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工業(yè)自動化已成為各行業(yè)減少人力投入和成本的熱門解決方案，本書深入淺出地講解工業(yè)自動化的方方面面，帶讀者從入門到入行。
全書包括三部分。第一部分（第 1 ～ 6 章）講基本概念與技能，讀者將了解開關、傳感器、執(zhí)行器和電機的應用，以及直接在線（DOL）啟動器及其組件；第二部分（第 7 ～ 11 章）深入講解主要工業(yè)自動化工具PLC、HMI 和 SCADA的接線和編程方法；第三部分（第 12 ～ 14 章）講過程控制、工業(yè)網(wǎng)絡與智能工廠，讀者將通過實踐深入了解過程控制與測量，并了解各種工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議，以及制造業(yè)（工業(yè)4.0）的新興趨勢及其賦能技術（如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機器人）。
本書適合電氣、電子、機械、機電一體化、化學或計算機工程專業(yè)的學生閱讀，也適合正在轉行工業(yè)自動化領域的工程師，或希望在工業(yè)自動化領域發(fā)展職業(yè)的人。

通過這本易于理解的指南，讀者將探索工業(yè)自動化和控制的相關概念，如變頻器（VFD）和可編程邏輯控制器（PLC）的接線和編程，以及智能工廠（工業(yè) 4.0）等內容。
主要特色
??通過探索的方法深入了解工業(yè)自動化和控制的方方面面。
??獲得使用 PLC 實現(xiàn)制造過程自動化的實用見解。
??了解如何使用人機界面（HMI）和 SCADA 監(jiān)控和控制工業(yè)流程。

本書內容
工業(yè)自動化已成為各行業(yè)通過流程自動化來減少人力投入和成本的熱門解決方案。本書將幫助讀者掌握在該領域取得卓越成績所需的技能。
本書從工業(yè)自動化的基礎開始，逐步介紹開關、傳感器、執(zhí)行器和電機的應用以及直接在線（DOL）啟動器及其組件，如斷路器、接觸器和過載繼電器。接下來，將帶領讀者探索變頻器（VFD），了解其參數(shù)設置，以及如何對其進行接線和編程來控制感應電機。隨著學習的深入，讀者將掌握主要工業(yè)自動化工具PLC、HMI 和 SCADA 的接線和編程方法。讀者還將深入了解過程控制和測量（溫度、壓力、液位和流量），并通過將 4 ～ 20 mA 變送器連接到 PLC 獲得模擬信號處理的實踐經(jīng)驗。最后，將幫助讀者掌握各種工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議，如 FOUNDATION Fieldbus、Modbus、PROFIBUS、PROFINET 和 HART，以及制造業(yè)（工業(yè)4.0）的新興趨勢及其賦能技術（如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機器人）。
學完本書內容后，讀者將對工業(yè)自動化中有關機器自動化與控制的核心概念形成實用而深入的理解。

你將學到什么
??掌握工業(yè)自動化和控制的基本要點。
??了解如何使用工業(yè)傳感器和執(zhí)行器。
??熟悉交流、直流、伺服和步進電機。
??深入理解 VFD、PLC、HMI 和 SCADA 及其應用。
??探索實踐過程控制系統(tǒng)，包括使用 PLC 的模擬信號處理。
??熟悉工業(yè)網(wǎng)絡和通信協(xié)議，掌握有線（如工業(yè)以太網(wǎng)）與無線（如 Wi-Fi）協(xié)議的基礎，并了解 5G 在工業(yè)應用中的優(yōu)勢與實踐。
??探索制造業(yè)的當前趨勢，如智能工廠、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機器人。

這本書適合誰
本書適合電氣、電子、機械、機電一體化、化學或計算機專業(yè)的本科生和研究生，正在轉行的工程師，或者希望在工業(yè)自動化領域發(fā)展職業(yè)的人。本書涵蓋從基礎到高級的主題，對于在制造業(yè)、石油和天然氣等領域工作的初級電氣、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動化、過程、儀表與控制、生產(chǎn)和維護工程師來說，是一本寶貴的參考書。

作者
2025 年 5 月

第一部分基本概念與技能
第 1 章工業(yè)自動化簡介 3
1.1 什么是工業(yè)自動化 3
1.1.1 固定自動化系統(tǒng) 5
1.1.2 可編程自動化系統(tǒng) 5
1.1.3 靈活自動化系統(tǒng) 6
1.1.4 集成自動化系統(tǒng) 6
1.2 理解工業(yè)自動化的層級 7
1.2.1 現(xiàn)場層 8
1.2.2 控制層 8
1.2.3 監(jiān)督和生產(chǎn)層 8
1.3 探索工業(yè)自動化的優(yōu)劣勢 9
1.3.1 工業(yè)自動化的優(yōu)勢 9
1.3.2 工業(yè)自動化的劣勢 9
1.4 總結 10
1.5 習題 10
第 2 章開關和傳感器的工作原理、應用及接線 11
2.1 開關和傳感器概述 11
2.2 手動操作開關 12
2.2.1 按鈕開關 12
2.2.2 翹板開關 13
2.2.3 撥動開關 14
2.2.4 滑動開關 15
2.2.5 選擇器開關 15
2.2.6 刀閘開關 15
2.3 機械操作開關 15
2.3.1 限位開關 16
2.3.2 液位開關 18
2.3.3 壓力開關 21
2.3.4 溫度開關 22
2.4 接近傳感器 24
2.4.1 電容式接近傳感器 24
2.4.2 電感式接近傳感器 26
2.4.3 光電式接近傳感器 27
2.5 總結 29
2.6 習題 29
第 3 章執(zhí)行器及其在工業(yè)自動化中的應用 30
3.1 執(zhí)行器概述 30
3.2 電動執(zhí)行器 31
3.2.1 直流電機 32
3.2.2 交流電機 33
3.2.3 步進電機 33
3.2.4 伺服電機 33
3.2.5 電磁閥、電磁繼電器和接觸器 34
3.3 氣動執(zhí)行器 37
3.3.1 氣動直線執(zhí)行器 38
3.3.2 氣動旋轉執(zhí)行器 39
3.4 液壓執(zhí)行器 41
3.5 總結 42
3.6 習題 42
第 4 章交流、直流及特種電機概述 44
4.1 交流電機 45
4.1.1 同步交流電機 45
4.1.2 異步交流電機（感應電機） 46
4.1.3 三相電機星形連接和三角形連接的區(qū)別 48
4.1.4 直接在線啟動器 49
4.2 直流電機 52
4.2.1 有刷直流電機 52
4.2.2 無刷直流電機 54
4.3 步進電機和伺服電機 54
4.3.1 單極性步進電機 55
4.3.2 雙極性步進電機 55
4.3.3 如何驅動步進電機 55
4.3.4 伺服電機 57
4.4 總結 57
4.5 習題 58
第 5 章變頻器概述 59
5.1 變頻器簡介 59
5.1.1 變頻器的工作原理 60
5.1.2 變頻器的優(yōu)點 61
5.1.3 變頻器的缺點 62
5.1.4 如何選擇變頻器 62
5.2 變頻器接線 63
5.3 基本的變頻器參數(shù)設置 65
5.4 使用面板按鍵控制三相電機的啟停和速度 67
5.5 使用按鈕或開關控制三相電機正轉 / 反轉，并用面板按鍵設置頻率（速度） 68
5.6 使用按鈕或開關控制三相電機正轉 / 反轉，并用電位器（旋鈕）設置頻率（速度） 69
5.7 總結 70
5.8 習題 70
第 6 章使用 CAD 軟件繪制原理圖和接線圖 71
6.1 CAD 軟件系統(tǒng)安裝要求 71
6.2 電氣圖解析 72
6.3 PCSCHEMATIC Automation 軟件概述 73
6.4 下載和安裝 PCSCHEMATIC Automation 74
6.4.1 下載 PCSCHEMATIC Automation 74
6.4.2 安裝 PCSCHEMATIC Automation 76
6.5 啟動 PCSCHEMATIC Automation 并探索界面元素 78
6.5.1 啟動應用程序 78
6.5.2 探索界面元素 78
6.6 在 PCSCHEMATIC Automation 中創(chuàng)建和保存設計方案 79
6.6.1 創(chuàng)建設計方案 79
6.6.2 保存設計方案 81
6.7 使用符號、線條、文本、弧 / 圓形和區(qū)域工具 82
6.7.1 使用符號工具 82
6.7.2 使用線條工具 85
6.7.3 使用文本工具 87
6.7.4 使用弧 / 圓形工具 88
6.7.5 使用區(qū)域工具 89
6.8 使用 PCSCHEMATIC Automation 繪制直接在線（DOL）啟動器的電源和控制電路原理圖 90
6.9 總結 99
6.10 習題 99
第二部分深入理解 PLC、HMI 和 SCADA
第 7 章 PLC 硬件及接線詳解 103
7.1 PLC 概述 104
7.2 PLC 模塊詳解 104
7.2.1 電源模塊 104
7.2.2 CPU 模塊 105
7.2.3 輸入模塊 105
7.2.4 輸出模塊 106
7.2.5 其他 PLC 模塊 106
7.3 PLC 類型探究 107
7.3.1 緊湊型 PLC 107
7.3.2 模塊化 PLC 107
7.4 PLC 掃描周期解析 108
7.5 PLC 主要制造商介紹 108
7.6 PLC 接線實踐（1）開關、指示燈和執(zhí)行器的 PLC 接線 109
7.7 PLC 接線實踐（2）接近傳感器（三線制）的接線 114
7.7.1 PNP 傳感器 115
7.7.2 NPN 傳感器 115
7.8 PLC 接線實踐（3）光電式傳感器（反射式）的接線 117
7.9 西門子 S7-1200 PLC（CPU 1211C AC/DC/Relay）的接線示例118
7.9.1 接線說明 120
7.9.2 接線操作說明 120
7.10 總結 121
7.11 習題 121
第 8 章 PLC 軟件概述及 TIA Portal 編程入門 122
8.1 PLC 中的軟件與程序概念 122
8.2 PLC 編程語言介紹 123
8.2.1 梯形圖 124
8.2.2 功能塊圖 125
8.2.3 指令列表 126
8.2.4 結構化文本 126
8.2.5 順序功能圖 127
8.3 PLC 編程設備介紹 127
8.4 了解不同的 PLC 編程軟件 128
8.5 理解梯形圖的基礎知識 129
8.5.1 探索梯形圖程序的基本元素 131
8.5.2 梯形圖編程規(guī)則 133
8.6 TIA Portal V13 Professional 和 PLCSIM 的下載與安裝 135
8.6.1 下載 TIA Portal V13 和 PLCSIM 的步驟 135
8.6.2 安裝 TIA Portal V13 136
8.6.3 安裝 PLCSIM 137
8.7 使用西門子 TIA Portal 創(chuàng)建項目并編寫程序 137
8.7.1 常開觸點 142
8.7.2 常閉觸點 143
8.7.3 輸出線圈 144
8.7.4 通用指令框 146
8.7.5 并聯(lián)開路 150
8.7.6 并聯(lián)閉路 151
8.8 總結 153
8.9 習題 153
第 9 章 TIA Portal 之 PLC 編程深度探索 154
9.1 打開已保存的程序 155
9.2 使用 Siemens TIA Portal 和 PLCSIM 仿真程序 157
9.3 PLC 編程中的鎖存和解鎖 167
9.3.1 使用常開按鈕實現(xiàn)啟動和停止的鎖存和解鎖程序 167
9.3.2 使用常開按鈕啟動和常閉按鈕停止的鎖存和解鎖程序 168
9.4 在程序中將輸出地址用作輸入 170
9.5 使用置位輸出和復位輸出指令 171
9.5.1 置位輸出：-（S） 171
9.5.2 復位輸出：-（R） 172
9.6 使用定時器操作指令 173
9.6.1 接通延時定時器 173
9.6.2 斷開延時定時器 176
9.7 使用計數(shù)器操作指令 176
9.7.1 加計數(shù) 177
9.7.2 減計數(shù) 179
9.8 使用移動操作指令 180
9.9 使用比較操作指令 181
9.10 使用 PLC 進行液位控制 183
9.11 使用 PLC 的自動灌裝、封蓋和包裝系統(tǒng) 186
9.12 總結 189
9.13 習題 190
第 10 章人機界面全面解析 191
10.1 人機界面簡介 192
10.2 探索 HMI 的應用 193
10.3 理解 HMI 的編程和開發(fā) 194
10.4 了解 HMI 編程軟件 194
10.5 了解主要的 HMI 制造商及其編程軟件 194
10.6 PLC 和 HMI 的接口設計 195
10.6.1 創(chuàng)建項目與添加 PLC 196
10.6.2 PLC 程序配置 198
10.6.3 PLC 程序下載與仿真 200
10.6.4 HMI 設備選擇 202
10.6.5 HMI 與 PLC 的通信配置 205
10.6.6 配置攪拌電機控制 218
10.7 將程序下載到 PLC 和 HMI 228
10.7.1 將程序下載到 PLC 228
10.7.2 將程序下載到 HMI 233
10.8 總結 238
10.9 習題 238
第 11 章探索監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 239
11.1 SCADA 系統(tǒng)簡介 239
11.2 理解 SCADA 系統(tǒng)的功能 240
11.3 SCADA 系統(tǒng)的應用領域 241
11.4 SCADA 系統(tǒng)的硬件組成概覽 241
11.5 SCADA 軟件概述 243
11.5.1 mySCADA 簡介 243
11.5.2 下載和安裝 mySCADA 軟件 244
11.6 使用 mySCADA 軟件將 SCADA 與 S7-1200 PLC 對接 249
11.6.1 TIA Portal 編程 249
11.6.2 為 PC 分配 IP 地址 257
11.6.3 創(chuàng)建 myDESIGNER 項目 260
11.6.4 在 myDESIGNER 項目中創(chuàng)建畫面 268
11.7 總結 280
11.8 習題 280
第三部分過程控制、工業(yè)網(wǎng)絡與智能工廠
第 12 章過程控制基礎 285
12.1 過程控制概述 286
12.2 過程控制術語 289
12.3 ISA 符號體系 290
12.4 溫度測量與變送器 293
12.5 壓力測量與變送器 294
12.6 液位測量與變送器 295
12.7 流量測量與變送器 296
12.8 理解過程控制回路的原理 297
12.9 單回路過程控制的實踐案例 298
12.10 用于過程控制的 PLC（西門子 S7-1200）模擬輸入的接線和編程實踐 300
12.10.1 理解模擬信號 300
12.10.2 讀取模擬值 302
12.10.3 標準化和比例縮放 302
12.10.4 模擬輸入信號處理實際演示 303
12.11 總結 331
12.12 習題 332
第 13 章工業(yè)網(wǎng)絡和通信協(xié)議基礎 333
13.1 工業(yè)網(wǎng)絡概述 333
13.2 網(wǎng)絡拓撲結構 334
13.2.1 點對點拓撲 334
13.2.2 總線拓撲 335
13.2.3 星型拓撲 336
13.2.4 環(huán)形拓撲 336
13.3 網(wǎng)絡媒介有線和無線（藍牙、Wi-Fi 和蜂窩通信1G、2G、3G、4G 和 5G） 337
13.4 網(wǎng)絡連接器和其他網(wǎng)絡組件 339
13.5 網(wǎng)絡協(xié)議解析 340
13.5.1 有線網(wǎng)絡協(xié)議 340
13.5.2 無線網(wǎng)絡協(xié)議 341
13.6 常見工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議Foundation Fieldbus（基金會現(xiàn)場總線） 341
13.7 常見工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線） 343
13.7.1 PROFIBUS DP（分散式外圍設備） 343
13.7.2 PROFIBUS PA（過程自動化） 344
13.8 常見工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議Modbus 345
13.8.1 Modbus RTU 遠程終端單元 346
13.8.2 Modbus 傳輸控制協(xié)議 / 網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP） 347
13.9 常見工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議HART 348
13.10 常見工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議PROFINET 350
13.11 總結 352
13.12 習題 353
第 14 章 5G 驅動的智能工廠（工業(yè) 4.0）探索 354
14.1 理解工業(yè) 4.0 354
14.2 探索工業(yè) 4.0 的關鍵技術 355
14.3 工業(yè) 4.0 的優(yōu)勢分析 357
14.4 構建智能工廠的基本步驟 357
14.5 5G 賦能的智能工廠的優(yōu)勢 358
14.6 PLC 或機器數(shù)據(jù)云端連接實踐 359
14.7 總結 360
14.8 習題 361
習題答案 362

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