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《工业自动化控制系统设计与应用》 内容简介 本书全面深入地探讨了现代工业自动化控制系统的设计、实施、调试与维护等关键环节，旨在为读者提供一套系统、实用的工程实践指南。全书结构清晰，内容涵盖从基础理论到前沿技术的广泛领域，特别注重理论知识与工程实际的紧密结合，力求使读者掌握在复杂工业环境中构建高效、可靠自动化系统的核心能力。 第一部分：自动化系统基础理论与元件选型 本部分首先从工业控制的本质需求出发，系统梳理了传感器、执行器等现场设备的基础原理和选型原则。我们详细阐述了各种常用工业传感器（如压力、温度、流量、位置传感器）的工作机制、技术参数及其在不同工况下的适用性分析。在执行器方面，深入剖析了电机驱动系统（包括步进电机、伺服系统、变频器）、气动和液压元件的控制特性和可靠性设计。 接着，本书重点介绍了自动化系统的“中枢”——可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）。针对主流品牌的PLC硬件架构、指令系统、编程语言（如梯形图、指令表、结构化文本、功能块图）进行了详尽的对比和实践指导。内容覆盖了数据采集、逻辑控制、运动控制和通信管理等核心功能模块的实现方法。对于DCS，则侧重于其组态、操作员站（HMI）的界面设计原则、报警管理策略以及系统级别的冗余和故障恢复机制。 第二部分：控制系统架构与网络通信 现代自动化系统高度依赖于可靠的网络通信。本部分系统地介绍了工业通信技术的发展历程和主流标准。我们深入探讨了现场总线技术（如Profibus, Foundation Fieldbus, DeviceNet）在实时性、带宽和抗干扰性方面的技术指标和应用场景。 此外，本书将大量篇幅用于阐述基于以太网的工业通信协议，特别是EtherNet/IP、Profinet和工业以太网技术。内容包括网络拓扑结构设计、IP地址规划、实时数据传输机制（如TSN，时间敏感网络）的原理与部署，以及如何构建层次清晰、安全可靠的工业控制网络。对于数据集成，我们也介绍了OPC UA标准在打通OT（操作技术）与IT（信息技术）之间的桥梁作用。 第三部分：控制策略与算法实现 控制算法是实现精确生产过程的基础。本部分详细讲解了经典模拟控制理论（PID控制）的深入应用，包括参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、手动整定法）和先进的串级控制、前馈控制、比值控制等复杂结构的设计。我们提供了大量案例，说明如何在非线性和时变系统中优化PID控制器的性能。 针对复杂的工业过程，如精确的位置跟踪和高速运动控制，本书引入了先进的控制方法。这包括模型预测控制（MPC）的基本思想、线性化处理以及在有限资源下的简化实现。对于批量过程控制，则着重介绍了基于ISA-88标准的批次控制模型和软件实现架构，确保产品质量的一致性和可追溯性。 第四部分：人机界面（HMI）与系统集成 高效的人机交互界面是操作人员监控和干预生产过程的关键。本部分详细指导了HMI/SCADA系统的设计规范，强调“少即是多”的原则，确保操作员能够迅速识别异常状态。内容涉及图形元素的设计、数据可视化技术、趋势图的有效展示以及报警信息的优先级划分和处理流程的设计。 在系统集成层面，本书探讨了如何将控制层、监控层与企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）进行有效集成。我们阐述了数据历史化（Historian）系统的构建与应用，以及如何利用这些数据进行生产效率分析（OEE）和设备健康监测（Condition Monitoring）。 第五部分：系统可靠性、安全与维护 自动化系统的可靠性与安全性是保障连续生产的生命线。本部分专注于冗余设计和故障诊断技术。我们详细分析了处理器冗余、I/O冗余、电源冗余和网络冗余的实现方案及其对系统MTBF（平均无故障时间）的影响。 在信息安全方面，鉴于工控系统面临的日益增加的网络威胁，本书系统介绍了工业控制系统安全框架（如IEC 62443标准）。内容包括网络分区（Purdue Model）、防火墙配置、访问控制策略的实施以及针对特定工控协议的安全加固措施。 最后，本书提供了一套系统的系统调试、试运行和维护流程。从出厂前测试（FAT）到现场启动（SAT），再到日常维护中的在线诊断、参数备份与恢复策略，为工程人员提供了实用的操作手册。 适用对象 本书适合于自动化、机电一体化、电气工程等相关专业的本科高年级学生、研究生，以及在制造业、流程工业、电力、石化等领域从事自动化系统设计、项目实施、设备维护和技术升级的工程师和技术人员。阅读本书，读者将能够自信地应对现代工业现场复杂的自动化工程挑战。
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