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出版者:人民邮电

作者:张运刚//宋小春

出品人:

页数:554

译者:

出版时间:2010-1

价格:78.00元

装帧:

isbn号码:9787115215406

丛书系列:

图书标签:

• 社会学
• PLC
• 可编程控制器
• 职业技能
• 工业自动化
• 电气工程
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《工业自动化控制系统安装调试与故障排除实践指南》 引言 在当今飞速发展的工业4.0时代，自动化生产已成为制造业的核心竞争力。从精密的电子产品组装线到庞大的石化联合装置，工业自动化系统无处不在，它们如同现代工业的神经网络，驱动着生产的效率与精度。作为工业自动化系统中的关键组成部分，可编程逻辑控制器（PLC）以其强大的逻辑处理能力、灵活的编程方式以及广泛的应用领域，扮演着至关重要的角色。然而，任何复杂的系统都离不开细致的安装、精准的调试以及在遇到问题时的快速响应与有效排除。本书正是基于这一需求应运而生，旨在为广大工业自动化领域的从业者，包括安装、调试、维护人员，以及相关专业的学生提供一本全面、实用、接地气的实践操作指南。 本书并非一本纯粹的理论书籍，而是更加侧重于将理论知识与实际操作相结合，以“实践出真知”为核心理念，深入浅出地讲解工业自动化控制系统的安装、调试及故障排除的各个环节。我们力求通过详实的步骤、丰富的案例、直观的图解，帮助读者掌握必要的技能，提升解决实际问题的能力，从而成为一名合格的工业自动化控制系统工程师。 第一部分：工业自动化控制系统基础 在深入探讨安装调试之前，对工业自动化控制系统的基本概念和组成部分有一个清晰的认识至关重要。本部分将为您构建一个坚实的基础。 1.1 工业自动化系统概述 1.1.1 什么是工业自动化？ 定义与发展历程：从早期简单的机电一体化到现代的智能制造，自动化技术的演进脉络。 自动化系统的基本构成：感知层、控制层、执行层、网络层、应用层，以及它们之间的交互关系。 自动化系统的分类：按功能（如过程控制、顺序控制、机器人控制）、按规模（如单元自动化、生产线自动化、工厂自动化）等。 1.1.2 工业自动化系统的意义与价值 提高生产效率与产量。 提升产品质量与一致性。 降低生产成本，包括人力、物力、能源等。 改善工作环境，保障操作人员安全。 增强企业的市场竞争力。 1.2 工业控制系统硬件组成 1.2.1 传感器与仪表 传感器的作用与分类：温度、压力、流量、液位、位移、光电、接近、编码器等各类传感器的原理及应用场景。 信号类型：模拟信号（4-20mA，0-10V）与数字信号（开关量）的识别与处理。 常见仪表：变送器、执行器（气动阀、电动阀、电机等）的功能与选型。 1.2.2 执行机构 执行器的作用：将控制器的输出信号转换为具体的物理动作。 主要执行器类型：电磁阀、伺服电机、步进电机、液压缸、气动缸等。 执行器的选型考虑因素：功率、精度、响应速度、工作环境等。 1.2.3 控制器（PLC、DCS、PAC等） PLC（可编程逻辑控制器）：其核心地位与在本书中的突出讲解。 DCS（分布式控制系统）：特点、适用范围（大型连续过程控制）。 PAC（可编程自动化控制器）：介于PLC与DCS之间，集成了PLC的易用性和DCS的强大功能。 其他控制器：IPC（工业PC）、嵌入式控制器等。 1.2.4 人机界面（HMI） HMI的作用：实现人与自动化系统的交互，可视化监控与操作。 HMI的类型：触摸屏、操作面板、工控机等。 HMI与PLC的通信：协议、连接方式。 1.2.5 通信网络 工业通信的必要性：实现设备之间的数据交换与指令传输。 常用工业通信协议：RS-232/485、Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP/IP、CANopen等。 工业以太网的优势与应用。 1.3 工业自动化控制系统软件构成 1.3.1 编程软件 PLC编程软件的种类：如Siemens TIA Portal, GX Works3, Studio 5000等。 编程语言：Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST), Instruction List (IL), Sequential Function Chart (SFC)等，并简要介绍其适用场景。 1.3.2 组态软件 HMI组态软件：如WinCC, FTView, Kingview等。 SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统：数据采集与监视控制的综合应用。 1.3.3 操作系统与驱动 工控机操作系统：Windows CE, Windows Embedded, Linux等。 硬件驱动程序。 第二部分：工业自动化控制系统安装实践 本部分将带领读者一步步完成一个典型的工业自动化控制系统的安装过程，强调细节与规范。 2.1 系统规划与设计 2.1.1 需求分析与方案设计 明确控制对象、工艺流程、性能指标。 初步确定PLC型号、I/O点数、通信方式。 绘制系统结构图、控制方案图。 2.1.2 选型与配置 PLC模块选型：CPU模块、数字量/模拟量输入/输出模块、通信模块、特殊功能模块等。 传感器、执行器、HMI的选型与匹配。 电源、线缆、端子、机柜等的选择。 2.2 硬件安装 2.2.1 控制柜的准备与安装 控制柜的选型：尺寸、防护等级、散热方式。 柜体内部布局：DIN导轨安装、线缆管理、接地。 安装前检查：柜体结构、门密封、内部附件。 2.2.2 PLC及模块的安装 PLC主体模块的安装：牢固固定在DIN导轨上。 I/O模块、通信模块等扩展模块的安装：遵循制造商说明，注意插拔方向和卡扣。 模块的顺序与间距：考虑散热与布线。 2.2.3 传感器与执行器的安装 传感器安装：位置选择、固定方式、环境适应性。 执行器安装：动力连接（气源、电源）、传动连接、方向性。 2.2.4 HMI的安装 面板安装：开孔尺寸、固定方式。 柜体式安装：连接至工控机或PLC。 2.2.5 电源与接地 PLC电源的连接：AC/DC电源的识别与接线。 系统整体接地：按照电气规范进行接地，确保安全与抗干扰。 2.3 接线规范与技巧 2.3.1 电源线与信号线的区分 强制使用不同颜色的线缆。 合理的线缆走线，避免交叉干扰。 2.3.2 模拟量信号的接线 两线制（4-20mA）与三线制（0-10V）的接线方式。 屏蔽线的处理：单端或双端接地，以及接地点的选择。 模拟量输入/输出模块的接线端子定义。 2.3.3 数字量信号的接线 开关量输入：NPN/PNP信号的识别与连接。 开关量输出：继电器输出、晶体管输出的接线。 隔离与保护：光耦隔离、继电器隔离的应用。 2.3.4 通信线缆的接线 RS-485总线：A/B线、GND线的连接，终端电阻的设置。 以太网通信：网线类型、接口类型（RJ45）、PoE（Power over Ethernet）的应用。 2.3.5 端子排的应用 端子排的类型与功能。 线缆的压接与固定：使用合适的压线钳和端子。 标记与识别：清晰的标签，便于日后维护。 2.4 安装后的初步检查 2.4.1 目视检查 所有连接是否牢固、正确。 线缆标识是否清晰、完整。 设备安装是否水平、垂直。 2.4.2 电气检查 短路测试：在通电前，使用万用表检查电源线与地线之间、电源线与信号线之间是否存在短路。 绝缘测试：检查线缆与地之间的绝缘电阻。 电源电压测量：确认各部分的供电电压是否在允许范围内。 第三部分：工业自动化控制系统调试实践 安装完成只是第一步，系统的功能实现依赖于精细的调试过程。本部分将详细介绍调试的关键步骤与方法。 3.1 软件环境搭建与连接 3.1.1 PLC编程软件的安装与配置 根据PLC型号选择合适的编程软件。 安装驱动程序、通信库。 设置通信参数：IP地址、波特率、站地址等。 3.1.2 HMI组态软件的安装与配置 安装组态软件，并根据项目需求创建新项目。 设置HMI与PLC的通信连接。 3.2 PLC程序下载与验证 3.2.1 程序下载 通过通信接口（USB、以太网、串口）将编制好的程序下载到PLC中。 下载过程中常见问题及解决方法。 3.2.2 程序运行模式 PLC运行模式：RUN（运行）、STOP（停止）、FORCES（强制）、DEBUG（调试）。 不同运行模式下的PLC行为。 3.3 I/O点测试与校验 3.3.1 数字量输入点测试 逐个激活传感器，观察PLC输入点的状态变化。 使用万用表测量传感器输出信号。 检查输入点是否能正确响应。 3.3.2 数字量输出点测试 在PLC程序中强制输出点为ON/OFF。 观察执行器（如指示灯、电磁阀）是否按预期动作。 检查输出点驱动能力。 3.3.3 模拟量输入点测试与校验 使用标准信号发生器（或实际传感器）输出不同量程的模拟信号。 观察PLC模拟量输入模块接收到的数值。 进行标定（Calibration）：将实际物理量与PLC采集的数值进行对应关系校准。 检查输入精度与线性度。 3.3.4 模拟量输出点测试与校验 在PLC程序中设置模拟量输出值。 使用万用表或测量仪表测量实际输出信号（如4-20mA）。 进行标定，确保输出信号的准确性。 3.4 通信功能调试 3.4.1 PLC间通信调试 检查通信参数设置是否一致。 使用通信诊断工具（如Wireshark for Ethernet）抓包分析。 确保数据能够正确发送与接收。 3.4.2 HMI与PLC通信调试 检查HMI与PLC的连接设置。 在HMI界面上加载变量，观察PLC实时数据。 测试HMI发送指令到PLC是否有效。 3.5 功能逻辑调试 3.5.1 程序逻辑检查 使用PLC编程软件的在线监控功能，观察程序执行流程。 逐行、逐段检查逻辑判断、定时器、计数器等功能。 3.5.2 联机模拟调试 在PLC运行状态下，通过HMI模拟操作，观察系统响应。 模拟各种输入信号，验证控制逻辑的正确性。 3.5.3 联动调试 当系统包含多个子系统或设备时，进行整体联动测试。 例如，生产线各工序之间的配合。 3.6 安全功能调试 3.6.1 急停按钮测试 确保急停信号能够被PLC及时捕捉，并触发安全停止逻辑。 测试不同情况下的急停响应。 3.6.2 限位开关与安全联锁 测试限位开关的有效性，是否能正确阻止危险动作。 验证安全联锁逻辑，防止非正常操作。 3.7 调试报告的编写 记录调试过程中的所有发现、解决的问题、测试结果。 包含I/O点测试清单、通信测试结果、功能测试报告等。 第四部分：工业自动化控制系统故障排除实践 再完善的系统也可能出现故障，掌握快速定位和解决故障的技巧，是保障生产连续性的关键。 4.1 故障诊断的思路与方法 4.1.1 “由外向内”的诊断思路 从现象入手，逐步分析可能的原因。 先检查外部设备（传感器、执行器），再检查接线，最后深入PLC本身。 4.1.2 “由内向外”的诊断思路 从PLC程序逻辑入手，分析是否存在逻辑错误。 检查PLC运行状态，I/O点状态，诊断信息。 4.1.3 常见故障分类 电源故障、通信故障、I/O故障、程序故障、传感器/执行器故障、环境干扰等。 4.2 硬件故障的排除 4.2.1 电源问题 检查电源指示灯。 测量输入/输出电压。 检查保险丝、断路器。 确认电源稳定性和容量。 4.2.2 PLC模块故障 观察PLC模块上的指示灯：电源指示灯、运行指示灯、错误指示灯、I/O指示灯。 查阅PLC手册，理解各指示灯的含义。 尝试更换有问题的模块（如CPU、I/O模块）。 4.2.3 I/O点故障 数字量输入故障：传感器无信号、信号异常、接线松动、输入模块损坏。 数字量输出故障：执行器不工作、工作异常、输出模块损坏、线圈烧毁。 模拟量故障：信号漂移、信号丢失、量程不准确、模拟量模块损坏。 4.2.4 通信故障 检查通信线缆连接是否牢固。 确认通信参数设置（IP地址、站地址、波特率、校验位等）是否正确且一致。 检查通信设备（交换机、转换器）工作状态。 使用通信诊断工具。 4.2.5 传感器与执行器故障 检查传感器本身的损坏（如损坏、老化）。 检查执行器的机械部分（如卡滞、磨损）。 检查执行器的驱动部分（如线圈、电机）。 4.3 软件与程序故障的排除 4.3.1 程序逻辑错误 使用PLC在线调试功能，检查程序执行流程。 检查条件判断、延时、计数等逻辑是否符合预期。 注意时序问题、竞争条件。 4.3.2 程序死机或异常重启 检查是否存在无限循环、堆栈溢出、除零错误等。 检查内存使用情况。 检查特殊功能指令的使用。 4.3.3 HMI显示异常或无响应 检查HMI与PLC的通信连接。 检查HMI变量配置是否正确。 检查HMI程序逻辑，是否有死锁等情况。 4.4 环境干扰引起的故障 4.4.1 电磁干扰（EMI） 检查屏蔽线接地是否正确。 合理布线，远离强电场、强磁场设备。 使用滤波设备。 4.4.2 接地不良 检查接地系统是否符合规范。 确保所有设备接地良好。 4.4.3 温度、湿度影响 确保设备工作在规定的温湿度范围内。 必要时采取散热或防潮措施。 4.5 故障排除的常用工具 万用表、示波器、信号发生器、逻辑分析仪、网线测试仪、PLC编程软件的在线诊断功能。 4.6 建立故障处理记录与预防措施 记录每次故障的发生原因、处理过程、解决方案。 分析故障发生的规律，制定预防措施，优化系统设计或操作流程。 第五部分：案例分析与进阶应用 通过实际案例的剖析，读者可以更好地理解前面所学知识，并将其应用于更复杂的场景。 5.1 典型工业应用案例分析 5.1.1 包装生产线自动化控制 PLC在进料、检测、包装、封口、出料等环节的应用。 伺服电机、变频器、视觉传感器等的集成。 5.1.2 物料输送系统控制 皮带机、链式输送机、螺旋输送机的控制逻辑。 PLC与变频器、接触器的配合。 5.1.3 液体配料系统控制 流量计、液位传感器、阀门、搅拌器等设备的控制。 PID控制算法的应用。 5.2 进阶应用探讨 5.2.1 运动控制（伺服、步进） PLC在伺服系统中的应用，如定位、速度控制、力矩控制。 运动控制指令的应用。 5.2.2 视觉检测系统集成 PLC与工业相机、光源的联动。 通过通信协议（如Ethernet/IP）交换检测结果。 5.2.3 远程监控与诊断 利用物联网（IoT）技术实现设备状态的远程查看与故障预警。 OPC UA等工业物联网通信协议的应用。 5.2.4 安全集成 安全PLC（Safety PLC）的应用，如SIL（Safety Integrity Level）等级。 结语 工业自动化控制系统的安装、调试与故障排除是一项技术性强、实践性要求高的工作。本书力求以条理清晰的结构、深入浅出的讲解、丰富详实的实例，为广大读者提供一条坚实的学习与实践路径。希望本书能成为您在自动化领域探索与成长道路上的得力助手，帮助您成为一名真正优秀的工业自动化工程师，为工业的进步贡献您的力量。在掌握本书内容的基础上，勤于实践，勇于探索，您必将在工业自动化的广阔舞台上大放异彩。

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