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《工業(yè)控制系統(tǒng)及應(yīng)用PLC與人機(jī)界面》系統(tǒng)地闡述了工業(yè)控制系統(tǒng)的組成、體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展與應(yīng)用技術(shù), 對(duì)典型的工業(yè)控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)和監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹與對(duì)比,以使讀者了解工業(yè)控制系統(tǒng)的概貌及其不同特點(diǎn)。本書以羅克韋爾自動(dòng)化Micro800可編程序控制器(PLC)為例,對(duì)PLC的工作原理、編程語言、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信等進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。對(duì)與PLC關(guān)聯(lián)緊密的人機(jī)界面技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)也進(jìn)行了分析。同時(shí)結(jié)合各類案例分析了Micro800 PLC在邏輯順序控制、過程控制與運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用技術(shù)。*后闡述了包含工業(yè)控制系統(tǒng)功能安全與信息安全需求的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用技術(shù),并介紹了如何使用RSLogix5000和FactoryTalk View Studio等軟件及CompactLogix控制器和Anybus以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等硬件設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室換熱過程對(duì)象工業(yè)控制系統(tǒng)。
《工業(yè)控制系統(tǒng)及應(yīng)用PLC與人機(jī)界面》側(cè)重介紹了工業(yè)控制系統(tǒng)核心內(nèi)容,重點(diǎn)分析了Micro850 PLC軟硬件系統(tǒng)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)。在對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)核心知識(shí)介紹的基礎(chǔ)上,通過分析工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)際案例培養(yǎng)讀者的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用能力,具有實(shí)用性、新穎性和完整性。
《工業(yè)控制系統(tǒng)及應(yīng)用PLC與人機(jī)界面》可作為自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科生、研究生的教材,也可作為工業(yè)控制企業(yè)、自動(dòng)化工程公司相關(guān)工程技術(shù)人員的參考書。

前言
工業(yè)控制系統(tǒng)在石油、化工、電力、交通、冶金、市政等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用,與企業(yè)管理系統(tǒng)構(gòu)成了現(xiàn)代企業(yè)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。在工業(yè)4.0及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中,工業(yè)控制系統(tǒng)處于底層核心地位。工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣,產(chǎn)品多樣化,與行業(yè)關(guān)聯(lián)度較高,更新發(fā)展速度較快,造成一些用戶對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)相關(guān)概念模糊,或者從某個(gè)行業(yè)或領(lǐng)域的應(yīng)用局部、片面地理解工業(yè)控制系統(tǒng)。近年來,除了傳統(tǒng)的功能安全外,信息安全也成為工業(yè)控制系統(tǒng)中日益重要的內(nèi)容。本書有針對(duì)性地介紹了工業(yè)控制系統(tǒng)類型、體系結(jié)構(gòu)、組成、發(fā)展與應(yīng)用,以使讀者能夠準(zhǔn)確、全面地了解工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)。本書以羅克韋爾自動(dòng)化Micro850 PLC為例,結(jié)合典型工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用案例,重點(diǎn)闡述了PLC的軟硬件及其編程技術(shù), 對(duì)與PLC結(jié)合緊密的人機(jī)界面及其應(yīng)用技術(shù)也做了介紹。
本書共分為7章。其中第1章概述性地介紹了工業(yè)控制系統(tǒng),包括工業(yè)控制系統(tǒng)組成、分類、發(fā)展及不同類型系統(tǒng)的比較,接著對(duì)PLC進(jìn)行了介紹, 最后介紹了功能安全和安全儀表系統(tǒng)基本概念。第2章介紹了Micro850系列控制器硬件,包括主機(jī)、功能性插件和擴(kuò)展模塊、控制器通信接口。第3章介紹了PLC編程語言及CCW軟件平臺(tái)。第4章介紹了Micro850 PLC指令系統(tǒng)。第5章是本書重點(diǎn)內(nèi)容,通過大量的工程案例介紹了PLC程序設(shè)計(jì)技術(shù)。第6章介紹了工業(yè)人機(jī)界面與工業(yè)控制組態(tài)軟件。第7章介紹了工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)以及工業(yè)控制信息安全及其防護(hù)技術(shù), 重點(diǎn)闡述了實(shí)驗(yàn)室換熱過程的工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)。
本書由華東理工大學(xué)王華忠和南京工業(yè)大學(xué)呂波共同編寫。學(xué)生王宇鑫參與了部分程序的開發(fā)和調(diào)試。羅克韋爾自動(dòng)化有限公司中國(guó)大學(xué)項(xiàng)目部為本書提供了部分技術(shù)資料, 與羅克韋爾自動(dòng)化有限公司合作建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的國(guó)內(nèi)高校的一些教師也對(duì)本書的出版提出了寶貴意見, 在此一并表示感謝。在本書的編寫過程中還參考了不少書籍和資料, 在此也向有關(guān)作者表示感謝。
本書是自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、電氣工程等專業(yè)本科生的專業(yè)課教材, 也可作為工礦企業(yè)、科研單位、設(shè)計(jì)單位、工程公司的工程技術(shù)人員的參考書。
為便于教學(xué),凡采用本書作為教材的學(xué)校,作者免費(fèi)提供電子教案。
由于時(shí)間和編者的水平所限,疏漏在所難免,懇請(qǐng)讀者提出批評(píng)建議,以便進(jìn)一步修訂完善,編者的E-mail是hzwang@ecust.edu.cn。
編者
2019年6月于上海

目錄
前言
第 1 章工業(yè)控制系統(tǒng) ……………………… 1
1. 1 工業(yè)控制基礎(chǔ) …………………………… 1
1. 1. 1 計(jì)算機(jī)控制的一般概念 …………… 1
1. 1. 2 工業(yè)控制系統(tǒng)的組成 ……………… 3
1. 1. 3 現(xiàn)場(chǎng)控制器的主要類型 …………… 8
1. 2 工業(yè)控制系統(tǒng)的分類與發(fā)展 …………… 13
1. 2. 1 生產(chǎn)加工行業(yè)分類及其對(duì)應(yīng)的工業(yè)控制系統(tǒng) ……………………… 13
1. 2. 2 離散制造業(yè)控制系統(tǒng)與流程工業(yè)控制系統(tǒng) ……………………… 15
1. 2. 3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) ………………………… 17
1. 3 典型工業(yè)控制系統(tǒng) ……………………… 19
1. 3. 1 集散控制系統(tǒng) ……………………… 19
1. 3. 2 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集 ( SCADA)系統(tǒng) ………………………………… 20
1. 3. 3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) ………………… 25
1. 3. 4 幾種控制系統(tǒng)的比較 ……………… 25
1. 4 PLC 概述 ………………………………… 27
1. 4. 1 PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展 ………………… 27
1. 4. 2 PLC 的工作原理 …………………… 31
1. 4. 3 PLC 的功能特點(diǎn) …………………… 33
1. 4. 4 PLC 的應(yīng)用 ………………………… 34
1. 4. 5 主要的 PLC 產(chǎn)品及其分類 ……… 35
1. 5 功能安全與安全儀表系統(tǒng) ……………… 36
1. 5. 1 功能安全及相關(guān)概念 ……………… 36
1. 5. 2 安全儀表系統(tǒng) ……………………… 39
1. 5. 3 安全生命周期 ……………………… 44
1. 5. 4 安全儀表產(chǎn)品的類型 ……………… 46
復(fù)習(xí)思考題 …………………………………… 48
第 2 章 Micro800 系列控制器硬件 …… 49
2. 1 Micro800 系列控制器的硬件特性 ……… 49
2. 1. 1 Micro800 系列控制器概述 ………… 49
2. 1. 2 Micro850 控制器的硬件特性 ……… 52
2. 2 Micro800 系列控制器功能性插件及其組態(tài) ………………………………… 58
2. 2. 1 功能性插件模塊 …………………… 58
2. 2. 2 功能性插件組態(tài) …………………… 62
2. 2. 3 2080-IF2 模塊用于溫度采集示例 ………………………………… 65
2. 3 Micro850 控制器擴(kuò)展模塊及其組態(tài) …… 66
2. 3. 1 Micro850 控制器擴(kuò)展模塊 ………… 66
2. 3. 2 Micro850 控制器擴(kuò)展模塊組態(tài) …… 68
2. 3. 3 擴(kuò)展 I / O 數(shù)據(jù)映射 ………………… 71
2. 3. 4 功能性插件模塊與擴(kuò)展模塊的比較 ………………………………… 73
2. 4 CIP 及 Micro800 系列控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ……………………………………… 74
2. 4. 1 CIP 及基于工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ……………………… 74
2. 4. 2 Micro800 系列控制器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ………………………………… 77
2. 4. 3 Micro800 系列控制器的通信組態(tài) ………………………………… 79
復(fù)習(xí)思考題 …………………………………… 81
第 3 章 PLC 編程語言與 CCW 編程軟件 ………………………………… 82
3. 1 PLC 編程語言標(biāo)準(zhǔn) IEC 61131-3 ……… 82
3. 1. 1 傳統(tǒng) PLC 編程語言的不足 ……… 82
3. 1. 2 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生 ………… 83
3. 1. 3 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn) ………… 84
3. 1. 4 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容 …… 85
3. 2 Micro850 編程軟件 CCW ……………… 86
3. 2. 1 CCW 軟件概述 …………………… 86
3. 2. 2 CCW 軟件編程環(huán)境 ……………… 87
3. 3 Micro800 編程語言 ……………………… 89
3. 3. 1 梯形圖編程語言 …………………… 89
3. 3. 2 結(jié)構(gòu)化文本編程語言 ……………… 92
3. 3. 3 功能塊圖編程語言 ………………… 92
3. 3. 4 順序功能圖編程語言 ……………… 95
3. 4 CCW 編程平臺(tái)創(chuàng)建工程 ……………… 100
3. 4. 1 工程創(chuàng)建步驟 …………………… 100
3. 4. 2 工程下載與調(diào)試 ………………… 108
復(fù)習(xí)思考題 …………………………………… 112
第 4 章 Micro800 PLC 指令系統(tǒng) ……… 113
4. 1 Micro800 控制器的內(nèi)存組織 ………… 113
4. 1. 1 數(shù)據(jù)文件 ………………………… 113
4. 1. 2 程序內(nèi)存 ………………………… 114
4. 2 Micro800 控制器的梯形圖指令 ……… 114
4. 2. 1 梯形圖指令元素 ………………… 114
4. 2. 2 梯形圖執(zhí)行控制指令 …………… 117
4. 3 Micro800 控制器的功能塊指令 ……… 119
4. 4 Micro800 控制器的功能指令 ………… 139
4. 4. 1 主要的功能指令 ………………… 139
4. 4. 2 運(yùn)算符功能指令 ………………… 143
4. 5 高速計(jì)數(shù)器功能塊指令 ……………… 146
4. 5. 1 HSC 功能塊 ……………………… 146
4. 5. 2 HSC 狀態(tài)設(shè)置 …………………… 151
4. 5. 3 HSC 的應(yīng)用 ……………………… 151
復(fù)習(xí)思考題 …………………………………… 152
第 5 章 Micro800 系列 PLC 程序設(shè)計(jì)技術(shù) ………………………………… 153
5. 1 Micro800 系列程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ………… 153
5. 1. 1 Micro800 系列的程序執(zhí)行 ……… 153
5. 1. 2 典型環(huán)節(jié)編程 …………………… 156
5. 1. 3 功能塊的創(chuàng)建與使用 …………… 163
5. 1. 4 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法程序設(shè)計(jì) …………… 170
5. 1. 5 時(shí)間順序邏輯程序設(shè)計(jì)法 ……… 173
5. 1. 6 邏輯順序程序設(shè)計(jì)法 …………… 178
5. 1. 7 Micro800 系列中斷程序設(shè)計(jì) …… 179
5. 2 Panel View 觸摸屏界面設(shè)計(jì) ………… 182
5. 2. 1 Modbus 地址映射與 PLC 通信口配置 ……………………………… 182
5. 2. 2 添加終端設(shè)備 …………………… 184
5. 2. 3 終端界面程序設(shè)計(jì) ……………… 185
5. 3 Micro800 系列 PLC 邏輯順序控制程序設(shè)計(jì)示例 ……………………………… 187
5. 3. 1 Micro800 PLC 在機(jī)械臂模擬控制中的應(yīng)用 …………………… 188
5. 3. 2 Micro800 系列 PLC 在工業(yè)生產(chǎn)線控制中的應(yīng)用 ………………… 193
5. 3. 3 Micro800 系列 PLC 在四工位組合機(jī)床控制中的應(yīng)用 ………… 197
5. 4 Micro800 系列 PLC 過程控制程序應(yīng)用設(shè)計(jì)示例 ………………………… 209
5. 4. 1 Micro800 系列 PLC IPID功能塊 …………………………… 209
5. 4. 2 IPID 功能塊應(yīng)用示例 …………… 212
5. 4. 3 PLC 在過程實(shí)驗(yàn)對(duì)象模擬量控制中的應(yīng)用 …………………… 212
5. 5 Micro800 系列 PLC 運(yùn)動(dòng)控制程序應(yīng)用設(shè)計(jì)示例 ………………………… 216
5. 5. 1 絲杠被控對(duì)象及其控制要求 …… 216
5. 5. 2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備配置 ……… 216
5. 5. 3 絲杠運(yùn)動(dòng)控制 PLC 程序設(shè)計(jì) …… 220
5. 5. 4 絲杠控制人機(jī)界面設(shè)計(jì) ………… 225
5. 6 Micro800 系列 PLC 通信程序設(shè)計(jì)示例 …………………………………… 228
5. 6. 1 Micro800 系列 PLC 與第三方設(shè)備的 Modbus 通信程序設(shè)計(jì) …… 228
5. 6. 2 Micro800 系列 PLC 與 Logix PLC以太網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì) …………… 235
復(fù)習(xí)思考題 …………………………………… 237
第 6 章工業(yè)人機(jī)界面與工業(yè)控制組態(tài)軟件 ………………………… 241
6. 1 工業(yè)人機(jī)界面 ………………………… 241
6. 2 組態(tài)軟件概述 ………………………… 242
6. 2. 1 組態(tài)軟件的產(chǎn)生及發(fā)生 ………… 242
6. 2. 2 組態(tài)軟件的功能需求 …………… 244
6. 3 組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)特色 ……… 245
6. 3. 1 組態(tài)軟件的總體結(jié)構(gòu)及其相似性 …………………………… 245
6. 3. 2 組態(tài)軟件的功能部件 …………… 246
6. 3. 3 組態(tài)軟件技術(shù)特色 ……………… 253
6. 4 羅克韋爾 FactoryTalk View Studio 組態(tài)軟件 …………………………………… 255
6. 4. 1 FactoryTalk View Studio 特點(diǎn) …… 255
6. 4. 2 FactoryTalk View Studio 組件 …… 256
6. 4. 3 FactoryTalk View SE 應(yīng)用程序 …… 259
6. 4. 4 FactoryTalk View Machine Edition終端應(yīng)用程序開發(fā)工具 ………… 262
6. 5 人機(jī)界面與控制器通信技術(shù) ………… 262
6. 5. 1 OPC 規(guī)范及 OPC 服務(wù)器配置與測(cè)試 ……………………………… 262
6. 5. 2 組態(tài)軟件中添加 OPC 服務(wù)器及標(biāo)簽 ……………………………… 267
6. 6 用組態(tài)軟件開發(fā)工業(yè)控制系統(tǒng)上位機(jī)的人機(jī)界面 ………………………… 269
6. 6. 1 組態(tài)軟件選型 …………………… 269
6. 6. 2 用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)人機(jī)界面 ………………………… 271
6. 6. 3 工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)表的開發(fā) … 276
6. 6. 4 人機(jī)界面的調(diào)試 ………………… 277
復(fù)習(xí)思考題 …………………………………… 277
第 7 章工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 …… 278
7. 1 工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 ……………… 278
7. 1. 1 工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 ………… 278
7. 1. 2 工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 ………… 278
7. 2 工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)步驟 ……… 280
7. 2. 1 工業(yè)控制系統(tǒng)需求分析與總體設(shè)計(jì) ……………………………… 280
7. 2. 2 工業(yè)控制系統(tǒng)類型確定與設(shè)備選型 ……………………………… 283
7. 2. 3 工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā) … 285
7. 3 工業(yè)控制系統(tǒng)安全設(shè)計(jì) ……………… 286
7. 3. 1 工業(yè)控制系統(tǒng)安全性概述 ……… 286
7. 3. 2 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………… 287
7. 3. 3 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)技術(shù) ……………………………… 289
7. 4 工業(yè)控制系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行 ………… 293
7. 4. 1 離線仿真調(diào)試 …………………… 293
7. 4. 2 在線調(diào)試和運(yùn)行 ………………… 295
7. 5 工業(yè)控制系統(tǒng)電源、接地、防雷和抗干擾的設(shè)計(jì) ………………………… 295
7. 5. 1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) …………………… 295
7. 5. 2 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防雷設(shè)計(jì) ……… 296
7. 5. 3 抗干擾設(shè)計(jì) ……………………… 298
7. 6 換熱實(shí)驗(yàn)對(duì)象工業(yè)控制系統(tǒng) ………… 299
7. 6. 1 換熱實(shí)驗(yàn)對(duì)象工藝及其控制 …… 299
7. 6. 2 Anybus AB7007 網(wǎng)關(guān)配置………… 302
7. 6. 3 Logix PLC 控制系統(tǒng)配置與編程 ……………………………… 309
7. 6. 4 人機(jī)界面工程中 OPC 服務(wù)器的配置 ……………………………… 314
7. 6. 5 上位機(jī)人機(jī)界面組態(tài)設(shè)計(jì) ……… 316
7. 6. 6 配置 FactoryTalk View SEClient ……………………………… 322
7. 6. 7 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行 ………………… 323
復(fù)習(xí)思考題 …………………………………… 328
參考文獻(xiàn) ……………………………………… 329

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