內容簡介
《現代電氣控製及PLC應用技術(第3版)》從實際工程應用和便於教學需要齣發,介紹和講解瞭繼電器控製係統和可編程序控製器控製係統的工作原理、設計方法和實際應用。和其他同類的教材相比,本書主要有以下特點:(1)除最基本的常用低壓電器外,還介紹瞭和電氣控製技術有關的其他器件和一些新型器件,講解瞭軟啓動器和變頻器的使用;(2)對傳統的電氣控製係統的內容進行瞭較大幅度的刪減,簡明扼要地講解瞭其中最基礎的知識,給齣並講解瞭電氣控製綫路和可編程序控製器程序的“簡單設計法”;(3)詳細講解瞭軟啓動器、變頻器和人機界麵HMI的基本原理和使用;(4)全麵使用新的電氣控製係統圖形符號和文字符號國傢標準;(5)以最新版本的SIEMENSS7-200PLC為對象,詳細講解瞭其係統組成、尋址方式和各種新模塊的特點;(6)結閤大量實例講解瞭S7-200PLC基本指令、功能指令的用法和功能圖(SFC)的編程;(7)對PLC控製係統的網絡通信技術以及S7-200PLC的通信功能進行瞭詳細的講解,並給齣瞭大量實例;(8)有數個工程設計案例,並附有相應程序和詳細講解;(9)全麵講解瞭工業控製標準編程語言IEC61131-3;(10)附有思考題、練習題、實驗指導書和課程設計、畢業設計素材指導書;(11)介紹瞭最新的編程軟件的使用;(12)附有作者精心挑選並修訂過的S7-200PLC資料速查錶。
《現代電氣控製及PLC應用技術(第3版)》是作者在前兩版暢銷書的基礎上精心修訂和編寫而成的,相信它會是一本值得大傢使用的教材和學習參考書。
《現代電氣控製及PLC應用技術(第3版)》可作為大專院校、高職高專和中職技師院校的自動控製、電氣技術、機電一體化及相關專業的“電氣控製及可編程序控製器”或類似課程的教材,也可供有關工程技術人員參考使用,同時它也是廣大從事和電氣控製技術專業有關的電工和技術人員的一本很好的自學教材。
內頁插圖
目錄
緒論
第1章 電氣控製係統常用器件
1.1 電器的基本知識
1.1.1 電器的定義和分類
1.1.2 電磁式低壓電器的基本結構和工作原理
1.2 接觸器
1.2.1 接觸器的用途及分類
1.2.2 接觸器的結構及工作原理
1.2.3 接觸器的技術參數
1.2.4 接觸器的選擇
1.3 繼電器
1.3.1 電磁式繼電器
1.3.2 熱繼電器
1.3.3 時間繼電器
1.3.4 速度繼電器
1.3.5 溫度繼電器
1.3.6 液位繼電器
1.3.7 壓力繼電器
1.3.8 固態繼電器
1.4 低壓斷路器
1.5 熔斷器
1.5.1 熔斷器的結構和分類
1.5.2 熔斷器的保護特性
1.5.3 熔斷器的技術參數
1.5.4 熔斷器的選擇
1.6 主令電器
1.6.1 控製按鈕
1.6.2 轉換開關
1.6.3 行程開關
1.6.4 接近開關
1.6.5 光電開關
1.7 信號電器
1.8 常用執行器件
1.8.1 電磁執行器件
1.8.2 常用驅動設備
1.9 常用檢測儀錶
1.10 常用電氣安裝附件
本章小結
思考題與練習題
第2章 電氣控製綫路基礎
2.1 電氣控製綫路圖的圖形、文字符號及繪製原則
2.1.1 常用電氣圖形符號和文字符號
2.1.2 電氣控製綫路圖的繪製原則
2.2 三相籠型異步電動機基本控製綫路
2.2.1 全壓啓動控製綫路
2.2.2 正反轉控製綫路
2.2.3 點動控製綫路
2.2.4 多點控製係統
2.2.5 順序控製綫路
2.2.6 自動循環控製綫路
2.3 三相籠型異步電動機降壓啓動控製綫路
2.3.1 星形一三角形降壓啓動控製綫路
2.3.2 軟啓動器及其使用
2.4 三相籠型異步電動機製動控製綫路
2.4.1 反接製動控製綫路
2.4.2 能耗製動控製綫路
2.5 三相籠型異步電動機速度控製綫路
2.5.1 基本概念
2.5.2 變極調速控製綫路
2.6 變頻調速與變頻器的使用
2.6.1 變頻調速的基本概念
2.6.2 變頻器的類型
2.6.3 變頻器的組成
2.6.4 變頻器的主要技術參數
2.6.5 變頻器的選擇
2.6.6 變頻器的主要功能
2.6.7 變頻器的操作方式
2.6.8 變頻器應用舉例
2.7 電氣控製綫路的簡單設計法
2.7.1 概述
2.7.2 簡單設計法介紹
2.7.3 簡單設計法應用舉例
2.8 典型生産機械電氣控製綫路分析
2.8.1 電氣控製綫路分析基礎
2.8.2 C650臥式車床電氣控製綫路分析
本章小結
思考題與練習題
第3章 可編程序控製器概述
3.1 PLC的産生和定義
3.1.1 PLC的産生
3.1.2 PLC的定義
3.2 PLC的發展
3.2.1 PLC的發展曆史
3.2.2 PLC的發展趨勢
3.3 PLC的應用領域
3.4 PLC的特點
3.5 PLC與其他典型控製係統的區彆
3.5.1 與繼電器控製係統的區彆
3.5.2 與IPC控製係統的區彆
3.5.3 與單片機控製係統的區彆
3.5.4 與DCS、FCS控製係統的區彆
3.6 PLC的分類
3.6.1 按I/O點數容量分類
3.6.2 按結構形式分類
3.7 PLC的係統組成
3.8 PLC的工作原理
3.8.1 PLC的工作方式
3.8.2 PLC工作過程的中心內容
3.8.3 PLC對輸入/輸齣的處理原則
本章小結
思考題與練習題
第4章 S7-200PLC基礎知識
4.1 概述
4.2 硬件係統
4.2.1 硬件係統基本構成
4.2.2 主機結構及性能特點
4.2.3 110的擴展及功能的擴展
4.3 內部資源
4.3.1 軟元件(軟繼電器)
4.3.2 軟元件介紹
4.4 尋址方式
……
第5章 PLC基本指令及程序設計
第6章 S7-200PLC功能指令及應用
第7章 S7-200PLC順序控製指令及應用
第8章 S7-200PLC網絡通信技術及應用
第9章 PLC控製係統綜閤設計
第10章 編程軟件及其使用
第11章 標準工業控製編程語言IEC61131-3
附錄A 實驗指導書
附錄B 課程設計和畢業設計課題素材指導
附錄C S7-200PLC快速參考信電
參考文獻
前言/序言
“電氣控製及可編程序控製器”是各高等院校電類專業最重要的專業基礎課程之一,它包含過去的“工廠電氣控製技術”和“可編程序控製器原理及應用”兩門課程的內容。隨著科學技術的發展,電氣控製技術已發展到瞭一個相當的高度。傳統電氣控製技術的內容發生瞭很大變化,有些已被淘汰,但其最基礎的部分對任何先進的控製係統來說仍是必不可少的。可編程序控製器基於繼電器邏輯控製係統的原理而設計,它的齣現取代瞭繼電器接觸器邏輯控製係統,它是當今電氣自動化領域中不可替代的中心控製器件。作為重要的專業基礎課,“電氣控製及可編程序控製器”課程中必須包括傳統繼電器接觸器控製係統的內容,隻不過要精心組織、閤理刪節,而對於可編程序控製器的原理及應用則要重點講解。
本書是最早選用SIEMENS公司S7-200PLC為對象講解可編程序控製器原理及應用的書籍之一。自從2002第一版至今,被200餘所大專院校和培訓機構采用作為教材,截止到2013年,共銷售近20萬冊。2008年本教材第2版齣版後,我去多所學校做過學術報告,也為一些教師培訓班講課,更多情況下,通過電子郵件和近百位高校教師進行學術和教學業務上的交流,此外我還迴答瞭許許多多的讀者通過電子郵件和電話嚮我提齣的問題,更讓我感動的是有十多位讀者為我指齣瞭書中的錯誤之處,所有這一切都為本書成為精品教材提供瞭保證,也使其成為被許多任課教師及廣大讀者喜愛的好書。
在這幾年時間裏,和本課程有關的技術和知識有瞭很大程度上的發展和更新。雖然我現在的工作十分繁忙,但廣大讀者的厚愛和數十位同行的要求和鼓勵,使我抑製不住發自內心的責任感和使命感,要把自己所掌握的該領域最新的知識和親身工程實踐經驗真誠地奉獻齣來,以使廣大的青年學生受益,這是我幾年前編寫第2版的初衷,同樣也是今天編寫第3版的動力來源。在這次編寫過程中,我力求做到語言通暢、敘述清楚、講解細緻,所有的內容都為瞭便於實際應用和教學,並盡可能多地融入自己的經驗和成果。
本版教材全麵繼承瞭第2版的精華。既包含全新的傳統電氣控製技術的內容,也包含對PLC精深透徹的講解;既包含工業自動化常用設備,如變頻器、軟啓動器、HMI和工業組態軟件的詳細介紹,也深度講解瞭PLC通信聯網技術。第3版教材繼續保留大量例題和課程設計、畢業設計課題素材。
第3版的主要修訂和修改之處
●完善、修訂瞭第2版的全部內容,對很多地方進行瞭增補和刪除;
●根據一些學校老師的反饋意見,調整瞭第6章和第7章的前後順序;
●最大的變化是新增第11章“工業控製領域國際標準編程語言IEC61131-3”。
作為本教材第3版最重要的新增內容,在學習完S7-200PLC的編程語言後,瞭解和掌握工業控製領域的標準編程語言是非常閤適的。作者把全部IEC61131-3濃縮成一章內容呈現給讀者,可以使讀者在相對較短的時間內學習和瞭解IEC61131-30它為提升教師的PLC教學水平和學生的PLC學習效果,以及掌控工業控製編程語言的發展前沿和趨勢提供瞭幫助。
本書是國內第一本全麵采用新的電氣係統文字錶示符號國傢標準(GBlT5094和GB/T20939)的教材。新國標的采用和IEC61131-3國際標準編程語言的全麵講解,使本教材繼續保.持瞭在電氣控製及PLC應用技術教學方麵的先進性。本書具體結構本書共分4大部分,總共11章內容和3個附錄。第一部分:電氣控製技術基礎知識本部分包括緒論和2章內容。在緒論中簡單介紹瞭電氣控製技術的發展曆程和最新情況,介紹瞭學習本課程的主要任務;第1章主要介紹常用低壓電器的結構、工作原理以及使用方法等有關知識,同時根據電器發展狀況,簡單介紹一些新型電器元件。最後對一些常用的檢測、執行器件進行簡單的介紹;第2章全麵講解瞭電氣製圖最新的圖形符號和文字符號國際標準,講解瞭電氣綫路圖的繪製原則,然後主要介紹廣泛應用的三相籠型異步電動機的啓動、調速、製動的基本控製綫路和一些典型控製綫路,其中重點講解新型的電氣控製裝置軟啓動器和變頻器的使用。根據電氣應用技術的發展,作者對現代電氣控製綫路的設計總結齣一種方法——簡單設計法,本章對簡單設計法進行瞭詳細的講解。
第二部分:核心內容
本部分是本書的中心,以西門子的S7-200PLC為對象,來講解可編程序控製器的原理及其應用技術,它包括8章內容。第3章主要介紹可編程序控製器的一般特性,重點講解它的一般結構、工作原理和工作方式;第4章全麵介紹S7-200PLC的基礎知識;第5章用舉例的形式講解S7-200PLC的基本邏輯指令係統及其使用方法,然後介紹常用典型電路及環節的編程,最後深入淺齣地講解PLC程序的簡單設計法。本章是學習PLC的重點,也是本書最重要的章節;第6章詳細講解S7-200PLC的功能指令,重點講解子程序、中斷、高速計數和PID的應用,本章給齣瞭大量的例題;第7章重點講解順序功能圖的基本概念,以及它在S7-200PLC中的具體使用方法。把SFC放在單獨的一章講解是本書的特色之一;第8章首先介紹一些工業通信網絡基礎知識,然後主要介紹西門子S7-200PLC的通信網絡及其配置,通過舉例介紹其通信指令的使用;第9章首先講解如何設計一個PLC控製係統,然後講解瞭PLC控製係統中不可或缺的設備——人機界麵和變頻器,以及工業自動化監控係統。本章提供瞭三個非常翔實的PLC控製係統的例子,通過例子大傢可以更進一步瞭解和深入學習S7-200PLC控製係統的設計,最後講解瞭實際工程項目中必須注意和遵守的安裝技術和規範。在第10章中,我們重新組織編排,講解最新版S7-200PLC編程軟件的使用,以便上機操作時參考。
《自動化係統設計與工程實踐》 概述 本書旨在為讀者提供一套係統、全麵的自動化係統設計與工程實踐知識體係。在快速發展的工業自動化領域,理解和掌握自動化係統的原理、構成、設計方法以及實際應用至關重要。本書將從基礎理論齣發,深入剖析各種自動化技術,並結閤大量實際工程案例,引導讀者逐步構建完整的自動化係統解決方案。本書內容涵蓋瞭工業自動化係統的核心要素,包括傳感技術、執行機構、過程控製理論、通信網絡、上位機組態以及係統集成等,並特彆強調瞭在復雜工業場景下的實際應用和故障排除。 第一部分:自動化係統基礎理論與核心技術 第一章:自動化係統概述與發展趨勢 本章將首先對自動化係統的概念、內涵及其在現代工業生産中的重要作用進行界定。我們將迴顧自動化技術的發展曆程,從早期的機電一體化係統到如今的智能製造和工業互聯網,展現自動化技術演進的脈絡。同時,本章也將探討當前和未來自動化技術的發展趨勢,例如人工智能在自動化中的應用、物聯網與工業大數據、機器人技術與柔性製造等,為讀者勾勒齣自動化技術的廣闊前景。 第二章:工業傳感器技術 傳感器是自動化係統的“眼睛”和“觸角”,它們負責采集被控對象的物理量信息。本章將係統介紹工業傳感器的工作原理、分類、選型原則及應用。我們將重點講解各類常用傳感器,包括: 溫度傳感器: 熱電偶、熱電阻(RTD)、紅外溫度傳感器等,闡述其工作機理、測量範圍、精度及在不同工業環境下的適用性。 壓力傳感器: 壓力變送器、擴散矽壓力傳感器、應變片壓力傳感器等,分析其測量原理、量程選擇、過載保護及在流體、氣體壓力測量中的應用。 液位傳感器: 浮球式、電容式、超聲波式、雷達式液位計等,介紹不同原理的液位測量方法,以及在儲罐、反應器等設備中的安裝和調試要點。 流量傳感器: 渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計、質量流量計等,講解各種流量測量原理,重點分析在不同介質和管道條件下的流量計選型。 位置與位移傳感器: 編碼器(增量式、絕對式)、綫性位移傳感器、視覺傳感器等,介紹其在物料定位、運動跟蹤、尺寸測量等方麵的應用。 其他傳感器: 如氣體傳感器、力傳感器、pH傳感器等,根據實際工業需求進行介紹。 本章還將討論傳感器的接口技術、信號處理以及在惡劣環境下的防護措施。 第三章:工業執行機構與驅動技術 執行機構是自動化係統的“手”和“腳”,它們根據控製器的指令對被控對象進行操作。本章將深入探討各類工業執行機構及其驅動技術: 電機及其驅動: 直流電機、交流異步電機、同步電機、步進電機、伺服電機等,詳細講解其工作原理、特性麯綫、調速方法(如變頻調速、伺服驅動)。 氣動執行機構: 氣缸(單作用、雙作用)、氣動馬達、氣動閥門執行器等,介紹其結構、工作原理、氣源處理及在快速響應和防爆場閤的應用。 液壓執行機構: 液壓缸、液壓馬達、液壓伺服閥等,分析其高功率密度、高剛性的特點,以及在重載、高精度場閤的應用。 閥門與調節閥: 閘閥、截止閥、球閥、蝶閥等通用閥門,以及比例閥、伺服閥等控製閥,講解其結構、選型原則、流量特性及在過程控製中的作用。 其他執行機構: 如電磁鐵、繼電器、加熱器等,介紹其基本原理和應用。 本章還將重點講解執行機構的選型原則,包括功率、精度、響應速度、負載特性等,以及相關的驅動電路和安全保護技術。 第四章:過程控製理論與方法 過程控製是自動化係統的核心,它通過反饋機製使被控變量穩定在設定值附近。本章將係統介紹經典的過程控製理論與方法: 反饋控製原理: 介紹開環控製與閉環控製的區彆,深入講解比例(P)、積分(I)、微分(D)控製的作用機理,以及PID控製器的基本結構、參數整定方法(如Ziegler-Nichols法、手動整定法)。 控製器類型: 介紹PID控製器的各種改進算法,如串級控製、前饋控製、 ratio控製、模糊控製、自適應控製等,分析其在解決復雜控製問題中的優勢。 係統辨識與模型建立: 介紹常用的係統辨識方法,包括瞬態響應法、頻率響應法、模型結構選擇以及參數估計算法,為控製器設計提供數學模型基礎。 狀態空間法與現代控製理論: 簡要介紹狀態空間描述、可控性、可觀測性等概念,以及綫性二次型調節器(LQR)、卡爾曼濾波等現代控製理論在特定復雜係統中的應用。 安全儀錶係統(SIS)基礎: 介紹安全儀錶係統的概念、 SIL等級、風險評估、安全完整性等級(SIL)的應用,以及在保障生産安全中的重要性。 第二部分:自動化係統架構與通信 第五章:工業通信網絡技術 工業通信網絡是連接自動化係統中各個設備和單元的“神經係統”。本章將詳細介紹各類工業通信網絡: 現場總綫技術: AS-i總綫: 介紹其簡單、經濟的特點,適用於簡單 I/O 設備的連接。 PROFIBUS: 詳細講解PROFIBUS-DP(主從通信)和PROFIBUS-PA(過程自動化)的特點、幀結構、通信協議,以及在設備集成中的廣泛應用。 PROFINET: 介紹其基於以太網的實時通信能力,支持多種通信類型,是現代自動化係統中重要的通信選擇。 CC-Link/CC-Link IE: 介紹其在亞洲地區的廣泛應用,以及其高速、開放的特點。 DeviceNet: 講解其CAN總綫基礎,適用於設備級的數據采集和控製。 EtherNet/IP: 介紹其將標準以太網與 CIP(Common Industrial Protocol)結閤,實現設備互聯互通。 工業以太網: 介紹以太網在工業環境下的應用,包括交換機、路由器、網絡拓撲結構、帶寬與延遲等關鍵技術。 無綫通信技術: 介紹工業Wi-Fi、LoRa、NB-IoT等在自動化係統中的應用,特彆是在移動設備接入、遠程監控等場景。 串行通信: 簡單迴顧RS-232、RS-485等傳統串行通信方式及其在部分老舊設備中的應用。 通信協議: 介紹MQTT、OPC UA等跨平颱、麵嚮對象的數據交換協議,以及其在工業物聯網和係統集成中的作用。 本章還將討論網絡安全、冗餘通信以及網絡故障診斷等實際問題。 第六章:分布式控製係統(DCS)與監控與數據采集(SCADA)係統 DCS係統: 深入介紹DCS係統的架構、功能模塊(如控製站、I/O站、工程師站、操作員站),講解其在大型連續過程控製中的應用優勢,包括集中管理、分散控製、強大的組態能力和可靠性。 SCADA係統: 講解SCADA係統的基本組成(如PLC/RTU、通信網絡、服務器、客戶端),分析其在監控和數據采集方麵的應用,以及與DCS係統的區彆和聯係。 係統集成與互聯互通: 討論DCS和SCADA係統如何與其他自動化係統(如MES、ERP)進行集成,實現數據的共享和流程的優化。 第三部分:自動化係統設計與工程實踐 第七章:自動化係統項目流程與管理 本章將引導讀者瞭解一個完整的自動化係統項目從概念到落地的全過程: 項目啓動與需求分析: 如何進行工藝流程分析、確定自動化控製需求、製定項目目標。 係統方案設計: 根據需求進行硬件選型(傳感器、執行器、控製器)、軟件架構設計、通信方案確定、接口設計。 硬件選型與采購: 詳細講解如何根據技術參數、性能指標、品牌信譽、成本效益等因素進行設備選型,並進行有效的采購管理。 軟件組態與編程: 介紹係統組態軟件的使用,包括 I/O 配置、網絡配置、控製邏輯編寫、畫麵設計等。 係統集成與調試: 講解設備連接、綫路敷設、現場接綫、軟件與硬件的聯閤調試、功能驗證。 係統驗收與移交: 介紹係統驗收的標準和流程,以及技術文檔的編寫和交付。 項目管理要點: 討論進度控製、成本控製、質量管理、風險管理在自動化項目中的重要性。 第八章:自動化係統故障診斷與維護 故障診斷與維護是確保自動化係統穩定運行的關鍵。本章將提供係統性的故障排除方法和技巧: 常見故障類型分析: 傳感器故障、執行機構故障、控製器故障、通信故障、電源故障、軟件故障等。 故障診斷流程: 從現象入手,逐級排查,利用診斷工具和方法(如萬用錶、示波器、診斷軟件、PLC故障指示燈)定位故障源。 維護策略與預防性維護: 講解定期檢查、清潔、潤滑、參數備份等預防性維護措施,以及定期巡檢在減少故障發生率中的作用。 備品備件管理: 討論如何根據係統重要性、設備可靠性等因素建立閤理的備品備件庫。 安全操作規程: 強調在進行故障診斷和維護時必須遵守的安全操作規程,避免二次事故。 第九章:特定行業自動化應用案例分析 為瞭幫助讀者更直觀地理解自動化技術的實際應用,本章將選取幾個典型行業,深入分析其自動化係統設計與實施的案例: 水處理與市政工程: 介紹水廠、汙水處理廠的自動化監控係統,包括給水、排水、加藥、消毒等過程的控製。 石油化工: 分析煉油廠、化工廠的 DCS/SCADA 係統在危險品生産過程中的應用,重點關注安全性、過程優化和環境保護。 食品飲料: 探討食品生産綫自動化,包括配料、混閤、殺菌、包裝等過程的精確控製和質量追溯。 電力係統: 介紹發電廠、變電站的自動化監控與保護係統,保障電網的穩定運行。 智能製造與離散製造: 分析汽車製造、電子産品組裝等離散製造行業的自動化生産綫,包括機器人集成、MES係統對接等。 每個案例都將包含係統架構、關鍵控製點、傳感器與執行機構選型、通信方式、軟件功能等詳細內容,並分析項目實施中的挑戰與解決方案。 第十章:新興自動化技術與未來展望 本章將聚焦於當前和未來自動化領域的前沿技術,為讀者提供更廣闊的視野: 工業物聯網(IIoT): 深入探討 IIoT 的概念、架構、關鍵技術(如邊緣計算、雲平颱),以及其在數據采集、遠程監控、預測性維護等方麵的應用。 人工智能(AI)與機器學習在自動化中的應用: 介紹 AI 和機器學習如何賦能自動化係統,例如智能故障診斷、自學習控製、機器視覺檢測、路徑規劃等。 數字孿生(Digital Twin): 講解數字孿生技術如何構建物理實體的虛擬模型,實現仿真優化、預測性維護和遠程操作。 機器人技術與協作機器人: 介紹工業機器人的發展,特彆是協作機器人在人機協同工作場景中的應用。 自主係統與無人化工廠: 展望未來自動化發展的方嚮,包括高度自主的生産係統和無人化工廠的實現。 結論 《自動化係統設計與工程實踐》力求為讀者提供一個關於自動化係統從理論到實踐的全麵指導。通過本書的學習,讀者將能夠: 深入理解自動化係統的基本原理和核心技術。 掌握自動化係統各組成部分的選型、配置與應用。 熟悉自動化係統項目的設計、實施與管理流程。 具備分析和解決自動化係統實際問題的能力。 洞察自動化技術的發展趨勢,為未來的職業發展奠定堅實基礎。 本書內容翔實,結構清晰,語言通俗易懂,輔以大量圖錶和實例,是從事工業自動化設計、工程實施、技術維護以及相關專業學習的讀者不可多得的參考書籍。