工業(yè)自動化生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)書

第1章工業(yè)自動化概述............................................................4

1.1自動化發(fā)展歷程...........................................................4

1.1.1機(jī)械化階段.............................................................4

1.1.2電氣化階段.............................................................4

1.1.3電子化階段.............................................................5

1.1.4智能化階段.............................................................5

1.2工業(yè)自動化系統(tǒng)組成......................................................5

1.2.1傳感器與執(zhí)行器.........................................................5

1.2.2控制器.................................................................5

1.2.3驅(qū)動與傳動系統(tǒng).........................................................5

1.2.4通信網(wǎng)絡(luò)...............................................................5

1.2.5人機(jī)界面...............................................................5

1.3工業(yè)自動化發(fā)展趨勢.......................................................5

1.3.1智能化.................................................................6

1.3.2網(wǎng)絡(luò)化.................................................................6

1.3.3集成化.................................................................6

1.3.4綠色化.................................................................6

1.3.5安全性.................................................................6

第2章自動化設(shè)備選型與安裝......................................................6

2.1設(shè)備選型原則.............................................................6

2.1.1適用性原則.............................................................6

2.1.2可靠性原則.............................................................6

2.1.3先進(jìn)性原則.............................................................6

2.1.4經(jīng)濟(jì)性原則.............................................................6

2.1.5安全性原則.............................................................6

2.2設(shè)備安裝與調(diào)試...........................................................7

2.2.1設(shè)備安裝...............................................................7

2.2.2設(shè)備調(diào)試...............................................................7

2.3設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)...........................................................7

2.3.1日常維護(hù)...............................................................7

2.3.2定期檢修..............................................................7

2.3.3設(shè)備改造與升級........................................................7

第3章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計..........................................................7

3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計.........................................................7

3.1.1控制器選型.............................................................7

3.1.2傳感器與執(zhí)行器.........................................................8

3.1.3驅(qū)動電路設(shè)計...........................................................8

3.1.4電氣接口設(shè)計.......................................................8

3.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.........................................................8

3.2.1控制算法.............................................................8

3.2.2程序結(jié)構(gòu)設(shè)計..........................................................8

3.2.3編程與調(diào)試.............................................................8

3.2.4通信協(xié)議設(shè)計...........................................................8

3.3電氣控制系統(tǒng)的實現(xiàn).......................................................8

3.3.1硬件安裝與接線.........................................................8

3.3.2軟件編程與調(diào)試.........................................................8

3.3.3系統(tǒng)集成與調(diào)試.........................................................9

3.3.4系統(tǒng)優(yōu)化與維護(hù).........................................................9

第4章PLC編程與應(yīng)用.............................................................9

4.1PLC基礎(chǔ)知識..............................................................9

4.1.1PLC的定義與作用.......................................................9

4.1.2PLC的組成結(jié)構(gòu)..........................................................9

4.1.3PLC的工作原理..........................................................9

4.2PLC編程語言..............................................................9

4.2.1梯形圖(LadderDiagram,LD)..........................................9

4.2.2指令歹ij表(InstructionList,IL)......................................9

4.2.3功能塊圖(FunctionBlockDiagram,FBI))................................9

4.2.4結(jié)構(gòu)化文本(StructuredText,ST)....................................10

4.3PLC應(yīng)用案例分析.........................................................10

4.3.1案例一：PLC在包裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用.....................................10

4.3.2案例二：PLC在電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用...................................10

4.3.3案例三：PLC在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用...................................10

第5章傳感器與執(zhí)行器...........................................................10

5.1傳感器原理與應(yīng)用........................................................11

5.1.1傳感器概述............................................................11

5.1.2傳感器原理............................................................11

5.1.3傳感器應(yīng)用............................................................11

5.2執(zhí)行器原理與應(yīng)用........................................................11

5.2.1執(zhí)行器概述............................................................11

5.2.2執(zhí)行器原理............................................................11

5.2.3執(zhí)行器應(yīng)用............................................................11

5.3傳感器與執(zhí)行器的選型與安裝.............................................12

5.3.1傳感器選型............................................................12

5.3.2執(zhí)行器選型............................................................12

5.3.3傳感器與執(zhí)行器的安裝..................................................12

第6章工業(yè)通信技術(shù).............................................................12

6.1通信協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)..........................................................12

6.1.1通信協(xié)議概述..........................................................13

6.1.2常用通信協(xié)議..........................................................13

6.1.3通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn).........................................................13

6.2現(xiàn)場總線技術(shù)............................................................13

6.2.1現(xiàn)場總線概述..........................................................13

6.2.2常用現(xiàn)場總線技術(shù)......................................................13

6.2.3現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢....................................................13

6.3工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)..........................................................14

6.3.1工業(yè)以太網(wǎng)概述........................................................14

6.3.2常用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)....................................................14

6.3.3工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用.................................................14

第7章機(jī)器視覺與應(yīng)用...........................................................14

7.1機(jī)器視覺系統(tǒng)組成.......................................................14

7.1.1攝像頭................................................................14

7.1.2光源..................................................................15

7.1.3圖像處理軟件.........................................................15

7.1.4傳感器與執(zhí)行器.......................................................15

7.2基礎(chǔ)知識................................................................15

7.2.1類型..................................................................15

7.2.2結(jié)構(gòu)..................................................................15

7.2.3功能指標(biāo).............................................................15

7.3編程與控制.............................................................15

7.3.1編程語言.............................................................15

7.3.2控制策略.............................................................15

7.3.3路徑規(guī)劃..............................................................15

7.4機(jī)器視覺與應(yīng)用案例.....................................................1G

7.4.1汽車零部件裝配.......................................................16

7.4.2電子元器件檢則.......................................................16

7.4.3食品飲料行業(yè).........................................................16

7.4.4醫(yī)療器械組裝..........................................................16

第8章自動化生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化.....................................................16

8.1生產(chǎn)調(diào)度策略............................................................16

8.1.1調(diào)度策略概述.........................................................16

8.1.2先來先服務(wù)(FCFS)策略...............................................16

8.1.3短作業(yè)優(yōu)先(SJF)策略................................................16

8.1.4優(yōu)先級調(diào)度策略........................................................16

8.1.5輪詢(RoundRobin)調(diào)度策略..........................................17

8.2生產(chǎn)過程優(yōu)化方法.......................................................17

8.2.1優(yōu)化方法概述.........................................................17

8.2.2線性規(guī)劃.............................................................17

8.2.3整數(shù)規(guī)劃.............................................................17

8.2.4非線性規(guī)劃...........................................................17

8.2.5遺傳算法.............................................................17

8.3自動化生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計................................................17

8.3.1系統(tǒng)架構(gòu).............................................................17

8.3.2數(shù)據(jù)采集與處理.......................................................17

8.3.3調(diào)度算法實現(xiàn).........................................................18

8.3.4系統(tǒng)集成與測試.......................................................18

8.3.5系統(tǒng)運行與維護(hù).......................................................18

第9章設(shè)備故障診斷與維護(hù).......................................................18

9.1設(shè)備故障診斷方法........................................................18

9.1.1故障樹分析法..........................................................18

9.1.2邏輯診斷法............................................................18

9.1.3模糊診斷法............................................................18

9.1.4人工智能診斷法........................................................18

9.2預(yù)防性維護(hù)策略..........................................................18

9.2.1定期維護(hù)..............................................................18

9.2.2預(yù)測性維護(hù)............................................................19

9.2.3狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警....................................................19

9.3設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)........................................................19

9.3.1設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)的功能...............................................19

9.3.2設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)的構(gòu)建...............................................19

9.3.3設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用...............................................19

9.3.4設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)的優(yōu)化...............................................19

第10章自動化生產(chǎn)安全與環(huán)保....................................................19

10.1安全生產(chǎn)法律法規(guī).......................................................19

10.2自動化生產(chǎn)安全措施.....................................................19

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

10.2.2人員安全.............................................................20

10.2.3環(huán)境安全.............................................................20

10.3環(huán)保與節(jié)能技術(shù).........................................................20

10.3.1環(huán)保技術(shù).............................................................20

10.3.2節(jié)能技術(shù).............................................................20

10.4環(huán)境友好型自匆化生產(chǎn)實踐..............................................20

10.4.1某企業(yè)通過引進(jìn)先進(jìn)的自動化生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)效率，降低了能源消耗和廢

棄物排放。..................................................................20

10.4.2某企業(yè)對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行分類回收，實現(xiàn)了資源的再利用，減輕

了對環(huán)境的負(fù)擔(dān)。...........................................................20

10.4.3某企業(yè)采用常能型自動化設(shè)備，降低了生產(chǎn)過程中的碳排放，為我國實現(xiàn)碳減

排目標(biāo)做出了貢獻(xiàn)。.........................................................20

第1章工業(yè)自動化概述

1.1自動化發(fā)展歷程

自動化技術(shù)的發(fā)展歷程可追溯至20世紀(jì)初。工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人

類對于生產(chǎn)效率和質(zhì)量的要求不斷提高，自動化技術(shù)應(yīng)運而生。從最初的機(jī)械自

動化，發(fā)展到今天的智能化自動化，其發(fā)展歷程可分為以下幾個階段：

1.1.1機(jī)械化階段

20世紀(jì)初至20世紀(jì)40年代，主要以機(jī)械自動化為主。這一階段的自動化

主要依賴于機(jī)械裝置，如凸輪、齒輪等，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的簡單控制。

1.1.2電氣化階段

20世紀(jì)50年代至20世紀(jì)70年代，電氣自動化逐漸取代了機(jī)械自動化。這

一階段的自動化以繼電器、接觸器等電氣元件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程更為精

確的控制。

1.1.3電子化階段

20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，電子自動化逐漸成為主流。這一階段以可編

程邏輯控制器（PLC）為代表，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的數(shù)字化、程序化控制。

1.1.4智能化階段

21世紀(jì)初至今，工業(yè)自動化進(jìn)入智能化階段。計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、人

工智能等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化系統(tǒng)逐漸具備智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化等特點。

1.2工業(yè)自動化系統(tǒng)組成

工業(yè)自動化系統(tǒng)主要由以下兒部分組成：

1.2.1傳感器與執(zhí)行器

傳感器負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)過程中的各種信息，如溫度、壓力、流量等，并將這些

信息轉(zhuǎn)換為可處理的信號。執(zhí)行器根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

1.2.2控制器

控制器是工業(yè)自動化系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)接收傳感器的信號，按照預(yù)設(shè)的

控制策略，輸出控制信號給執(zhí)行潛。常見的控制將有可編程邏輯控制潛（PLC）、

工業(yè)控制計算機(jī)等。

1.2.3驅(qū)動與傳動系統(tǒng)

驅(qū)動與傳動系統(tǒng)負(fù)責(zé)將控制器的控制信號轉(zhuǎn)奏為執(zhí)行器的動作。常見的驅(qū)動

與傳動裝置有電機(jī)、氣動裝置、液壓裝置等。

1.2.4通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)工.業(yè)自動化系統(tǒng)中各個設(shè)備、控制器、上位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸

的紐帶。常見的通信網(wǎng)絡(luò)有以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等。

1.2.5人機(jī)界面

人機(jī)界面（HMI）負(fù)責(zé)實現(xiàn)人與自動化系統(tǒng)之間的交互。操作人員可通過人

機(jī)界面監(jiān)控生產(chǎn)過程、調(diào)整控制參數(shù)等。

1.3工業(yè)自動化發(fā)展趨勢

科技的發(fā)展，工業(yè)自動化呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢:

1.3.1智能化

工業(yè)自動化系統(tǒng)將更加智能化，通過引入人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)生

產(chǎn)過程的智能優(yōu)化、故障預(yù)測等功能。

1.3.2網(wǎng)絡(luò)化

工業(yè)自動化系統(tǒng)將實現(xiàn)更高程度的網(wǎng)絡(luò)化，設(shè)備之間、工廠之間的互聯(lián)互通

將更加緊密，為生產(chǎn)管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等提供便利。

1.3.3集成化

工業(yè)自動化系統(tǒng)將實現(xiàn)各子系統(tǒng)的高度集成,提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1.3.4綠色化

工業(yè)自動化系統(tǒng)將更加注重節(jié)能、環(huán)保，通過優(yōu)化生產(chǎn)過程，減少資源消耗

和污染排放。

1.3.5安全性

工業(yè)自動化系統(tǒng)將加強(qiáng)對生產(chǎn)過程中安全風(fēng)險的防控，提高系統(tǒng)的安全功

能，保障生產(chǎn)安全。

第2章自動化設(shè)備選型與安裝

2.1設(shè)備選型原則

2.1.1適用性原則

在選擇自動化設(shè)備時，首先應(yīng)考慮設(shè)備是否適用于生產(chǎn)線的工藝要求。設(shè)備

的功能、功能和技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足生產(chǎn)需求，保證生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。

2.1.2可靠性原則

設(shè)備選型時，應(yīng)優(yōu)先考慮具有高可靠性、低故障率的設(shè)備。設(shè)備的可靠性直

接影響到生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行和生產(chǎn)效率。

2.1.3先進(jìn)性原則

在滿足生產(chǎn)需求的前提下，應(yīng)選擇技術(shù)先進(jìn)、功能優(yōu)良的設(shè)備。這有助丁提

高生產(chǎn)效率、降低能耗、減少維護(hù)成本。

2.1.4經(jīng)濟(jì)性原則

設(shè)備選型應(yīng)充分考慮投資預(yù)算，力求在滿足生產(chǎn)需求的前提下，實現(xiàn)投資回

報最大化。同時要考慮設(shè)備的運行成本、維護(hù)成本和備品備件成本。

2.1.5安全性原則

設(shè)備選型要遵循國家相關(guān)安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，保證設(shè)備在運行過程中對操作人

員、生產(chǎn)環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量的安全。

2.2設(shè)備安裝與調(diào)試

2.2.1設(shè)備安裝

（1）根據(jù)設(shè)備安裝圖紙和工藝要求，進(jìn)行設(shè)備基礎(chǔ)施工。

（2）按照設(shè)備說明書和安裝規(guī)范，進(jìn)行設(shè)備組裝和安裝。

（3）保證設(shè)備安裝位置、方向和高度符合工藝要求。

（4）設(shè)備安裝完成后，進(jìn)行初步檢查，保證設(shè)備安裝牢固、穩(wěn)定。

2.2.2設(shè)備調(diào)試

（1）對設(shè)備進(jìn)行單體調(diào)試，檢查設(shè)備各項功能是否正常。

（2）進(jìn)行聯(lián)動調(diào)試，保證設(shè)備之間協(xié)同工作，滿足生產(chǎn)要求。

（3）對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，降低故障率。

（4）對設(shè)備進(jìn)行負(fù)載試驗，驗證設(shè)備在實際工作條件下的功能。

2.3設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)

2.3.1日常維護(hù)

（1）定期對設(shè)備進(jìn)行清潔、潤滑、緊固等常規(guī)保養(yǎng)。

（2）檢查設(shè)備運行狀態(tài)，發(fā)覺異常及時處理。

（3）定期更換易損件，保證設(shè)備正常運行。

2.3.2定期檢修

（1）根據(jù)設(shè)備運行情況，制定合理的檢修計劃。

（2）對設(shè)備進(jìn)行定期拆解、檢查、維修，保證設(shè)備功能。

（3）對設(shè)備的關(guān)鍵部件進(jìn)行重點檢查，防止設(shè)備故障。

2.3.3設(shè)備改造與升級

（1）針對設(shè)備功能不足或生產(chǎn)需求變化，進(jìn)行設(shè)備改造。

（2）引入新技術(shù)、新設(shè)備，提高生產(chǎn)線的自動化水平。

（3）淘汰落后設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

第3章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1控制器選型

根據(jù)工業(yè)自動化生產(chǎn)需求，選擇合適的控制器是關(guān)鍵。本章節(jié)主要介紹控制

器選型的原則和方法，包括控制器功能、輸入輸出端口數(shù)量、通信接口、編程環(huán)

境等因素。

3.1.2傳感器與執(zhí)行器

介紹在電氣控制系統(tǒng)中常用的傳感器和執(zhí)行器類型，以及如何根據(jù)實際生產(chǎn)

需求選擇合適的傳感器和執(zhí)行器。還包括傳感器與執(zhí)行器的接口設(shè)計。

3.1.3驅(qū)動電路設(shè)計

針對不同類型的執(zhí)行器，設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路。本節(jié)將重點介紹如何實現(xiàn)電

機(jī)、氣動、液壓等執(zhí)行器的驅(qū)動電路設(shè)計。

3.1.4電氣接口設(shè)計

詳細(xì)闡述控制系統(tǒng)與其他設(shè)備（如上位機(jī)、其他控制系統(tǒng)等）的電氣接口設(shè)

計，包括信號類型、傳輸距離、抗干擾措施等。

3.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1控制算法

根據(jù)生產(chǎn)過程需求，選擇合適的控制算法。本節(jié)將簡要介紹常見控制算法，

如PID、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

3.2.2程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

合理規(guī)劃控制程序結(jié)構(gòu)，提高程序的可讀性和可維護(hù)性。本節(jié)將闡述程序模

塊劃分、功能分配和接口設(shè)計等內(nèi)容。

3.2.3編程與調(diào)試

介紹控制程序編寫和調(diào)試方法，包括編程環(huán)境、編程語言、調(diào)試工具等。

3.2.4通信協(xié)議設(shè)計

針對多設(shè)備協(xié)同工作的場景，設(shè)計通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴１竟?jié)

將包括協(xié)議格式、數(shù)據(jù)編碼、校驗等設(shè)計內(nèi)容。

3.3電氣控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.3.1硬件安裝與接線

詳細(xì)描述控制器、傳感器、執(zhí)行器等硬件設(shè)備的安裝和接線過程。

3.3.2軟件編程與調(diào)試

按照設(shè)計好的程序結(jié)構(gòu)，編寫控制程序，并進(jìn)行調(diào)試。

3.3.3系統(tǒng)集成與調(diào)試

將電氣控制系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)(如機(jī)械、液壓等)進(jìn)行集成，并進(jìn)行聯(lián)合調(diào)

試。

3.3.4系統(tǒng)優(yōu)化與維護(hù)

根據(jù)實際運行情況,對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

同時介紹系統(tǒng)日常維護(hù)方法。

第4章PLC編程與應(yīng)用

4.1PLC基礎(chǔ)知識

4.1.1PLC的定義與作用

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

廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的數(shù)字運算控制器，其主要作用是控制機(jī)器或生產(chǎn)過

程的運行°PLC具有可靠性高、編程方便、擴(kuò)展靈活等特點，是實現(xiàn)工業(yè)自動化

生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。

4.1.2PLC的組成結(jié)構(gòu)

PLC通常由處理單元(CPU)、存儲器、輸入/輸出接口(I/O)、通信接口、

電源等部分組成。各部分協(xié)同工作，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

4.1.3PLC的工作原理

PLC的工作原理主要包括輸入采樣、程序執(zhí),行、輸出刷新三個階段。在輸入

采樣階段，PLC讀取輸入信號，將其存儲在輸入映像寄存器中；在程序執(zhí)行階段,

PLC按照用戶編程的邏輯關(guān)系進(jìn)行運算處理；在輸出刷新階段，PLC將處理結(jié)果

輸出到輸出映像寄存器，并通過輸出接口驅(qū)動執(zhí)行器。

4.2PLC編程語言

4.2.1梯形圖(LadderDiagram,LD)

梯形圖是PLC編程中最常用的圖形編程語言，其表示方式直觀、易于理解和

掌握。梯形圖主要由邏輯線圈、觸點、輸出線圈等元素組成。

4.2.2指令列表(InstructionList,IL)

指令列表是一種基于文本的編程語言，通過對指令的順序排列來實現(xiàn)邏輯控

制。指令列表編程簡潔，但可讀性相對較差。

4.2.3功能塊圖(FunctionBlockDiagram,FBD)

功能塊圖以功能塊為單位，通過圖形化的方式表示輸入、輸出和內(nèi)部變量之

間的關(guān)系。功能塊圖編程方便，易于模塊化設(shè)計。

4.2.4結(jié)構(gòu)化文本(StructuredText,ST)

結(jié)構(gòu)化文本是一種基于高級編程語言的文本描述方式，適用于編寫復(fù)雜邏輯

控制程序。ST編程具有較高的可讀性和可維護(hù)性。

4.3PLC應(yīng)用案例分析

4.3.1案例一：PLC在包裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用

背景：某包裝生產(chǎn)線需要對產(chǎn)品進(jìn)行定量分裝、封口、噴碼等工序。

解決方案：采用PLC對包裝機(jī)的各個執(zhí)行器進(jìn)行控制，實現(xiàn)以下功能：

(1)定量分裝：通過PLC控制稱重傳感器，實現(xiàn)精確的分裝；

(2)封口：PLC控制封口機(jī)完成封口操作；

(3)噴碼：PLC控制噴碼機(jī)在產(chǎn)品上進(jìn)行標(biāo)識.

4.3.2案例二：PLC在電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

背景：電梯控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)樓層召喚、轎廂內(nèi)指令、安全保護(hù)等功能。

解決方案：采用PLC對電梯進(jìn)行控制，實現(xiàn)以下功能：

(1)樓層召喚：PLC接收樓層召喚信號，棄根據(jù)電梯運行方向和狀態(tài)進(jìn)行

響應(yīng)；

(2)轎廂內(nèi)指令：PLC接收轎廂內(nèi)指令，棄根據(jù)電梯運行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)處

理；

(3)安全保護(hù)：PLC對電梯運行過程中的速度、位置等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，保

證運行安全。

4.3.3案例三：PLC在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

背景：污水處理系統(tǒng)需要實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)、設(shè)備運行監(jiān)控、報警等功能。

解決方案：采用PLC對污水處理設(shè)備進(jìn)行控制，實現(xiàn)以下功能：

(1)自動調(diào)節(jié)：PLC根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動調(diào)節(jié)設(shè)備運行參數(shù)；

(2)設(shè)備運行監(jiān)控：PLC實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，保證設(shè)備正常運行；

(3)報警功能：當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或運行異常時，PLC及時發(fā)出報警信號，

通知維護(hù)人員處理。

第5章傳感器與執(zhí)行器

5.1傳感器原理與應(yīng)用

5.1.1傳感器概述

傳感器作為一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信

息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、

處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)

節(jié)。

5.1.2傳感器原理

傳感器的工作原理基于物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等，常見的有電阻、

電容、電感、磁電、光電、熱電等原理。傳感器將感受到的物理量轉(zhuǎn)換成電信號,

從而實現(xiàn)對待測參數(shù)的檢測。

5.1.3傳感器應(yīng)用

傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括但不限于以下方面：

(1)溫度傳感器：廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、氣象等領(lǐng)域；

(2)壓力傳感器：應(yīng)用于石油、化工、電力、汽車等行業(yè)；

(3)流量傳感器：應(yīng)用于給排水、石油、化工、食品等行業(yè)；

(4)物位傳感器：應(yīng)用于倉儲、化工、食品等行業(yè)；

(5)速度傳感器：應(yīng)用于交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)線等領(lǐng)域；

(6)位移傳感器：應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑、航空航天等行業(yè)。

5.2執(zhí)行器原理與應(yīng)用

5.2.1執(zhí)行器概述

執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制信號的要求，驅(qū)動被控對象

完成所需的動作。執(zhí)行器是實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5.2.2執(zhí)行器原理

執(zhí)行器根據(jù)不同的工作原理，可分為電動執(zhí)行器、氣動執(zhí)行器和液壓執(zhí)行器

等。它們將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械動作，實現(xiàn)對被控對象的控制。

5.2.3執(zhí)行器應(yīng)用

執(zhí)行器的應(yīng)用范圍廣泛，主要包括以下方面：

(1)電動執(zhí)行器：應(yīng)用于閥門、風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備的控制；

(2)氣動執(zhí)行器：應(yīng)用于閥門、氣缸等氣動控制設(shè)備；

（3）液壓執(zhí)行器：應(yīng)用于液壓機(jī)械、液壓控制系統(tǒng)等；

（4）伺服執(zhí)行器：應(yīng)用于高精度定位、速度控制等場合;

（5）步進(jìn)執(zhí)行器：應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、等領(lǐng)域的運動控制。

5.3傳感器與執(zhí)行器的選型與安裝

5.3.1傳感器選型

傳感器選型應(yīng)考慮以下因素：

（1）被測量的物理量；

（2）測量范圍和精度；

（3）工作環(huán)境；

（4）輸出信號類型；

（5）安裝方式；

（6）成本和壽命.

5.3.2執(zhí)行器選型

執(zhí)行器選型應(yīng)考慮以下因素?：

（1）被控對象的類型和負(fù)載；

（2）控制信號類型；

（3）工作環(huán)境；

（4）執(zhí)行器輸出特性;

（5）安裝方式；

（6）成本和壽命。

5.3.3傳感器與執(zhí)行器的安裝

傳感器與執(zhí)行器的安裝應(yīng)遵循以下原則：

（1）保證安裝位置符合工藝要求；

（2）保證傳感器與執(zhí)行器的穩(wěn)定性和安全性；

（3）避免安裝過程中對傳感器與執(zhí)行器造成損壞；

（4）考慮維護(hù)和檢修的便捷性；

（5）按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行安裝。

第6章工業(yè)通信技術(shù)

6.1通信協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)

6.1.1通信協(xié)議概述

通信協(xié)議是工業(yè)自動化系統(tǒng)中，設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與通信的規(guī)則和約

定。為保證不同廠商、不同類型的設(shè)備能夠相互識別和協(xié)作，標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議顯

得尤為重要。

6.1.2常用通信協(xié)議

(1)Modbus協(xié)議：一種串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，支持多種傳

輸介質(zhì)。

(2)Profibus協(xié)議：一種現(xiàn)場總線通信協(xié)議，用于實現(xiàn)工業(yè)自動化設(shè)備之

間的數(shù)據(jù)通信。

(3)CAN(ControllerAreaNetwork)協(xié)議：一種高功能、高可靠性的通

信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于汽車和工業(yè)自動化領(lǐng)域。

6.1.3通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

國際電工委員會QEC)針對工業(yè)通信制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61158現(xiàn)場

總線標(biāo)準(zhǔn)、IEC61784工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)等。這些標(biāo)準(zhǔn)有助于統(tǒng)一設(shè)備接口，降

低系統(tǒng)集成的復(fù)雜度。

6.2現(xiàn)場總線技術(shù)

6.2.1現(xiàn)場總線概述

現(xiàn)場總線是一種用于連接現(xiàn)場設(shè)備(如傳感器、執(zhí)行器等)的通信網(wǎng)絡(luò)，熨

現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和通信。

6.2.2常用現(xiàn)場總線技術(shù)

(1)Profibus：一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的現(xiàn)場總線技術(shù)，具有良

好的實時性和可靠性。

(2)FoundationFieldbus：一種基于數(shù)字通信的現(xiàn)場總線技術(shù)，適用于過

程控制領(lǐng)域。

(3)Devicenet：一種用于連接工業(yè)設(shè)備的現(xiàn)場總線技術(shù)，具有簡單、低成

本的特點。

6.2.3現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢

現(xiàn)場總線技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

(1)簡化系統(tǒng)結(jié)溝，降低布線成本：

（2）提高系統(tǒng)可靠性；

（3）便于設(shè)備維十和管理；

（4）支持設(shè)備互操作性和互換性。

6.3工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

6.3.1工業(yè)以太網(wǎng)概述

工業(yè)以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)技術(shù)的一種實時通信網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)自動化領(lǐng)

域。它具有傳輸速度快、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等特點。

6.3.2常用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

（1）EtherCAT：一種實時以太網(wǎng)技術(shù)，具有高速、低延遲的特點。

（2）Profinet：一種集成工業(yè)自動化領(lǐng)域的實時以太網(wǎng)技術(shù)，具有良好的

互操作性和實時功能。

（3）EthPrnPt./IP；一種用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的實時以太網(wǎng)技術(shù)，支持多種

傳輸協(xié)議。

6.3.3工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，主要包括：

（1）運動控制；

（2）過程控制；

（3）分布式控制系統(tǒng)；

（4）設(shè)備監(jiān)控和管理。

通過本章的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)掌握工業(yè)通信技術(shù)的基本原理、常用協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)，

并了解現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢。這將有助于提高工

業(yè)自動化系統(tǒng)的通信功能和整體效率。

第7章機(jī)器視覺與應(yīng)用

7.1機(jī)器視覺系統(tǒng)組成

機(jī)器視覺系統(tǒng)作為自動化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要功能是對生產(chǎn)過程

中的工件進(jìn)行識別、檢測和定位。本章首先介紹機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成。

7.1.1攝像頭

攝像頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的核心部件，負(fù)責(zé)采集圖像信息。根據(jù)應(yīng)用需求，

可選用不同類型的攝像頭，如線陣攝像頭、面陣攝像頭等。

7.1.2光源

光源為機(jī)器視覺系統(tǒng)提供必要的光線照射，以突出工件特征，提高圖像質(zhì)量。

常見的光源類型有白光、紅外光、紫外光等。

7.1.3圖像處理軟件

圖像處理軟件負(fù)責(zé)對采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、識別等操作。常

見的圖像處理算法有邊緣檢測、形態(tài)學(xué)處理、模式識別等。

7.1.4傳感器與執(zhí)行器

傳感器用于檢測工件的物理和化學(xué)特性，如位置、尺寸、顏色等。執(zhí)行器根

據(jù)圖像處理結(jié)果，對工件進(jìn)行分類、抓取等操作。

7.2基礎(chǔ)知識

作為自動化生產(chǎn)中的執(zhí)行者，其基礎(chǔ)知識是本章的重點。

7.2.1類型

根據(jù)應(yīng)用場景，可分為關(guān)節(jié)臂、宜角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、并聯(lián)等。

7.2.2結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械臂、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器等部分。各部分相互配

合，實現(xiàn)工件的抓取、搬運等操作。

7.2.3功能指標(biāo)

功能指標(biāo)包括負(fù)載能力、工作速度、重復(fù)定位精度、自由度等。根據(jù)煲際生

產(chǎn)需求，選擇合適的功能指標(biāo)。

7.3編程與控制

編程與控制是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

7.3.1編程語言

常見的編程語言有RAPID、KRL、TP等。編程語言用于描述執(zhí)行任務(wù)的過程,

實現(xiàn)工件的自動化加工。

7.3.2控制策略

控制策略包括開環(huán)控制、閉環(huán)控制、自適應(yīng)控制等。根據(jù)生產(chǎn)過程中工件的

變化，選擇合適的控制策略，提高生產(chǎn)效率。

7.3.3路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)，主要包括直線插補、圓弧插補、樣條插補等。

合理規(guī)劃路徑，提高的運動效率。

7.4機(jī)器視覺與應(yīng)用案例

以下為幾個典型的機(jī)器視覺與應(yīng)用案例。

7.4.1汽車零部件裝配

在汽車制造領(lǐng)域，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對零部件進(jìn)行識別、定位，由完成裝配

任務(wù)。

7.4.2電子元器件檢測

在電子制造領(lǐng)域，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對元器件進(jìn)行外觀檢測，由完成不合格

品的分類。

7.4.3食品飲料行業(yè)

在食品飲料行業(yè)，利用機(jī)淵視覺系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測，由完成包裝、搬

運等操作.

7.4.4醫(yī)療器械組裝

在醫(yī)療器械行業(yè)，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對零件進(jìn)行識別、定位，由完成精確組

裝。

通過以上案例，可見機(jī)器視覺與在工業(yè)自動叱生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

第8章自動化生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化

8.1生產(chǎn)調(diào)度策略

8.1.1調(diào)度策略概述

生產(chǎn)調(diào)度是自動化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系到生產(chǎn)效率、成本及資源利

用率。本節(jié)主要介紹幾種常用的生產(chǎn)調(diào)度策略，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化。

8.1.2先來先服務(wù)(FCFS)策略

先來先服務(wù)策略是一種簡單的調(diào)度方法，按照任務(wù)到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)

度。該策略的優(yōu)點是公平、簡單，但缺點是可能導(dǎo)致緊急任務(wù)延遲，影響生產(chǎn)效

率。

8.1.3短作業(yè)優(yōu)先(SJF)策略

短作業(yè)優(yōu)先策略是根據(jù)任務(wù)執(zhí)行時間來調(diào)度任務(wù)，優(yōu)先執(zhí)行執(zhí)行時間短的任

務(wù)。該策略可以減少平均等待時間和平均周轉(zhuǎn)時間，但可能導(dǎo)致長作業(yè)饑餓。

8.1.4優(yōu)先級調(diào)度策略

優(yōu)先級調(diào)度策略是根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級來進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級高的任務(wù)先執(zhí)行。

該策略可以滿足不同任務(wù)的需求，但需要合理設(shè)置優(yōu)先級，避免低優(yōu)先級任務(wù)長

時間得不到執(zhí)行。

8.1.5輪詢(RoundRobin)調(diào)度策略

輪詢調(diào)度策略是按照固定的順序輪流執(zhí)行任務(wù)，每個任務(wù)執(zhí)行一段時間后切

換到下一個任務(wù)。該策略可以保證任務(wù)公平執(zhí)行，適用于多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的場景。

8.2生產(chǎn)過程優(yōu)化方法

8.2.1優(yōu)化方法概述

生產(chǎn)過程優(yōu)化旨在提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，本節(jié)主要介紹

幾種常用的生產(chǎn)過程優(yōu)化方法。

8.2.2線性規(guī)劃

線性規(guī)劃是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，用于求解線怛目標(biāo)函數(shù)在約束條件下的最優(yōu)

解。在生產(chǎn)過程中，可以應(yīng)用于物料分配、生產(chǎn)計劃等方面。

8.2.3整數(shù)規(guī)劃

整數(shù)規(guī)劃是線性規(guī)劃的一種特殊形式，要求變量取整數(shù)值。在生產(chǎn)調(diào)度中，

整數(shù)規(guī)劃可以用于求解設(shè)備分配、人員安排等問題。

8.2.4非線性規(guī)劃

非線性規(guī)劃是解決非線性目標(biāo)函數(shù)和約束條件的優(yōu)化問題。在生產(chǎn)過程中，

非線性規(guī)劃可以應(yīng)用于參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)過程控制等方面。

8.2.5遺傳算法

遺傳算法是一種模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的優(yōu)化方法，適用于求解大規(guī)模、

復(fù)雜的優(yōu)化問題。在生產(chǎn)過程優(yōu)化中，遺傳算法可以用于求解生產(chǎn)調(diào)度、工藝參

數(shù)優(yōu)化等問題。

8.3自動化生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

8.3.1系統(tǒng)架構(gòu)

自動化生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備模塊化、可擴(kuò)展性、易于維護(hù)等特性。本節(jié)主要

介紹系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，包括硬件層、軟件層和應(yīng)用層。

8.3.2數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與處