工業(yè)自動化技術(shù)指南

第1章工業(yè)自動化基礎(chǔ)............................................................3

1.1自動化技術(shù)概述..........................................................3

1.2工業(yè)自動化系統(tǒng)架構(gòu).......................................................3

1.3自動化設(shè)備與元件.........................................................4

第2章控制系統(tǒng)與原理............................................................4

2.1控制系統(tǒng)基礎(chǔ)............................................................4

2.1.1控制系統(tǒng)的基本概念....................................................4

2.1.2控制系統(tǒng)的分類........................................................5

2.2經(jīng)典控制理論............................................................5

2.2.1傳遞函數(shù)..............................................................5

2.2.2頻域分析法............................................................5

2.2.3根軌跡法..............................................................5

2.3現(xiàn)代控制理論............................................................5

2.3.1狀態(tài)空間法............................................................6

2.3.2狀態(tài)反饋和觀測器設(shè)計..................................................6

2.3.3最優(yōu)控制理論..........................................................6

第3章傳感器與執(zhí)行器............................................................6

3.1傳感相技術(shù)概述..........................................................6

3.1.1傳感器的工作原理......................................................6

3.1.2傳感器的分類..........................................................6

3.1.3傳感器的功能評價......................................................7

3.2常用傳感器及其應(yīng)用......................................................7

3.2.1溫度傳感器............................................................7

3.2.2壓力傳感器............................................................7

3.2.3流量傳感器............................................................7

3.2.4位移傳感器............................................................7

3.2.5光電傳感器............................................................7

3.3執(zhí)行器原理與應(yīng)用.........................................................8

3.3.1電動執(zhí)行器............................................................8

3.3.2氣動執(zhí)行器............................................................8

3.3.3液壓執(zhí)行器............................................................8

3.3.4電磁執(zhí)行器............................................................8

3.3.5伺服執(zhí)行器............................................................8

第4章電氣控制系統(tǒng)..............................................................8

4.1電氣控制基礎(chǔ)............................................................8

4.1.1電氣控制概述..........................................................8

4.1.2控制元件的功能與分類.................................................8

4.1.3控制電路的基本原理....................................................8

4.2常用電氣控制元件.........................................................9

4.2.1開關(guān)..................................................................9

4.2.2繼電器................................................................9

4.2.3接觸器..................................................................9

4.2.4控制器..................................................................9

4.3電氣控制電路設(shè)計.........................................................9

4.3.1設(shè)計原則...............................................................9

4.3.2設(shè)計步驟...............................................................9

4.3.3設(shè)計注意事項...........................................................9

第5章可編程邏輯控制器（PLC）..................................................10

5.1PLC概述.................................................................10

5.2PLC的硬件與軟件系統(tǒng)....................................................10

5.2.1硬件系統(tǒng)..............................................................10

5.2.2軟件系統(tǒng)..............................................................10

5.3PLC編程與應(yīng)用...........................................................11

第6章變頻調(diào)速與伺服控制.......................................................11

6.1電機調(diào)速技術(shù)概述........................................................11

6.1.1電機調(diào)速技術(shù)分類......................................................11

6.1.2電機調(diào)速技術(shù)原理......................................................12

6.1.3電機調(diào)速技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用....................................12

6.2變頻器工作原理與應(yīng)用....................................................12

6.2.1變頻器工作原理........................................................12

6.2.2變頻器應(yīng)用............................................................13

6.3伺服控制系統(tǒng)............................................................13

6.3.1伺服控制系統(tǒng)概述......................................................13

6.3.2伺服控制系統(tǒng)工作原理..................................................13

6.3.3伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用......................................................13

第7章工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)...........................................................14

7.1工業(yè)通信基礎(chǔ)............................................................14

7.1.1基小概念..............................................................14

7.1.2通信協(xié)議..............................................................14

7.1.3通信技術(shù)..............................................................14

7.2現(xiàn)場總線技術(shù)............................................................14

7.2.1基本概念..............................................................14

7.2.2技術(shù)特點..............................................................14

7.2.3應(yīng)用實例..............................................................15

7.3工業(yè)以太網(wǎng)..............................................................15

7.3.1基本原理..............................................................15

7.3.2技術(shù)特點..............................................................15

7.3.3應(yīng)用場景..............................................................15

第8章工業(yè)技術(shù)..................................................................15

8.1工業(yè)概述.................................................................15

8.2工業(yè)的結(jié)構(gòu)與原理........................................................15

8.2.1結(jié)構(gòu)組成..............................................................15

8.2.2工作原理..............................................................16

8.3工業(yè)編程與應(yīng)用..........................................................16

8.3.1編程方法..............................................................16

8.3.2應(yīng)用領(lǐng)域..............................................................16

第9章智能制造與物聯(lián)網(wǎng).........................................................16

9.1智能制造概述............................................................16

9.1.1智能制造的定義與特點..................................................17

9.1.2智能制造的關(guān)鍵技術(shù)....................................................17

9.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用........................................................17

9.2.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)........................................................18

9.2.2物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用...........................................18

9.3工業(yè)大數(shù)據(jù)與云計算......................................................18

9.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)的特點......................................................18

9.3.2云計算在工業(yè)大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用...........................................18

第10章自動化系統(tǒng)設(shè)計、安裝與調(diào)試.............................................19

10.1自動化系統(tǒng)設(shè)計原則與方法..............................................19

10.1.1設(shè)計原則.............................................................19

10.1.2設(shè)計方法.............................................................19

10.2自動化設(shè)備安裝與調(diào)試...................................................19

10.2.1設(shè)備安裝.............................................................19

10.2.2設(shè)備調(diào)試.............................................................20

10.3自動化系統(tǒng)的維護與優(yōu)化................................................20

10.3.1系統(tǒng)維護.............................................................20

10.3.2系統(tǒng)優(yōu)化.............................................................20

第1章工業(yè)自動化基礎(chǔ)

1.1自動化技術(shù)概述

自動化技術(shù)是指運用現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制理論、傳感技術(shù)和網(wǎng)

絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程、制造過程及管理過程的自動檢測、自動控制、自

動優(yōu)化和自動管理的一項綜合性技術(shù)。它旨在提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保

證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件和保證生產(chǎn)安全。自動化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)

領(lǐng)域，成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要推動力。

1.2工業(yè)自動化系統(tǒng)架構(gòu)

工業(yè)自動化系統(tǒng)架構(gòu)主要包括以下幾個層次：

(1)控制層：主要包括控制器、執(zhí)行器和傳感器等，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實

時監(jiān)測、控制和調(diào)整。

(2)管理層：主要包括監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、分布式控制系統(tǒng)(DCS)、

可編程邏輯控制器(PLC)等，負責對生產(chǎn)過程進行管理、調(diào)度和優(yōu)化。

2.1.2控制系統(tǒng)的分類

根據(jù)不同的分類標準，控制系統(tǒng)可分為以下幾類：

(1)開環(huán)控制和閉環(huán)控制：開環(huán)控制系統(tǒng)不考慮被控對象的輸出反饋，而

閉環(huán)控制系統(tǒng)則將輸出反饋作為控制器輸入的一部分。

(2)線性控制和非線性控制：線性控制系統(tǒng)遵循疊加原理和齊次性原理，

而非線性控制系統(tǒng)則不具備這些特性。

(3)連續(xù)控制和高散控制：連續(xù)控制系統(tǒng)中的變量是連續(xù)變化的，而嗡散

控制系統(tǒng)中的變量僅在離散時刻發(fā)生變化。

2.2經(jīng)典控制理論

經(jīng)典控制理論主要研究線性定常系統(tǒng)的控制問題，以傳遞函數(shù)為基本數(shù)學工

具，通過頻域分析法、根軌跡法等方法對系統(tǒng)功能進行分析和設(shè)計。

2.2.1傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)是描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系的數(shù)學模型，它將復(fù)雜的微分方程

轉(zhuǎn)化為簡單的代數(shù)表達式。傳遞函數(shù)的表示方法為：

G(s)=Y(s)/U(s)

其中，s為拉普拉斯變換的復(fù)變量，U(s)和Y(s)分別為系統(tǒng)輸入和輸出的拉

普拉斯變換。

2.2.2頻域分析法

頻域分析法是經(jīng)典控制理論中的一種重要方法，通過研究系統(tǒng)在不同頻率下

的響應(yīng)特性，對系統(tǒng)功能進行評價和優(yōu)化。主要包括以下內(nèi)容：

(1)幅頻特性：描述系統(tǒng)在不同頻率下的幅值增益。

(2)相頻特性：描述系統(tǒng)在不同頻率下的相位差。

(3)奈奎斯特準則：判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。

2.2.3根軌跡法

根軌跡法是分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的另一種方法，通過繪制系統(tǒng)閉環(huán)極點的變

化軌跡，研究系統(tǒng)在不同參數(shù)下的穩(wěn)定性。

2.3現(xiàn)代控制理論

現(xiàn)代控制理論是在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它以狀態(tài)空間法為基本

數(shù)學工具，研究線性時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的控制問題。

2.3.1狀態(tài)空間法

狀態(tài)空間法將系統(tǒng)的動態(tài)特性描述為一組狀態(tài)變量的微分方程，通過分析狀

態(tài)變量的演化過程，布系統(tǒng)功能進行評估和設(shè)計。

2.3.2狀態(tài)反饋和觀測器設(shè)計

狀態(tài)反饋是指將系統(tǒng)的狀態(tài)變量反饋到控制器中，以提高系統(tǒng)功能。觀測器

設(shè)計則是利用系統(tǒng)的輸入輸出信息，估計不可測量的狀態(tài)變量。

2.3.3最優(yōu)控制理論

最優(yōu)控制理論旨在尋找使系統(tǒng)功能指標達到最優(yōu)的控制策略。主要包括線性

二次型調(diào)節(jié)器（LQR）和模型預(yù)測控制（MPC）等方法。

通過以上介紹，本章對控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和相關(guān)理論進行了闡述。在后續(xù)

章節(jié)中，我們將進一步探討這些理論在工業(yè)自動叱技術(shù)中的應(yīng)用。

第3章傳感器與執(zhí)行器

3.1傳感器技術(shù)概述

傳感器作為工業(yè)自動化系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，其主要功能是對各種物

理量進行檢測，并將檢測到的信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出，以便控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的

處理。傳感器技術(shù)的核心內(nèi)容包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號處理電路及輸出接

口等。本章將從傳感器的工作原理、分類、功能評價等方面進行概述。

3.1.1傳感器的工作原理

傳感器的工作原理主要基于物理、化學、生物等效應(yīng)，將非電量的物理量轉(zhuǎn)

換為電量，從而實現(xiàn)信息的檢測。常見的傳感器工作原理包括電磁感應(yīng)、光電效

應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)等。

3.1.2傳感器的分類

根據(jù)傳感器的工作原理、用途和輸出信號等不同特點，可以將傳感器分為以

下幾類：

（1）物理傳感器：利用物理效應(yīng)進行檢測，如溫度傳感器、壓力傳感器等;

（2）化學傳感器：利用化學效應(yīng)進行檢測，如氣體傳感器、濕度傳感器等;

（3）生物傳感器：利用生物材料進行檢測，如生物電傳感器、生物化學傳

感器等；

（4）光電傳感器：利用光電效應(yīng)進行檢測，如光強傳感器、紅外傳感器等;

（5）光纖傳感器：利用光纖作為敏感元件進行檢測，如光纖溫度傳感器、

光纖應(yīng)變傳感器等。

3.1.3傳感器的功能評價

傳感器的功能評價主要包括以下幾個方面：

（1）靈敏度：表示傳感器對被測量物理量的響應(yīng)程度；

（2）線性度：表示傳感器輸出信號與輸入信號之間的線性關(guān)系；

（3）重復(fù)性：表示傳感器在多次測量同一物理量時輸出信號的穩(wěn)定性；

（4）精度：表示好感器輸出信號與實際值之間的偏差；

（5）分辨率：表示傳感器能夠分辨的最小輸入物理量；

（6）響應(yīng)時間：表示傳感器從接收輸入信號到輸出穩(wěn)定信號所需的時間；

（7）可靠性：表示傳感器在規(guī)定時間內(nèi)正常工作的概率。

3.2常用傳感器及其應(yīng)用

在實際工業(yè)自動化系統(tǒng)中，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，選用合適的傳感器。以下

介紹幾種常用傳感器及其應(yīng)用。

3.2.1溫度傳感器

溫度傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。常見的溫度

傳感器有熱電阻、熱電偶、集成電路溫度傳感器等。

3.2.2壓力傳感器

壓力傳感器主要用于工業(yè)自動化中的壓力測量與控制，如流體壓力、氣體壓

力等。常見的壓力傳感器有壓電式、電容式、應(yīng)變式等。

3.2.3流量傳感器

流量傳感器用于檢測流體的流量，廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品等行業(yè)。常

見的流量傳感器有電磁式、超聲波式、渦街式等。

3.2.4位移傳感器

位移傳感器用于測量物體的位移，廣泛應(yīng)用于機械制造、等領(lǐng)域。常見的位

移傳感器有電感式、電容式、磁電式等。

3.2.5光電傳感器

光電傳感器利用光電效應(yīng)，廣泛應(yīng)用于物體檢測、計數(shù)、位置控制等場景。

常見的光電傳感器有反射式、對射式、透過式等。

3.3執(zhí)行器原理與應(yīng)用

執(zhí)行器是工業(yè)自動化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，其功能是根據(jù)控制信號對生產(chǎn)過程

進行調(diào)節(jié)、控制。本節(jié)主要介紹幾種常見的執(zhí)行器及其原理與應(yīng)用。

3.3.1電動執(zhí)行器

電動執(zhí)行器是利用電動機作為動力源，通過減速器、傳動機構(gòu)等驅(qū)動執(zhí)行元

件實現(xiàn)運動。常見的電動執(zhí)行器有電動調(diào)節(jié)閥、電動執(zhí)行機構(gòu)等。

3.3.2氣動執(zhí)行器

氣動執(zhí)行器是利用壓縮空氣作為動力源，通過氣動馬達、氣缸等驅(qū)動執(zhí)行元

件。氣動執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、安全可靠等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動

化領(lǐng)域。

3.3.3液壓執(zhí)行器

液壓執(zhí)行器是利用液體作為動力源，通過液壓泵、液壓缸等驅(qū)動執(zhí)行元件。

液壓執(zhí)行器具有輸出力大、運動平穩(wěn)等特點，適用于重載、高精度場合。

3.3.4電磁執(zhí)行器

電磁執(zhí)行器是利用電磁效應(yīng)產(chǎn)生磁力，驅(qū)動執(zhí)行元件運動。常見的電磁執(zhí)行

器有電磁鐵、電磁閥等，廣泛應(yīng)用于自動化控制、電磁鎖等場景。

3.3.5伺服執(zhí)行器

伺服執(zhí)行器是一種高精度、高響應(yīng)的執(zhí)行器，具有位置、速度、力矩等控制

功能。伺服執(zhí)行器廣泛應(yīng)用于、數(shù)控機床等高精度控制領(lǐng)域。

第4章電氣控制系統(tǒng)

4.1電氣控制基礎(chǔ)

4.1.1電氣控制概述

電氣控制技術(shù)是工業(yè)自動化技術(shù)的重要組成部分，通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)對

生產(chǎn)過程中各種機械設(shè)備和工藝流程的自動控制。電氣控制系統(tǒng)主要由控制元

件、控制電路和被控市象組成。

4.1.2控制元件的功能與分類

控制元件是電氣控制系統(tǒng)的核心，主要包括開關(guān)、繼電器、接觸器、控制器

等。它們根據(jù)控制系統(tǒng)要求，實現(xiàn)對被控對象的后動、停止、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等操作。

4.1.3控制電路的基本原理

控制電路是電氣控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要負責將控制信號傳遞給被控對

象。其基本原理是利用控制元件的不同組合和連接方式，實現(xiàn)對被控對象動作的

精確控制。

4.2常用電氣控制元件

4.2.1開關(guān)

開關(guān)是電氣控制系統(tǒng)中最基本、最常用的元件，主要包括刀開關(guān)、按鈕開關(guān)、

行程開關(guān)等。它們具有斷開或接通電路的功能。

4.2.2繼電器

繼電器是一種電控制設(shè)備，其工作原理是利用電磁力作用于機械觸點，實現(xiàn)

小電流控制大電流的目的。繼電器廣泛應(yīng)用于電色控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)信號的放大、

轉(zhuǎn)換和隔離。

4.2.3接觸器

接觸器是一種自動化的控制電器，具有較大的觸點容量，用于頻繁接通和斷

開電路。接觸器廣泛應(yīng)用于電機控制、照明控制等領(lǐng)域。

4.2.4控制器

控制器是電氣控制系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)和穩(wěn)定被控對象工作狀態(tài)的元件，主要包

括電機控制器、溫度控制器、壓力控制器等。

4.3電氣控制電路設(shè)計

4.3.1設(shè)計原則

電氣控制電路設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：可靠性、安全性、經(jīng)濟性、便于維修和

操作。同時應(yīng)考慮系統(tǒng)的擴展性和兼容性。

4.3.2設(shè)計步驟

（1）確定控制充?象及控制要求；

（2）選擇合適的控制元件；

（3）繪制控制電路圖；

（4）進行電路仿真和調(diào)試；

（5）確定最終設(shè)計方案。

4.3.3設(shè)計注意事項

（1）合理選擇控制元件，保證其功能滿足系統(tǒng)要求；

（2）電氣控制電路應(yīng)具備良好的抗干擾能力；

（3）保證控制電路的可靠性和安全性，防止誤操作；

（4）考慮控制系統(tǒng)的工作環(huán)境，采取相應(yīng)的防護措施：

（5）注重電路的布線及布局，便于維修和調(diào)試。

第5章可編程邏輯控制器（PLC）

5.1PLC概述

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController,簡稱PLC）是一種

廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的數(shù)字運算控制器。它采用可編程存儲器，用于

存儲用戶編制的控制邏輯、運算程序和系統(tǒng)參數(shù)，并能通過數(shù)字或模擬式輸入/

輸出接口，控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、

編程靈活、擴展方便等優(yōu)點，為現(xiàn)代工業(yè)自動化提供了有力支持。

5.2PLC的硬件與軟件系統(tǒng)

5.2.1硬件系統(tǒng)

PLC的硬件系統(tǒng)主要包括處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出模塊（I/O）、

通信接口、電源模塊等。

（1）處理單元（CPU）：是PLC的核心部分，負責執(zhí)行用戶程序、控制I/O

模塊以及與其他設(shè)備進行通信。

（2）存儲器：用于存儲用戶編制的控制邏輯、運算程序和系統(tǒng)參數(shù)。主要

包括隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。

（3）輸入/輸出模塊（I/O）：負責將外部信號轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部信號，或?qū)?/p>

PLC內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換為外部信號，以實現(xiàn)對外部設(shè)各的控制。

（4）通信接口:用于實現(xiàn)PLC與其他設(shè)備或PLC之間的數(shù)據(jù)交換和通信。

（5）電源模塊：為PLC各部分提供穩(wěn)定、可靠的電源。

5.2.2軟件系統(tǒng)

PLC的軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

（1）系統(tǒng)軟件：負責管理PLC的硬件資源，提供操作系統(tǒng)、編程語言解釋

器等基礎(chǔ)功能。

（2）應(yīng)用軟件：用于編寫用戶控制邏輯和程序，包括編程語言（如梯形圖、

指令表、功能塊圖等）和編程工具。

5.3PLC編程與應(yīng)用

PLC編程是實現(xiàn)工'也自動化控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PLC編程主要包括以下步驟：

（1）分析控制需求：明確控制目標、輸入輸出信號、控制邏輯等。

（2）選擇編程語言：根據(jù)實際需求，選擇合適的編程語言，如梯形圖、指

令表、功能塊圖等。

（3）編寫控制程序：利用編程軟件，按照控制需求編寫控制程序。

（4）調(diào)試與優(yōu)化：將編寫好的程序到PLC中，進行現(xiàn)場調(diào)試，并根據(jù)實際

情況進行優(yōu)化。

PLC廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，如機床控制、生產(chǎn)線自動化、電

力系統(tǒng)、樓宇自動化等。其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

（1）開關(guān)量控制：實現(xiàn)各種開關(guān)量的邏輯控制，如啟動、停止、互鎖等。

（2）模擬量控制：實現(xiàn)對溫度、壓力、流量等模擬量的監(jiān)測與控制°

（3）運動控制：實現(xiàn)機械設(shè)備的運動控制，如定位、速度控制等。

（4）通信與聯(lián)網(wǎng)：實現(xiàn)PLC與其他設(shè)備或PLC之間的數(shù)據(jù)交換和通信，提

高生產(chǎn)過程的自動化程度。

（5）數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控：對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進行實時采集、處理和監(jiān)控，

提高生產(chǎn)效率和管理水平。

第6章變頻調(diào)速與伺服控制

6.1電機調(diào)速技術(shù)概述

電機調(diào)速技術(shù)是工業(yè)自動化領(lǐng)域的重要組成部分，其主要目的是根據(jù)生產(chǎn)過

程的需求，調(diào)整電機的工作速度，從而實現(xiàn)高效、精確的控制。電機調(diào)速技術(shù)具

有節(jié)能、降耗和提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點。本節(jié)將簡要介紹電機調(diào)速技術(shù)的分類、原

理及其在工業(yè)自動化中的應(yīng)用。

6.1.1電機調(diào)速技術(shù)分類

電機調(diào)速技術(shù)主要分為以下幾種：

（1）電阻調(diào)速：通過改變電機繞組的附加電阻，實現(xiàn)調(diào)速目的。該方法簡

單、成本較低，但能效較低，適用于小功率電機。

（2）電磁調(diào)速：通過調(diào)節(jié)電機勵磁電流，改變電機轉(zhuǎn)速。該調(diào)速方法具有

較好的調(diào)速功能，但系統(tǒng)復(fù)雜，適用于大功率電機。

（3）變頻調(diào)速：通過改變電機供電頻率，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。該技術(shù)具

有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、能效高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類電機。

（4）伺服控制：采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和位置的精確控制。

伺服控制技術(shù)具有響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適用于高精度控制場

入口。

6.1.2電機調(diào)速技術(shù)原理

電機調(diào)速技術(shù)原理主要涉及電磁感應(yīng)、電磁力以及電機動力學等方面。以下

簡要介紹幾種常見的調(diào)速技術(shù)原理：

（1）電阻調(diào)速：通過改變電機繞組的附加電阻，影響電機的輸入電壓和電

流，從而改變電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

（2）電磁調(diào)速：通過調(diào)節(jié)電機勵磁電流，改變電機磁場的強度，進而影響

電機的轉(zhuǎn)速0

（3）變頻調(diào)速：根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與供電頻率的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)供電頻率，實

現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

（4）伺服控制：通過位置、速度等反饋信號，對電機進行精確控制，使電

機輸出滿足特定要求。

6.1.3電機調(diào)速技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

電機調(diào)速技術(shù)在工業(yè)自動化中具有廣泛的應(yīng)用，例如：

（1）生產(chǎn)線調(diào)速：根據(jù)生產(chǎn)速度需求，對輸送帶、分揀機等設(shè)備進行調(diào)速,

提高生產(chǎn)效率。

（2）控制：通過伺服控制技術(shù)，實現(xiàn)對各關(guān)節(jié)的精確控制，提高操作的靈

活性和穩(wěn)定性。

（3）恒壓供水：利用變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)水泵的恒壓供水，節(jié)能效果顯著。

（4）風機、泵類負載控制：通過變頻調(diào)速，實現(xiàn)風機、泵類負載的流量、

壓力控制，節(jié)能降耗。

6.2變頻器工作原理與應(yīng)用

6.2.1變頻器工作原理

變頻器（Inverter）是一種電力電子裝置，其主要功能是將固定頻率的交流

電源轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率的交流電源，從而實現(xiàn)電機調(diào)速。變頻器主要由整流器、濾

波器、逆變器及控制電路組成。

（1）整流器：將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。

（2）濾波器：市整流后的直流電源進行濾波，提高電源質(zhì)量。

（3）逆變器：將直流電源轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率的交流電源。

（4）控制電路：根據(jù)給定信號，對逆變器進行控制，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

6.2.2變頻器應(yīng)用

變頻器在工業(yè)自動化中具有廣泛的應(yīng)用，主要包括以下幾個方面：

（1）電機調(diào)速：通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的精確控制。

（2）節(jié)能：根據(jù)負載需求，自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，降低能耗。

（3）軟啟動：減小電機啟動時的沖擊電流，降低對電網(wǎng)的沖擊。

（4）保護功能：具有過流、過壓、欠壓等保護功能，提高電機運行的安全

性.

6.3伺服控制系統(tǒng)

6.3.1伺服控制系統(tǒng)概述

伺服控制系統(tǒng)（ServoControlSystem）是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要用于實

現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和位置的精確控制。伺服控制系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動器、伺服電機、

反饋裝置及控制算法組成。

6.3.2伺服控制系統(tǒng)工作原理

伺服控制系統(tǒng)工作原理如下：

（1）控制器：根據(jù)給定的控制指令，對應(yīng)的控制信號。

（2）伺服驅(qū)動器：接收控制信號，對伺服電機進行控制。

（3）伺服電機：根據(jù)驅(qū)動器指令，輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和位置。

（4）反饋裝置：實時監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速和位置，將反饋信號發(fā)送至控制器。

（5）控制算法：根據(jù)反饋信號，調(diào)整控制信號，使電機輸出滿足要求。

6.3.3伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用

伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中具有廣泛的應(yīng)用，主要包括以下幾個方面：

（1）控制：實現(xiàn)對各關(guān)節(jié)的精確控制，提高操作的靈活性和穩(wěn)定性。

（2）數(shù)控機床：實現(xiàn)對機床軸運動的精確控制，提高加工精度。

（3）位置控制：實現(xiàn)對物體位置的高精度控制，如激光切割、焊接等。

（4）速度控制：實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確控制，如風力發(fā)電、電梯等。

第7章工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)

7.1工業(yè)通信基礎(chǔ)

工業(yè)通信作為工業(yè)自動化技術(shù)的重要組成部分，承擔著連接各個設(shè)備、實現(xiàn)

數(shù)據(jù)交換和共享的關(guān)鍵任務(wù)。本節(jié)將從工業(yè)通信的基本概念、通信協(xié)議和通信技

術(shù)等方面進行介紹。

7.1.1基本概念

工業(yè)通信涉及的主要概念包括：通信介質(zhì)、通信協(xié)議、通信接口、通信速率

等。了解這些基本概念有助于深入理解工業(yè)通信的原理和實現(xiàn)方法。

7.1.2通信協(xié)議

工業(yè)通信協(xié)議包括Modbus、Profibus.CAN、TCP/IP等，它們規(guī)定了數(shù)據(jù)傳

輸?shù)母袷?、速率、錯誤檢測等標準。選擇合適的通信協(xié)議對于保證通信的穩(wěn)定性

和可靠性具有重要意義。

7.1.3通信技術(shù)

工業(yè)通信技術(shù)包括有線通信和無線通信兩大類。有線通信技術(shù)如以太網(wǎng)、

RS485等，具有傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強等特點；無線通信技術(shù)如WiFi、藍牙、

ZigBce等，具有安裝便捷、靈活性強等優(yōu)點。

7.2現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線技術(shù)是工業(yè)自動化領(lǐng)域的一種重要通信技術(shù)，主要用于連接現(xiàn)場設(shè)

備與控制系統(tǒng)。本節(jié)將介紹現(xiàn)場總線的基本概念、技術(shù)特點和應(yīng)用實例。

7.2.1基本概念

現(xiàn)場總線是一種用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。它

具有全分布式、數(shù)字通信、多節(jié)點、實時性等特點。

7.2.2技術(shù)特點

現(xiàn)場總線技術(shù)具有以下特點：

（1）簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本；

（2）實現(xiàn)了設(shè)備間的數(shù)字通信，提高了通信速率和可靠性；

（3）支持多節(jié)點通信，便于系統(tǒng)擴展；

（4）具有實時性，滿足工業(yè)現(xiàn)場對通信速度的要求。

7.2.3應(yīng)用實例

現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如Profibus>Foundation

Fieldbus、LonWorks等。這些現(xiàn)場總線技術(shù)在電力、石油化工、制造等行業(yè)取

得了良好的應(yīng)用效果。

7.3工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的以太網(wǎng)技術(shù)，具有傳輸速度快、兼容性好、

成本低等優(yōu)點。本節(jié)將介紹工業(yè)以太網(wǎng)的基本原理、技術(shù)特點和應(yīng)用場景。

7.3.1基本原理

工業(yè)以太網(wǎng)基于IEEE802.3標準，采用星型、環(huán)型、總線型等拓撲結(jié)構(gòu)，

實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備之間的通信。

7.3.2技術(shù)特點

工業(yè)以太網(wǎng)具有以下技術(shù)特點：

(1)高速傳輸：提供10Mbps、100Mbps、1000Mbps等不同速率的傳輸;

(2)良好的兼容性：與商業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)兼容，便于集成；

(3)抗干擾能力強：適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境；

(4)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：如TCP/IP、Modbus/TCP等。

7.3.3應(yīng)用場景

工業(yè)以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于工廠自動化、過程控制、智能制造等領(lǐng)域，如生產(chǎn)線

的實時監(jiān)控、遠程控制、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓鼍?。通過工業(yè)以太網(wǎng)，企業(yè)可以實現(xiàn)高

效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信，提高生產(chǎn)效率。

第8章工業(yè)技術(shù)

8.1工業(yè)概述

工業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的重要組成部分，已經(jīng)成為提高生產(chǎn)效率、降

低生產(chǎn)成本、改善勞動條件的關(guān)鍵設(shè)備。工業(yè)能夠在各種環(huán)境中完成多種任務(wù)，

包括焊接、裝配、搬運、噴涂等。本章主要介紹工業(yè)的基本概念、分類、功能指

標及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

8.2工業(yè)的結(jié)構(gòu)與原理

8.2.1結(jié)構(gòu)組成

工業(yè)通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和輔助設(shè)備五部分

組成。

（1）執(zhí)行機構(gòu)：負責完成各種作業(yè)任務(wù)，包括臂部、手腕和末端執(zhí)行器。

（2）驅(qū)動系統(tǒng)：將電能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成指定動作。

（3）控制系統(tǒng)：負責對整個系統(tǒng)進行控制、調(diào)度和監(jiān)控。

（4）傳感器系統(tǒng)：用于檢測執(zhí)行任務(wù)過程中的各種信息，為控制系統(tǒng)提供

反饋。

（5）輔助設(shè)備：包括工具、夾具、輸送設(shè)備等，用于協(xié)助完成特定任務(wù)。

8.2.2工作原理

工業(yè)通過控制系統(tǒng)接收指令，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的動作。控制系統(tǒng)根據(jù)

傳感器反饋的信息，實時調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的運動軌跡和速度，保證任務(wù)的精確完成。

8.3工業(yè)編程與應(yīng)用

8.3.1編程方法

工業(yè)編程方法主要包括示教編程和離線編程。

（1）示教編程：通過操作人員的現(xiàn)場示教，記錄的運動軌跡和姿態(tài)，程序。

（2）離線編程：在計算機上使用專門的軟件進行編程，程序，然后到控制

系統(tǒng)中。

8.3.2應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)在以下領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用：

（1）制造業(yè)：焊接、裝配、搬運、噴涂、打磨等。

（2）電子電器行業(yè)：芯片貼片、插件、檢測等。

（3）食品行業(yè)：包裝、搬運、切割等。

（4）醫(yī)療領(lǐng)域：手術(shù)輔助、康復(fù)訓練等。

（5）危險環(huán)境：核輻射、化學污染等環(huán)境下的作業(yè)。

通過本章的介紹，希望讀者能夠?qū)I(yè)技術(shù)有一個全面的認識，并在實際生

產(chǎn)中充分發(fā)揮其作用。

第9章智能制造與物聯(lián)網(wǎng)

9.1智能制造概述

智能制造是工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的高級階段，其核心是利用現(xiàn)代信息技術(shù)和

人工智能技術(shù)，實現(xiàn)制造過程的高效、靈活和智能。智能制造通過集成設(shè)計、生

產(chǎn)、管理、服務(wù)等各個環(huán)節(jié)，形成高度智能化的生產(chǎn)模式，為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升

級提供強大動力。

9.1.1智能制造的定義與特點

智能制造是指在制造過程中，通過集成計算、通信、控制、傳感等先進技術(shù),

實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、制造過程、管理決策的智能化。其主要特點包括：

（1）高度自動化：智能制造通過自動化設(shè)備、等替代人工完成生產(chǎn)任務(wù)，

提高生產(chǎn)效率。

（2）數(shù)據(jù)驅(qū)動：智能制造依賴于海量數(shù)據(jù)的收集、處理和分析，實現(xiàn)生產(chǎn)

過程的優(yōu)化。

（3）實時性：智能制造系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測生產(chǎn)過程，快速響應(yīng)各類異常情

況。

（4）自適應(yīng)：智能制造系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境變化，自動調(diào)整生產(chǎn)策略。

（5）網(wǎng)絡(luò)化：智能制造通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通,

提高生產(chǎn)協(xié)同效率。

9.1.2智能制造的關(guān)鍵技術(shù)

智能制造的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：智能感知技術(shù)、智能決策技術(shù)、智能控制技

術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等。

（1）智能感知技術(shù)：通過傳感器、視覺系統(tǒng)等，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中各種參數(shù)

的實時監(jiān)測。

（2）智能決策技術(shù)：利用人工智能、機器學習等技術(shù)，對生產(chǎn)過程中的數(shù)

據(jù)進行分析，為決策提供支持。

（3）智能控制技術(shù)：通過控制