具体描述
《现代电气控制技术》在介绍传统的低压电器、典型的控制线路以及设计方法的基础上，系统地介绍了现代电气控制系统的构成和特点。内容包括常用低压控制电器、基本电气控制线路、继电—接触器电气控制线路设计、典型的电气控制线路分析、现代低压电器、可编程控制器原理及应用、通用变频器及其应用、数控机床、现场总线网络电气控制系统以及电气系统的可靠性设计。《现代电气控制技术》既保留了传统的电气控制内容，又系统介绍了当今先进的电气控制技术。
现代电气控制技术：一本深入探索工业自动化核心的著作 前言 在当今工业飞速发展的浪潮中，电气控制技术扮演着至关重要的角色。它不仅是实现生产流程自动化、提升效率和精度的基石，更是推动制造业向智能化、绿色化转型的关键驱动力。本书，《现代电气控制技术》，旨在为读者提供一个全面、深入且极具实践价值的学习平台，揭示工业自动化领域的最新发展动态，解锁电气控制技术的无限潜力。本书内容涵盖了从基础理论到前沿应用的广阔范畴，力求使读者在掌握扎实理论知识的同时，也能深刻理解并能灵活运用到实际的工程设计与项目实施中。 第一部分：电气控制系统的基础构建 本部分将带领读者回归电气控制的本源，打下坚实的基础。我们将从最基本的电气元件入手，详细解析其工作原理、特性以及在控制系统中的应用。 基础电气元件的解析与选型： 开关电器：深入探讨各种类型开关的结构、触点特性、灭弧原理以及在电路中的作用，包括断路器（空气断路器、塑壳断路器、真空断路器、SF6断路器）、隔离开关、负荷开关、熔断器等。我们将分析不同型号开关的额定参数、分断能力、操作寿命等，并指导读者如何根据实际负载和环境条件进行科学选型，确保系统的安全可靠运行。 继电器：详细阐述电磁继电器、固态继电器（SSR）、中间继电器、时间继电器、计数继电器等各类继电器的原理、线圈参数、触点形式（常开、常闭、转换）、动作特性（吸合时间、释放时间）以及应用场景。本书将重点讲解如何通过继电器实现逻辑控制、信号隔离、电气互锁等功能，并提供具体的选型指导。 接触器：深入分析交流接触器和直流接触器的结构、主触点和辅助触点的工作特性、线圈的驱动方式（交流、直流）、以及其在电机起停、照明控制、动力配电等场景中的广泛应用。我们将探讨接触器的额定容量、寿命、防护等级等关键参数，并提供详细的选型计算方法。 传感器与变送器：介绍各类工业传感器，包括但不限于： 位置传感器：接近开关（电感式、电容式、光电式、磁性）、限位开关、编码器（增量式、绝对式）。我们将深入解析其工作原理、输出信号类型（开关量、模拟量）、精度、响应速度以及在物料检测、位置反馈、角度测量等方面的应用。 压力传感器：压阻式、电容式、应变片式等，分析其测量原理、输出信号（4-20mA、0-10V）、量程、精度、过载能力，以及在液压、气动系统、管道监测中的应用。 温度传感器：热电偶、热电阻（Pt100、Cu50）、红外测温仪等，阐述其测温原理、输出信号、测量范围、精度、响应时间，并指导读者选择适用的传感器以满足不同工艺温度的监测需求。 流量传感器：涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计、质量流量计等，介绍其测量原理、输出信号、介质适应性、精度，以及在流体输送、过程控制中的关键作用。 液位传感器：浮球式、电容式、超声波式、雷达式、磁翻板液位计等，分析其工作原理、输出形式、测量范围、安装方式，以及在储罐、容器液位监测中的重要性。 执行机构： 电动机：深入解析三相异步电动机（鼠笼式、绕线式）、直流电动机（有刷、无刷）、步进电动机、伺服电动机的工作原理、结构特点、性能参数（功率、转速、转矩）、效率、功率因数，并详细介绍其在各种传动系统中的应用。 电磁阀与气动/液压执行器：阐述电磁阀的线圈驱动、阀芯结构、通断原理，以及其在控制气动/液压元件（气缸、液压缸）中的作用。我们将分析不同类型的气动/液压执行器（单作用、双作用、回转式）的特性，以及它们在自动化生产线上的动力执行功能。 电气控制回路的设计与实现： 原理图绘制与阅读：系统讲解PLC编程软件、电气CAD软件（如AutoCAD Electrical, EPLAN）在原理图绘制中的应用，强调图纸的规范化、标准化，以及如何准确理解和分析复杂的电气原理图。 常用控制逻辑的实现： 直接起动、反向起动、延时起动、Y-Δ降压起动：提供详细的电路设计图和工作原理分析，讲解这些基本电机控制方式的应用场景和优缺点。 联锁控制：详细阐述机械联锁和电气联锁的原理和实现方法，以及它们在防止误操作、保障设备安全方面的关键作用，并提供具体的电路实例。 多地控制、分组控制：讲解如何设计复杂的控制回路，实现多个操作点对同一设备或同一组设备的控制，以及如何实现不同区域或不同生产单元的独立控制。 信号采集与处理：介绍模拟量信号（0-10V, 4-20mA）和开关量信号的采集方式，以及简单的信号处理方法（如滤波、放大、隔离）。 第二部分：可编程逻辑控制器（PLC）在现代电气控制中的应用 PLC作为现代电气控制的核心，其重要性不言而喻。本部分将深入探讨PLC的结构、工作原理、编程方法以及在各种工业场景中的应用。 PLC的硬件结构与工作原理： CPU模块：解析CPU的核心功能，包括指令执行、输入/输出管理、通信处理等。 输入/输出（I/O）模块：详细介绍数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、特殊功能模块（如高速计数、脉冲输出）的类型、接口方式、电气隔离原理以及选型要点。 电源模块：阐述电源模块的作用，以及不同电压等级的电源供应。 通信模块：介绍RS232、RS485、以太网等常见的通信接口，以及PLC与其他设备（如HMI、变频器、其他PLC）之间的数据交换方式。 PLC的工作扫描周期：深入解析PLC的顺序扫描工作流程，包括输入扫描、程序执行、输出刷新、通信处理等各个环节，理解扫描周期对控制系统实时性的影响。 PLC的编程技术与指令系统： 梯形图（Ladder Diagram, LD）：详细讲解梯形图的基本元素（触点、线圈、定时器、计数器）、指令的含义和用法，以及如何利用梯形图实现各种逻辑功能，如顺序控制、逻辑运算、跳转等。 指令表（Instruction List, IL）：介绍指令表这种低级编程语言，以及其与梯形图之间的对应关系。 结构化文本（Structured Text, ST）：阐述结构化文本语言的特点，包括其类似于高级编程语言的语法结构，以及如何利用循环、判断、赋值等语句实现复杂的算法和数据处理。 顺序功能图（Sequential Function Chart, SFC）：讲解SFC在描述顺序过程控制中的优势，包括其直观性、易于理解性，以及如何用步骤、转移、动作等元素来构建复杂的时序逻辑。 常用指令详解：对常用的逻辑指令（AND, OR, NOT）、定时器指令（TON, TOF, TP）、计数器指令（CTU, CTD）、比较指令（>, <, =, >=, <=, <>）、移动指令（MOV, INC, DEC）、数学运算指令（ADD, SUB, MUL, DIV）、跳转指令（JMP, CALL）等进行逐一讲解，并提供丰富的应用示例。 PLC在典型工业控制中的应用： 电机控制：PLC在实现电机启停、调速、反向、制动、故障保护等方面的应用。 过程控制：PLC在温度、压力、流量、液位等参数的闭环控制中的应用，包括PID算法的实现和应用。 生产线自动化：PLC在物料搬运、装配、包装、检测等自动化生产线上的集成控制。 运动控制：PLC与伺服驱动器、步进驱动器配合，实现精确的位置控制、速度控制、轨迹控制。 数据采集与监控：PLC作为数据采集终端，与上位机（SCADA/HMI）通信，实现对生产过程的集中监控和管理。 第三部分：变频器与伺服系统在工业驱动中的应用 变频器和伺服系统是实现电机精确控制和高效驱动的关键技术，它们极大地扩展了电机的应用范围，提升了工业自动化的水平。 变频器的原理、功能与选型： 变频器的工作原理：详细解析变频器将市电（AC）转换为可变频率、可变电压的交流电（AC）的过程，包括整流、滤波、逆变等环节。 控制方式：深入讲解V/f控制、矢量控制（磁场定向控制）、直接转矩控制（DTC）等不同的控制策略，以及它们在不同应用场景下的性能优势。 主要功能：介绍变频器在软启动、软停车、频率/电压调节、多段速控制、PID闭环控制、制动电阻应用、通信控制等方面的功能。 参数设置与调试：指导读者如何根据电机参数、负载特性、工艺要求对变频器进行详细的参数设置和现场调试，以达到最佳的运行效果。 选型要点：根据负载功率、额定电压、工作环境、控制精度、通信接口等要求，指导读者选择合适的变频器型号。 伺服系统的组成、工作原理与应用： 伺服系统的组成：介绍伺服系统的核心组成部分，包括伺服驱动器、伺服电机（交流伺服、直流伺服）、编码器（位置反馈）、以及上位控制器（如PLC）。 工作原理：深入解析伺服系统如何通过闭环控制实现高精度、高响应的速度和位置控制，以及编码器在位置反馈中的关键作用。 控制模式：详细介绍位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式，以及如何根据实际需求选择合适的控制模式。 伺服电机的类型与特点：分析不同类型的伺服电机（如同步伺服、异步伺服）的结构、性能参数（力矩、转速、惯量、精度）、以及在机器人、数控机床、印刷机械等高精度运动控制领域的应用。 伺服系统的调试与优化：指导读者如何对伺服系统进行参数调整（如PID参数整定）、回差补偿、滤波设置等，以提高系统的动态响应和稳定。 第四部分：人机界面（HMI）与工业通信 HMI是人与自动化系统之间交互的桥梁，而工业通信则是实现系统内信息高效流动的保障。 HMI的设计与应用： HMI的功能：介绍HMI在数据显示（数值、趋势图、报警）、操作控制（按钮、开关、滑块）、参数设置、报表生成、历史数据存储等方面的功能。 HMI组态软件：讲解常用HMI组态软件（如WinCC, KingView, MCGS）的基本操作，包括画面设计、控件添加、变量关联、事件处理、脚本编写等。 与PLC的通信：阐述HMI与PLC之间多种通信协议（如Modbus TCP/IP, Profinet, EtherNet/IP）的配置与连接，以及数据交互的实现。 典型应用场景：展示HMI在生产线监控、设备状态显示、工艺参数调节、故障诊断等方面的实际应用案例。 工业通信协议与网络： 串行通信：深入讲解RS232、RS485通信接口的原理、特点、接线方式，以及在PLC与低端设备（如仪表、数采模块）通信中的应用。 现场总线技术：详细介绍Profibus、CANopen、DeviceNet等现场总线技术，包括其网络拓扑、通信速率、通信机制、数据传输特点，以及在实现分布式控制、提高通信效率方面的优势。 以太网通信：重点讲解Industrial Ethernet（如Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP/IP）在工业自动化中的应用，包括其高速率、高带宽、支持多种通信模式的特点，以及在构建大型、复杂自动化系统中的重要性。 OPC UA：介绍OPC UA作为一种开放、安全、可靠的工业互联标准，在实现设备、系统之间互操作性方面的关键作用。 第五部分：电气控制系统的安全性、可靠性与维护 一个稳定可靠的电气控制系统是工业生产顺利运行的保障。本部分将聚焦于系统的安全性、可靠性设计以及日常维护。 电气安全规范与防护措施： 触电防护：详细阐述触电的危害，以及接地、接零、双重绝缘、安全电压等防护措施的原理和应用。 短路与过载保护：深入讲解断路器、熔断器、过载继电器等保护装置的选型与配置，以及如何根据设备和线路的特性计算保护参数。 防雷与防浪涌：介绍雷电对电气系统的危害，以及防雷接地、电涌保护器（SPD）等措施的应用。 电磁兼容性（EMC）：讲解电磁干扰的来源与影响，以及屏蔽、滤波、接地等措施在降低电磁干扰方面的应用。 防爆电气：简要介绍防爆电气设备的基本概念、分类以及在易燃易爆环境下的安全要求。 提高控制系统可靠性的设计方法： 冗余设计：介绍CPU冗余、电源冗余、通信冗余等提高系统可靠性的方法，以及在关键生产流程中的应用。 故障诊断与报警：讲解如何通过PLC编程、HMI设计实现对系统故障的实时诊断和报警，并提供相应的处理建议。 元器件的寿命与选择：强调选用高质量、长寿命的电气元器件的重要性，并提供相关选型建议。 环境因素的考虑：例如，在高温、潮湿、多尘等恶劣环境下，对电气设备的防护等级（IP防护等级）和材料选择的考量。 电气控制系统的维护与故障排除： 日常检查与维护：提供系统性的日常检查项目，包括外观检查、电气连接检查、运行参数监测等。 常见故障分析与排除：针对常见的电气故障（如接触不良、元器件损坏、程序错误、通信中断等），提供详细的分析方法和排除步骤。 备品备件管理：强调合理储备关键备品备件对缩短停机时间的重要性。 定期保养计划：制定并执行合理的电气设备保养计划，以预防故障的发生。 结语 《现代电气控制技术》不仅仅是一本技术手册，更是一本引领读者走进工业自动化前沿的指南。通过本书的学习，读者将能够深入理解电气控制系统的内在逻辑，掌握现代自动化技术的核心工具，并为解决实际的工程问题、推动技术创新打下坚实的基础。我们相信，本书的丰富内容和实践导向将为广大工程师、技术人员、以及相关专业的学生提供宝贵的知识和技能，助力他们在不断发展的工业领域中取得更大的成就。
