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出版者:清华大学

作者:田作华

出品人:

页数:301

译者:

出版时间:2007-9

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787302157960

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现代工业自动化与系统集成：理论、技术与实践 内容概要 本书系统性地介绍了现代工业自动化与系统集成领域的核心理论、关键技术及其在复杂工业场景中的应用实践。全书围绕“智能化、集成化、柔性化”的现代制造需求展开，旨在为工程技术人员、系统设计师以及相关专业学生提供一本兼具深度与广度的参考手册。 全书共分为六大部分，涵盖了从基础理论到前沿技术的全面内容： 第一部分：工业自动化系统基础架构与原理 本部分首先对现代工业生产的自动化需求进行深入剖析，界定了自动化系统的基本概念、目标与发展趋势。随后，详细阐述了工业控制系统的基本拓扑结构，重点介绍集中式、分布式和网络化控制架构的特点与适用场景。 核心内容包括： 1. 控制理论回顾与工程应用：快速回顾经典的反馈控制、PID控制原理，并重点探讨其在实际工业过程（如温度、压力、流量控制）中的参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、IMC法）及其局限性。引入先进的鲁棒控制和自适应控制的基本思想，为复杂非线性系统的控制打下理论基础。 2. 传感器与执行器技术：全面梳理工业现场中常用的各类传感器（如电涡流传感器、光电传感器、超声波传感器、力矩传感器）的工作原理、选型标准与误差分析。深入探讨执行器技术，特别是伺服驱动系统、变频器（VFD）的工作模式、控制回路和动态特性。强调数据采集的精度与可靠性在控制系统中的关键作用。 3. 工业网络与通信协议：详尽介绍了工业现场总线（Fieldbus）的演进历史，重点分析CANopen、PROFIBUS DP/PA、DeviceNet等传统总线的技术特点。随后，深入剖析现代以太网技术在工业控制中的应用，包括EtherNet/IP、PROFINET IO/IRT，并对TSN（时间敏感网络）的未来趋势进行展望，确保数据传输的实时性与确定性。 第二部分：可编程逻辑控制器（PLC）与现场编程 本部分聚焦于工业控制的核心执行单元——PLC。内容从PLC的硬件选型、模块化设计原理入手，逐步深入到软件编程与故障诊断。 1. PLC硬件与I/O配置：详细介绍不同品牌（如西门子S7系列、罗克韦尔ControlLogix系列）PLC的CPU性能指标、电源模块、远程I/O站的配置规范。讲解数字量、模拟量I/O的处理精度、采样周期及隔离技术。 2. 标准编程语言与应用：严格按照IEC 61131-3标准，系统介绍五种标准编程语言：梯形图（LD）、指令表（IL）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）和顺序功能图（SFC）。通过大量实际案例，演示如何使用SFC进行复杂的批次过程控制，以及如何利用ST实现复杂的数学运算和数据处理。 3. PLC的高级功能应用：涵盖高速计数、脉冲输出（PTO）在伺服定位中的应用。深入讲解中断程序（Interrupts）的设置与优先级管理，以及如何利用数据块（Data Blocks）进行高效的数据存储与管理。 第三部分：分布式控制系统（DCS）与过程控制 本部分专注于大规模、连续性过程控制，如石油化工、电力、冶金等行业的核心技术——DCS。 1. DCS系统架构与功能层级：解析DCS的三层或四层经典架构（现场层、控制层、监视层、操作管理层）。重点阐述DCS在冗余设计（处理器冗余、网络冗余、电源冗余）上的实现机制，以保障系统的高可靠性。 2. 高级过程控制（APC）：超越传统的PID控制，系统介绍模型预测控制（MPC）的基本原理，包括系统辨识、模型建立（如ARX模型）和优化求解过程。探讨模糊控制和神经网络控制在非线性、时滞过程中的应用潜力。 3. 安全仪表系统（SIS）与功能安全：详细解读IEC 61508/61511标准，明确SIS与BPCS（基本过程控制系统）的独立性要求。讲解风险评估、安全完整性等级（SIL）的确定流程，以及安全回路的设计、验证与生命周期管理。 第四部分：运动控制与机器人系统集成 本部分聚焦于高精度、高动态的离散制造中的运动控制技术。 1. 伺服驱动与多轴同步：深入解析永磁同步电机（PMSM）的工作原理，变频器与伺服驱动器的区别。讲解电子凸轮（Electronic Camming）、虚拟轴同步、插补运动（如直线插补与圆弧插补）的实现技术。 2. 工业机器人基础：介绍工业机器人的运动学基础，包括正运动学（求解末端执行器位姿）与逆运动学（求解关节角度）。重点分析了机器人工作站的离线编程、在线示教、碰撞检测与安全区域划分。 3. CNC与精密定位：讨论数控机床（CNC）中的插补算法、刀具补偿机制。分析高精度编码器（如绝对值编码器）的数据接口与解析方法，确保在高速加工中的位置精度。 第五部分：工业物联网（IIoT）与数据驱动的优化 本部分探讨自动化技术与信息技术的融合，即工业4.0的核心技术栈。 1. 边缘计算与云连接：介绍数据采集网关（Edge Gateway）的功能，包括协议转换、数据预处理和本地存储。分析OPC UA在跨平台、安全数据交换中的核心地位及其信息模型构建。 2. 数据分析与诊断：讲解工业大数据的基础框架（Hadoop/Spark在工业中的应用）。重点介绍设备状态监测（Condition Monitoring）技术，包括振动分析、声学监测和热成像技术，以及如何利用这些数据进行预测性维护（PdM）。 3. 信息安全（OT Security）：针对工业控制系统的网络安全风险，介绍ISA/IEC 62443标准框架。讨论网络分段、访问控制、入侵检测系统（IDS）在OT环境中的部署策略。 第六部分：系统集成、项目管理与调试 本部分关注自动化项目的全生命周期管理，确保技术方案能够高效落地。 1. 自动化项目生命周期管理：详细阐述从用户需求规格说明书（URS）、功能规格说明书（FRS）的编制，到系统设计、硬件采购、工厂验收测试（FAT）和现场验收测试（SAT）的全流程标准。 2. 人机界面（HMI）与可视化：探讨现代HMI的设计原则（如一致性、简洁性、有效反馈），以及组态软件（SCADA/HMI）的数据绑定、报警管理和趋势分析功能。强调用户体验（UX）在操作员工作效率中的影响。 3. 调试、试运行与文档编制：系统介绍I/O联调、控制逻辑调试、联机测试的系统化步骤。强调调试过程中的安全操作规程。最终，规范化验收文档、操作手册和维护文档的编制要求。 本书特色 本书强调理论与工程实践的紧密结合，大量引用了来自化工、汽车制造、包装机械等行业的一线工程案例，展示了如何将复杂的控制理论转化为稳定、高效的工业解决方案。书中包含了大量的流程图、系统框图和代码片段，帮助读者建立直观的理解和操作能力。通过对不同控制层级、不同行业标准的深入解析，本书致力于培养读者构建和管理复杂自动化系统的综合能力。

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这本书的案例分析部分简直是形同虚设。如果说理论部分是晦涩难懂，那么案例分析部分就是空洞乏味。作者给出的每一个“实例”，都设置在一个高度理想化、完全脱离真实工业环境的假设场景中。没有提到任何关于预算限制、时间压力、硬件兼容性或者突发错误处理的真实世界挑战。我尝试将书中的公式套用到我目前正在参与的一个小型项目模拟中，结果发现结果完全不可信，因为模型假设与实际情况相去甚远。读完这些案例，我没有感到一丝“豁然开朗”，反而更加困惑：难道在真正的工程实践中，所有问题都是如此干净利落、变量清晰吗？这种脱离实际的“完美案例”不仅没有起到巩固知识的作用，反而可能误导读者对现实复杂性的理解，让他们在进入真实工作场景时感到措手不及。

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这本书的排版和设计简直是上个世纪的产物。打开书本，首先映入眼帘的是大片大片密不透风的文字，段落之间几乎没有喘息的空间，行距窄得让人怀疑印刷厂是不是想省纸。图表部分更是让人抓狂，那些所谓的“示意图”清晰度低到令人发指，灰蒙蒙的线条和模糊不清的标签，让我完全无法分辨其中的关键路径和连接关系。更不用提索引部分了，查找一个基本术语需要像寻宝一样在书的后半部分深挖，而且很多重要的交叉引用竟然缺失了，这对于需要快速回顾知识点的读者来说，简直是效率上的巨大打击。阅读体验差到极致，我不得不借用荧光笔和便利贴，在书页上画出大量的箭头和圈点，试图自己构建一个比原书更清晰的阅读地图。坦白说，一本技术书籍，如果连最基本的视觉友好度都做不到，那么它在内容上的努力也大打折扣了，因为你根本没有心情和精力去深入阅读那些艰涩的内容。

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这本书的语言风格简直是灾难。读起来就像在啃一块硬邦邦、毫无滋味的石头，每一个句子都充满了教科书式的僵硬和晦涩。作者似乎完全沉浸在自己的专业术语世界里，对如何向初学者解释这些概念毫无概念。我花了大量时间在谷歌上搜索那些他在书中信手拈来的词汇，感觉自己更像一个忙碌的词典编纂者，而不是一个学习者。举例来说，关于某个关键算法的描述，他用了好几段话堆砌了复杂的数学符号，却没有一个生动的、能让人立刻理解的实际应用场景。等到我费力猜出他大概在说什么时，我已经错过了好几个更重要的概念点。这本书的结构也极其混乱，章节之间的逻辑跳跃性很大，有时候感觉前一章的内容刚讲到一半，下一章就突然转向了一个完全不相关的话题。对于希望建立清晰知识框架的读者来说，这本书简直是噩梦，它更像是一份毫无修饰的原始研究笔记，而不是一本经过精心打磨的入门指南。我实在无法推荐给任何一个需要通过阅读来真正掌握基础知识的人。

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作者在引用和参考资料的处理上显得极其随意和不负责任。书中虽然标注了一些脚注，但很多关键的引述来源模糊不清，甚至有些明显是引用了过时的标准或已被证明有缺陷的研究成果，却没有做任何的修正或说明。更令人不安的是，书中反复出现的某些“标准公式”在不同章节之间竟然存在细微的数值差异，这让我不得不花费大量时间去对比和推断哪个版本才是作者当前想要强调的，或者干脆去查阅其他权威资料来验证。这种内部不一致性极大地损害了书籍的权威性和可信度。对于一本需要作为“基础”来依赖的学习资料来说，这种基本的事实核查疏忽是不可容忍的。它让人对作者的严谨程度产生根本性的怀疑，使得读者在面对任何一个知识点时，都不得不打一个大大的问号。

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书中对于理论背景的挖掘深度，远超出了一个“基础”读物所应有的范畴，这使得它在定位上显得十分尴尬。它一方面试图面面俱到地介绍各个分支的起源和发展脉络，另一方面又在核心的实践技巧上蜻蜓点水，没有提供足够的步骤分解或代码片段来进行演示。我期待的是一本能帮我快速上手解决实际问题的操作手册，但拿到手的却更像是一部关于这门学科历史沿革的学术论文集。对于一个初学者而言，过多地纠结于十九世纪某个先驱提出的晦涩定理，并不能直接帮助我解决当下遇到的工程难题。我翻阅了很多章节，发现作者总是在关键的操作点上戛然而止，然后立即将话题引向了更高深的数学推导，这让我的求知欲和实际操作能力之间产生了巨大的鸿沟。这本书似乎更适合已经具备深厚理论功底的研究人员进行文献回顾，而不是面向渴望构建实践技能的工程新人。

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