID）控製器的組成、工作原理、參數整定方法以及在工業界的廣泛應用。 按係統結構分類：開環控製係統與閉環控製係統，重點分析閉環控製係統的穩定性和魯棒性。 1.4 控製係統的性能指標 動態性能指標： 超調量：描述係統響應過程中超過給定值的部分，分析其對産品質量的影響。 調節時間：描述係統達到穩定狀態所需的時間，關係到生産效率。 響應速度：分析係統對輸入變化的快速反應能力。 穩態性能指標： 穩態誤差：描述係統穩定後輸齣值與給定值之間的偏差，分析其對控製精度的影響。 穩定性：理解係統在受到擾動後是否能恢復到穩定狀態，是係統正常工作的基本要求。 第二章：傳感器技術在工業自動化中的應用 本章將聚焦於自動控製係統的“眼睛”——傳感器。我們將詳細介紹各類常用傳感器的基本原理、技術特點、選型原則以及在工業現場的實際應用，幫助讀者理解如何準確、可靠地獲取被控對象的各種狀態信息。 2.1 溫度傳感器 熱電偶：原理、類型（J、K、T、E等）、測溫範圍、優缺點及應用場閤。 熱電阻（RTD）：原理、類型（Pt100、Ni100等）、精度、響應速度及應用。 紅外溫度傳感器：非接觸式測溫原理、應用場景（高溫、運動物體等）。 半導體溫度傳感器：集成化、低成本特性及其應用。 2.2 壓力傳感器 應變片式壓力傳感器：測量原理、結構、精度及應用（液壓、氣壓測量）。 壓阻式壓力傳感器：半導體材料的壓阻效應，高靈敏度、小尺寸特點。 電容式壓力傳感器：工作原理、高精度、抗腐蝕特性。 力平衡式壓力傳感器：高精度、穩定性的應用。 2.3 液位傳感器 浮球式液位開關：簡單可靠的開關量檢測。 導電式液位傳感器：利用液體導電性進行測量。 電容式液位傳感器：適用於多種介質，非接觸式測量。 超聲波液位傳感器：非接觸式、高精度測量，適用於腐蝕性介質。 雷達液位傳感器：非接觸式，不受介質蒸汽、溫度、壓力影響。 2.4 流量傳感器 電磁流量計：測量原理、精度高、無阻流件，適用於導電性液體。 渦街流量計：利用渦街脫離原理，適用於氣體、蒸汽、液體。 差壓式流量計（孔闆、文丘裏管）：經典流量測量方法，結構簡單。 超聲波流量計：非接觸式測量，適用於多種流體。 質量流量計：直接測量質量流量，不受介質密度、溫度、壓力影響。 2.5 位置與速度傳感器 編碼器： 增量編碼器：輸齣脈衝信號，用於測量位移和速度。 絕對編碼器：輸齣唯一編碼，無需迴零，精度高。 限位開關：用於檢測機械位置的到達。 接近開關：非接觸式檢測金屬物體的位置。 測速發電機：將轉速轉換為電壓信號。 2.6 其他常用傳感器 力傳感器（稱重傳感器）：測量力或重量。 氣體傳感器：檢測特定氣體的濃度。 圖像傳感器：用於機器視覺，實現對物體形狀、顔色、紋理的識彆。 2.7 傳感器選型原則 測量參數的準確性和精度要求。 被測介質的物理化學性質（溫度、壓力、腐蝕性等）。 安裝環境條件（溫度、濕度、振動、電磁乾擾等）。 響應速度和動態特性。 輸齣信號類型（模擬量、數字量）。 成本與維護便利性。 第三章：執行機構與驅動技術 本章將深入探討實現自動控製指令的“手臂”——執行機構。我們將分析不同類型執行機構的工作原理、性能特點，以及與其相匹配的驅動技術，確保控製信號能夠精確、高效地作用於被控對象。 3.1 執行機構的分類與作用 根據功能分類：閥門執行機構、電機驅動、加熱器、泵等。 根據控製方式分類：開關量執行機構、模擬量執行機構。 3.2 閥門執行機構 電動閥門執行機構： 開關型電動執行器：用於二位控製。 調節型電動執行器：接受模擬量信號（4-20mA, 0-10V），實現連續調節。 智能電動執行器：集成微處理器，具備自診斷、通訊等功能。 氣動閥門執行機構： 氣動薄膜執行機構：利用氣壓驅動薄膜産生位移。 氣動活塞執行機構：利用氣壓驅動活塞運動。 電-氣轉換器（I/P轉換器）：將電信號轉換為氣壓信號。 液壓閥門執行機構：適用於高精度、大扭矩的場閤。 3.3 電機與驅動技術 直流電機： 有刷直流電機：結構簡單，易於控製。 無刷直流電機（BLDC）：效率高、壽命長、噪音低。 交流電機： 感應電機：結構堅固、成本低廉，應用廣泛。 同步電機：轉速恒定，效率高。 伺服電機：高精度、高響應速度，常用於定位和閉環控製。 步進電機：精確的步進運動，適用於開環定位。 電機驅動器： PWM（脈衝寬度調製）技術：用於調速和控製電機功率。 變頻器（VFD）：用於交流電機的變頻調速。 伺服驅動器：配閤伺服電機實現精確控製。 步進電機驅動器：控製步進電機的步進運動。 3.4 加熱器與冷卻器 電加熱器：電阻加熱、感應加熱、紅外加熱等。 熱交換器：用於流體之間的熱量傳遞。 3.5 執行機構的選型考慮 控製信號類型與精度要求。 輸齣力矩、推力或功率要求。 響應速度和工作頻率。 工作環境（溫度、濕度、防爆要求）。 可靠性與壽命。 能耗與經濟性。 第二部分：工業自動化控製係統的設計與實施 第四章：控製迴路的設計與分析 本章將從宏觀視角審視整個控製係統的設計過程，重點關注單個控製迴路的構建、參數整定和性能評估，確保其能夠滿足預期的控製目標。 4.1 控製迴路的構成要素 傳感器（測量環節） 控製器（比較與決策環節） 執行機構（執行環節） 被控對象（被作用環節） 信號傳輸與連接 4.2 控製迴路的數學模型 綫性係統與非綫性係統 傳遞函數與時域響應 微分方程的建立與求解 模型辨識的基本方法 4.3 PID 控製器參數整定方法 經驗整定法（試湊法）：簡單易行，適用於初次調試。 臨界比例法（ Ziegler-Nichols 方法）：提供一套係統化的參數整定流程。 第一種方法：基於臨界振蕩參數。 第二種方法：基於臨界比例區。 衰減震蕩法：在係統穩定後，通過逐漸增大比例度來觀察振蕩並設定參數。 PID 參數的自整定功能：現代控製器中常見的功能。 參數整定的實際操作注意事項。 4.4 控製迴路的穩定性分析 根軌跡法：分析係統極點隨增益變化的位置。 頻率響應法（奈奎斯特圖、伯德圖）：從頻率特性分析係統的穩定性。 Routh 判據：判斷多項式根的分布。 4.5 控製迴路的性能優化 消除穩態誤差的策略：積分環節的應用。 減小超調量的策略：微分環節的應用、參數優化。 提高響應速度的策略：增大比例度、優化參數。 抗擾動能力的增強。 4.6 串級控製、前饋控製等高級控製策略 串級控製：主控製器控製副控製器設定值，提高控製精度和抗擾動能力。 前饋控製：利用擾動信息，在擾動影響被控變量前進行補償。 比值控製：維持兩種物料的比例恒定。 復閤控製：結閤多種控製策略以達到最佳控製效果。 第五章：工業網絡與通信技術 本章將深入探討構成現代工業自動化神經係統的通信技術。我們將介紹各種工業現場總綫協議、以太網技術以及遠程通信方式，理解它們如何實現設備之間的數據交換和信息共享。 5.1 工業通信的基本要求 實時性、可靠性、精確性、兼容性、開放性、安全性。 5.2 串行通信協議 RS-232、RS-485：經典串行通信接口，傳輸距離、速率限製。 Modbus RTU/ASCII：廣泛應用的串行通信協議，主從通信方式。 5.3 工業以太網技術 Ethernet/IP：基於以太網的標準工業協議。 Profinet：西門子公司開發的工業以太網解決方案。 EtherCAT：高性能、實時性強的工業以太網協議。 CC-Link IE：三菱電機開發的工業以太網。 5.4 現場總綫技術 Profibus：廣泛應用於過程控製和離散製造的現場總綫。 CAN bus：原用於汽車領域，現廣泛應用於工業自動化。 DeviceNet：基於 CAN bus 的開放式現場總綫。 Foundation Fieldbus：支持數字通信、高帶寬、高集成度的現場總綫。 5.5 無綫通信技術在工業中的應用 Wi-Fi、Zigbee、LoRa 等在工業環境下的應用場景。 工業無綫網絡的特點與挑戰。 5.6 OPC（OLE for Process Control） OPC DA（Data Access）、OPC UA（Unified Architecture）：實現不同廠商設備和軟件之間的數據互通。 5.7 物聯網（IoT）與工業互聯網（IIoT） 概念、架構與關鍵技術。 工業數據的采集、傳輸、存儲與分析。 雲平颱與邊緣計算在工業中的應用。 5.8 通信協議的選型原則 應用需求（實時性、數據量、通信距離）。 設備兼容性。 係統集成難度。 成本與維護。 技術發展趨勢。 第六章：工業控製係統集成與架構 本章將目光從單個組件和迴路提升到整個係統的層麵，探討如何將不同的自動化設備、軟件和網絡有效地集成起來，構建一個功能完善、穩定可靠的工業自動化控製體係。 6.1 自動化係統分層架構 現場設備層：傳感器、執行機構。 控製層：PLC、DCS、PAC。 監控與操作層（HMI/SCADA）。 信息管理層（MES、ERP）。 6.2 分散控製係統（DCS） 定義、特點與優勢。 DCS 與 PLC 的區彆與聯係。 DCS 在大型復雜過程控製中的應用。 6.3 可編程邏輯控製器（PLC） PLC 的基本構成：CPU、輸入模塊、輸齣模塊、通信模塊、電源模塊。 PLC 的工作原理：掃描周期、指令執行。 PLC 的編程語言：梯形圖（LD）、指令錶（IL）、結構化文本（ST）、功能塊圖（FB）、順序功能圖（SFC）等。 PLC 的選型原則： I/O 點數、處理能力、通信接口、品牌與可靠性。 6.4 人機界麵（HMI）與監控與數據采集係統（SCADA） HMI 的功能：可視化操作、參數設置、報警顯示。 SCADA 係統的功能：數據采集、狀態監控、趨勢分析、報錶生成、遠程控製。 HMI/SCADA 軟件的開發與集成。 6.5 製造執行係統（MES） MES 在生産過程管理中的作用：生産計劃、物料追蹤、質量管理、設備維護。 MES 與 SCADA、ERP 的集成。 6.6 工業物聯網（IIoT）平颱 IIoT 平颱的架構：設備接入、數據處理、應用服務。 IIoT 在設備互聯、數據分析、預測性維護等方麵的應用。 6.7 係統集成商的角色與挑戰 項目需求分析、方案設計、設備選型、係統調試。 跨領域知識與技術協調。 6.8 係統設計的關鍵考慮因素 安全性與可靠性設計。 易於維護與擴展性。 成本效益分析。 標準化與模塊化設計。 第三部分：工業自動化控製係統的實際應用案例分析 第七章：典型行業自動化應用實例 本章將通過具體案例，展示工業自動化控製係統如何在不同行業發揮關鍵作用，並深入分析其設計思路、實現方法和取得的成效，使讀者對自動化技術的應用有一個直觀的認識。 7.1 石油化工行業 煉油裝置的溫度、壓力、流量控製。 聚閤反應器的精密控製。 儲罐的液位監測與安全聯鎖。 危險區域的防爆控製係統設計。 7.2 食品飲料行業 生産綫的自動化控製：混閤、灌裝、包裝、碼垛。 批次生産過程的精確控製與追溯。 CIP（就地清洗）係統的自動化。 溫度、濕度等環境參數的精確控製。 7.3 鋼鐵冶金行業 高爐、轉爐的溫度、成分控製。 軋鋼綫的速度、厚度、溫度的精確控製。 連鑄機的過程控製。 高要求的耐高溫、耐腐蝕環境下的自動化設備。 7.4 汽車製造行業 衝壓、焊接、噴塗、總裝等生産綫的機器人集成與協調。 AGV（自動導引車）在物流配送中的應用。 質量檢測與追溯係統。 7.5 智能電網與能源管理 發電廠的鍋爐、汽輪機控製。 變電站的自動化監控與保護。 智能配電係統的優化調度。 新能源（風電、光伏）的接入與控製。 7.6 樓宇自動化係統 HVAC（暖通空調）係統的溫度、濕度、新風量控製。 照明、安防、消防等係統的集成。 能源效率優化。 7.7 水處理與環保行業 汙水處理過程的生化反應控製。 給水廠的混凝、沉澱、過濾過程控製。 煙氣脫硫脫硝係統的監測與控製。 第八章：現代工業自動化發展趨勢與未來展望 本章將放眼未來，探討工業自動化領域的前沿技術和發展方嚮，幫助讀者把握行業脈搏，為未來的學習和工作做好準備。 8.1 工業 4.0 與智能製造 CPS（信息物理係統）的概念與實現。 數字化孿生（Digital Twin）在設計、製造、運維中的應用。 大數據分析與人工智能（AI）在工業自動化中的作用。 8.2 工業機器人與協作機器人 機器人的感知、決策與執行能力提升。 人機協作模式的興起。 8.3 邊緣計算在工業自動化中的應用 實現低延遲、高可靠性的實時控製。 減少對雲平颱的依賴，降低網絡帶寬需求。 8.4 柔性製造與個性化生産 如何通過自動化實現小批量、多品種的生産模式。 模塊化與可重構的生産係統。 8.5 自動化係統的安全與可靠性 網絡安全威脅與防護策略。 功能安全（Functional Safety）標準與應用。 8.6 綠色製造與可持續發展 自動化技術在節能減排、資源優化利用方麵的作用。 循環經濟與智能製造的結閤。 8.7 新型傳感器與驅動技術 MEMS（微機電係統）傳感器。 先進的執行機構技術。 8.8 未來人纔需求與技能發展 跨學科知識與綜閤能力的培養。 持續學習與適應新技術的重要性。 結語 工業自動化控製係統是推動現代工業發展的核心技術之一。本書從基礎理論齣發，逐步深入到係統設計、集成與實際應用，並展望瞭未來的發展趨勢。我們希望通過對這些內容的係統闡述，能夠幫助讀者構建起紮實的理論基礎，掌握實用的設計方法，並激發對這一充滿活力和創新領域的進一步探索。在瞬息萬變的工業環境中，不斷學習和掌握先進的自動化技術，將是每一位從業者保持競爭力的關鍵。

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讀完這本書，我最大的感受是其敘事節奏的舒緩與內容的廣博，它不像某些技術書籍那樣急於展示“做什麼”，而是花費瞭大量篇幅去解釋“為什麼會是這樣”。作者對於係統級設計的哲學思考令人印象深刻。例如，在討論大型分布式控製係統（DCS）的可靠性架構時，書中沒有直接給齣標準的冗餘配置清單，反而引導讀者去思考硬件失效概率模型、軟件錯誤注入測試的必要性，以及不同層級故障隔離的經濟學考量。這種自上而下的思考方式，極大地提升瞭讀者的係統思維能力。特彆值得一提的是，書中對於人機界麵（HMI）設計原則的闡述，完全超越瞭單純的軟件界麵美化，而是深入探討瞭認知心理學在操作員狀態監測和異常情況乾預中的應用，引用瞭大量眼動追蹤和決策行為研究的成果，這在以往的技術書籍中是極為罕見的。它塑造瞭一種“以人為本”的自動化設計理念，讓讀者不僅僅是技術的操作者，更是復雜係統的架構師。

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這本書的排版和配圖藝術性達到瞭一個令人驚嘆的高度，簡直可以作為工程圖示設計的範本。每一張流程圖都經過精心設計，綫條的粗細、顔色的搭配都服務於信息傳遞的效率。更讓我稱奇的是，書中對一些抽象概念的視覺化處理能力。例如，在解釋多核處理器上的任務調度衝突時，作者采用瞭一種類似分子運動的動態模型圖解，將數據競爭和緩存一緻性問題具象化，使得那些晦澀難懂的計算機體係結構概念變得一目瞭然。這種對視覺語言的精湛運用，極大地降低瞭閱讀的認知負荷。而且，全書的語言風格非常流暢自然，充滿瞭學術的嚴謹性和工程師的務實精神，沒有過多的空洞口號，每一句話似乎都承載著經過實踐檢驗的有效信息。它成功地將枯燥的硬核技術內容，轉化成瞭一種享受式的閱讀體驗。

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這本書在對特定技術流派的批判性分析方麵做得尤為齣色，展現瞭作者深厚的行業閱曆和敏銳的洞察力。它沒有盲目推崇任何一傢廠商或某一種單一的技術路綫。比如，在對基於軟件定義的網絡（SDN）在工業控製領域應用的可能性進行評估時，作者沒有被時下的熱點所裹挾，而是嚴謹地分析瞭現有實時操作係統（RTOS）在內核調度和確定性保障方麵的固有局限性，並提齣瞭一個結閤硬件加速和微內核分離的摺衷方案。書中對傳統控製算法“過時性”的界定也非常審慎，它強調瞭技術選擇的上下文依賴性——針對高精度、低延遲的伺服係統，經典的基於狀態反饋的算法依然具有不可替代的價值，而對於數據密集型的過程優化，則應積極擁抱大數據分析的範式。這種辯證的、不走極端的分析角度，使得全書的觀點具有極強的生命力和指導意義，避免瞭技術泡沫帶來的短期效應影響。

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這本關於自動化控製領域的專著，確實在理論闡述上獨到匠心，特彆是對新型傳感器技術在現代工業現場的應用前景進行瞭深入探討。作者並沒有局限於傳統的電氣控製理論，而是引入瞭大量的跨學科知識，比如將模糊邏輯控製的思想巧妙地融入到經典PID算法的優化過程中。我特彆欣賞書中對各種復雜工藝流程進行建模分析時所展現齣的數學功底，每一個推導步驟都清晰可見，邏輯鏈條環環相扣，即便是初次接觸這些高級控製策略的讀者，也能通過細緻的圖錶和案例逐步理解其核心思想。此外，書中對工業以太網通信協議棧的剖析也極為細緻，對比瞭不同標準在實時性、穩定性和兼容性方麵的優劣，為讀者選擇閤適的網絡架構提供瞭堅實的參考依據。書中對於工業物聯網（IIoT）在邊緣計算層麵的集成方案也進行瞭前瞻性的探討，預測瞭未來智能工廠數據流動的潛在瓶頸與突破口。總而言之，它更像是一部麵嚮未來、注重深度融閤的工程科學參考手冊，而非僅僅停留在基礎概念的羅列。

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我認為這本書的價值核心在於其對“集成與協同”這一現代工程挑戰的深刻剖析。它並非聚焦於某一個單一的設備或軟件模塊，而是將目光投嚮瞭整個生産生態係統的互聯互通。書中用大量的篇幅分析瞭遺留係統（Legacy Systems）如何平穩過渡到現代化、信息物理係統（CPS）架構中去，其中涉及的係統遷移策略、數據格式轉換的容錯機製，以及不同代際控製設備間的通信協議適配層設計，都提供瞭業內少有的、可操作的藍圖。作者特彆關注瞭供應鏈視角下的控製係統安全，將網絡攻擊的風險鏈條延伸到瞭物理層麵的供應鏈環節，要求讀者在設計之初就必須納入“可信計算基”的考量。這本書的視野是宏大的，它引導讀者從“編寫代碼”的層麵，提升到“構建一個可持續運行、可演進的智能生産體係”的戰略高度，這對於任何希望引領企業技術轉型的工程師來說，都是一份不可多得的戰略指南。

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