《工业控制系统及应用PLC与人机界面》系统地阐述了工业控制系统的组成、体系结构、发展与应用技术, 对典型的工业控制系统集散控制系统和监控与数据采集(SCADA)系统进行了简要介绍与对比,以使读者了解工业控制系统的概貌及其不同特点。本书以罗克韦尔自动化Micro800可编程序控制器(PLC)为例,对PLC的工作原理、编程语言、应用系统设计技术、网络通信等进行了重点介绍。对与PLC关联紧密的人机界面技术及其应用技术也进行了分析。同时结合各类案例分析了Micro800 PLC在逻辑顺序控制、过程控制与运动控制中的应用技术。*后阐述了包含工业控制系统功能安全与信息安全需求的工业控制系统设计、开发与应用技术,并介绍了如何使用RSLogix5000和FactoryTalk View Studio等软件及CompactLogix控制器和Anybus以太网网关等硬件设计开发实验室换热过程对象工业控制系统。
《工业控制系统及应用PLC与人机界面》侧重介绍了工业控制系统核心内容,重点分析了Micro850 PLC软硬件系统及其在工业生产中的应用技术。在对工业控制系统核心知识介绍的基础上,通过分析工业控制系统实际案例培养读者的工业控制系统设计、开发和应用能力,具有实用性、新颖性和完整性。
《工业控制系统及应用PLC与人机界面》可作为自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化等相关专业大学本科生、研究生的教材,也可作为工业控制企业、自动化工程公司相关工程技术人员的参考书。

前言
工业控制系统在石油、化工、电力、交通、冶金、市政等关键基础设施领域均得到了广泛的应用,与企业管理系统构成了现代企业的综合自动化系统。在工业4.0及工业互联网中,工业控制系统处于底层核心地位。工业控制系统应用范围广,产品多样化,与行业关联度较高,更新发展速度较快,造成一些用户对工业控制系统相关概念模糊,或者从某个行业或领域的应用局部、片面地理解工业控制系统。近年来,除了传统的功能安全外,信息安全也成为工业控制系统中日益重要的内容。本书有针对性地介绍了工业控制系统类型、体系结构、组成、发展与应用,以使读者能够准确、全面地了解工业控制系统的基础知识。本书以罗克韦尔自动化Micro850 PLC为例,结合典型工业控制系统应用案例,重点阐述了PLC的软硬件及其编程技术, 对与PLC结合紧密的人机界面及其应用技术也做了介绍。
本书共分为7章。 其中第1章概述性地介绍了工业控制系统,包括工业控制系统组成、分类、发展及不同类型系统的比较,接着对PLC进行了介绍, 最后介绍了功能安全和安全仪表系统基本概念。第2章介绍了Micro850系列控制器硬件,包括主机、功能性插件和扩展模块、控制器通信接口。第3章介绍了PLC编程语言及CCW软件平台。第4章介绍了Micro850 PLC指令系统。第5章是本书重点内容,通过大量的工程案例介绍了PLC程序设计技术。第6章介绍了工业人机界面与工业控制组态软件。第7章介绍了工业控制系统设计与应用技术以及工业控制信息安全及其防护技术, 重点阐述了实验室换热过程的工业控制系统开发。
本书由华东理工大学王华忠和南京工业大学吕波共同编写。 学生王宇鑫参与了部分程序的开发和调试。 罗克韦尔自动化有限公司中国大学项目部为本书提供了部分技术资料, 与罗克韦尔自动化有限公司合作建立联合实验室的国内高校的一些教师也对本书的出版提出了宝贵意见, 在此一并表示感谢。 在本书的编写过程中还参考了不少书籍和资料, 在此也向有关作者表示感谢。
本书是自动化、测控技术与仪器、电气工程等专业本科生的专业课教材, 也可作为工矿企业、 科研单位、 设计单位、 工程公司的工程技术人员的参考书。
为便于教学,凡采用本书作为教材的学校,作者免费提供电子教案。
由于时间和编者的水平所限,疏漏在所难免,恳请读者提出批评建议,以便进一步修订完善,编者的E-mail是hzwang@ecust.edu.cn。
编者
2019年6月于上海

目 录
前言
第 1 章 工业控制系统 ……………………… 1
1. 1 工业控制基础 …………………………… 1
1. 1. 1 计算机控制的一般概念 …………… 1
1. 1. 2 工业控制系统的组成 ……………… 3
1. 1. 3 现场控制器的主要类型 …………… 8
1. 2 工业控制系统的分类与发展 …………… 13
1. 2. 1 生产加工行业分类及其对应的工业控制系统 ……………………… 13
1. 2. 2 离散制造业控制系统与流程工业控制系统 ……………………… 15
1. 2. 3 工业互联网 ………………………… 17
1. 3 典型工业控制系统 ……………………… 19
1. 3. 1 集散控制系统 ……………………… 19
1. 3. 2 监控与数据采集 ( SCADA)系统 ………………………………… 20
1. 3. 3 现场总线控制系统 ………………… 25
1. 3. 4 几种控制系统的比较 ……………… 25
1. 4 PLC 概述 ………………………………… 27
1. 4. 1 PLC 的产生与发展 ………………… 27
1. 4. 2 PLC 的工作原理 …………………… 31
1. 4. 3 PLC 的功能特点 …………………… 33
1. 4. 4 PLC 的应用 ………………………… 34
1. 4. 5 主要的 PLC 产品及其分类 ……… 35
1. 5 功能安全与安全仪表系统 ……………… 36
1. 5. 1 功能安全及相关概念 ……………… 36
1. 5. 2 安全仪表系统 ……………………… 39
1. 5. 3 安全生命周期 ……………………… 44
1. 5. 4 安全仪表产品的类型 ……………… 46
复习思考题 …………………………………… 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组态 ………………………………… 58
2. 2. 1 功能性插件模块 …………………… 58
2. 2. 2 功能性插件组态 …………………… 62
2. 2. 3 2080-IF2 模块用于温度采集示例 ………………………………… 65
2. 3 Micro850 控制器扩展模块及其组态 …… 66
2. 3. 1 Micro850 控制器扩展模块 ………… 66
2. 3. 2 Micro850 控制器扩展模块组态 …… 68
2. 3. 3 扩展 I / O 数据映射 ………………… 71
2. 3. 4 功能性插件模块与扩展模块的比较 ………………………………… 73
2. 4 CIP 及 Micro800 系列控制器网络结构 ……………………………………… 74
2. 4. 1 CIP 及基于工业以太网的工业控制系统结构 ……………………… 74
2. 4. 2 Micro800 系列控制器的网络结构 ………………………………… 77
2. 4. 3 Micro800 系列控制器的通信组态 ………………………………… 79
复习思考题 …………………………………… 81
第 3 章 PLC 编程语言与 CCW 编程软件 ………………………………… 82
3. 1 PLC 编程语言标准 IEC 61131-3 ……… 82
3. 1. 1 传统 PLC 编程语言的不足 ……… 82
3. 1. 2 IEC 61131-3 标准的产生 ………… 83
3. 1. 3 IEC 61131-3 标准的特点 ………… 84
3. 1. 4 IEC 61131-3 标准的基本内容 …… 85
3. 2 Micro850 编程软件 CCW ……………… 86
3. 2. 1 CCW 软件概述 …………………… 86
3. 2. 2 CCW 软件编程环境 ……………… 87
3. 3 Micro800 编程语言 ……………………… 89
3. 3. 1 梯形图编程语言 …………………… 89
3. 3. 2 结构化文本编程语言 ……………… 92
3. 3. 3 功能块图编程语言 ………………… 92
3. 3. 4 顺序功能图编程语言 ……………… 95
3. 4 CCW 编程平台创建工程 ……………… 100
3. 4. 1 工程创建步骤 …………………… 100
3. 4. 2 工程下载与调试 ………………… 108
复习思考题 …………………………………… 112
第 4 章 Micro800 PLC 指令系统 ……… 113
4. 1 Micro800 控制器的内存组织 ………… 113
4. 1. 1 数据文件 ………………………… 113
4. 1. 2 程序内存 ………………………… 114
4. 2 Micro800 控制器的梯形图指令 ……… 114
4. 2. 1 梯形图指令元素 ………………… 114
4. 2. 2 梯形图执行控制指令 …………… 117
4. 3 Micro800 控制器的功能块指令 ……… 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 运算符功能指令 ………………… 143
4. 5 高速计数器功能块指令 ……………… 146
4. 5. 1 HSC 功能块 ……………………… 146
4. 5. 2 HSC 状态设置 …………………… 151
4. 5. 3 HSC 的应用 ……………………… 151
复习思考题 …………………………………… 152
第 5 章 Micro800 系列 PLC 程序设计技术 ………………………………… 153
5. 1 Micro800 系列程序设计基础 ………… 153
5. 1. 1 Micro800 系列的程序执行 ……… 153
5. 1. 2 典型环节编程 …………………… 156
5. 1. 3 功能块的创建与使用 …………… 163
5. 1. 4 经验设计法程序设计 …………… 170
5. 1. 5 时间顺序逻辑程序设计法 ……… 173
5. 1. 6 逻辑顺序程序设计法 …………… 178
5. 1. 7 Micro800 系列中断程序设计 …… 179
5. 2 Panel View 触摸屏界面设计 ………… 182
5. 2. 1 Modbus 地址映射与 PLC 通信口配置 ……………………………… 182
5. 2. 2 添加终端设备 …………………… 184
5. 2. 3 终端界面程序设计 ……………… 185
5. 3 Micro800 系列 PLC 逻辑顺序控制程序设计示例 ……………………………… 187
5. 3. 1 Micro800 PLC 在机械臂模拟控制中的应用 …………………… 188
5. 3. 2 Micro800 系列 PLC 在工业生产线控制中的应用 ………………… 193
5. 3. 3 Micro800 系列 PLC 在四工位组合机床控制中的应用 ………… 197
5. 4 Micro800 系列 PLC 过程控制程序应用设计示例 ………………………… 209
5. 4. 1 Micro800 系列 PLC IPID功能块 …………………………… 209
5. 4. 2 IPID 功能块应用示例 …………… 212
5. 4. 3 PLC 在过程实验对象模拟量控制中的应用 …………………… 212
5. 5 Micro800 系列 PLC 运动控制程序应用设计示例 ………………………… 216
5. 5. 1 丝杠被控对象及其控制要求 …… 216
5. 5. 2 控制系统结构与设备配置 ……… 216
5. 5. 3 丝杠运动控制 PLC 程序设计 …… 220
5. 5. 4 丝杠控制人机界面设计 ………… 225
5. 6 Micro800 系列 PLC 通信程序设计示例 …………………………………… 228
5. 6. 1 Micro800 系列 PLC 与第三方设备的 Modbus 通信程序设计 …… 228
5. 6. 2 Micro800 系列 PLC 与 Logix PLC以太网通信程序设计 …………… 235
复习思考题 …………………………………… 237
第 6 章 工业人机界面与工业控制组态软件 ………………………… 241
6. 1 工业人机界面 ………………………… 241
6. 2 组态软件概述 ………………………… 242
6. 2. 1 组态软件的产生及发生 ………… 242
6. 2. 2 组态软件的功能需求 …………… 244
6. 3 组态软件系统构成与技术特色 ……… 245
6. 3. 1 组态软件的总体结构及其相似性 …………………………… 245
6. 3. 2 组态软件的功能部件 …………… 246
6. 3. 3 组态软件技术特色 ……………… 253
6. 4 罗克韦尔 FactoryTalk View Studio 组态软件 …………………………………… 255
6. 4. 1 FactoryTalk View Studio 特点 …… 255
6. 4. 2 FactoryTalk View Studio 组件 …… 256
6. 4. 3 FactoryTalk View SE 应用程序 …… 259
6. 4. 4 FactoryTalk View Machine Edition终端应用程序开发工具 ………… 262
6. 5 人机界面与控制器通信技术 ………… 262
6. 5. 1 OPC 规范及 OPC 服务器配置与测试 ……………………………… 262
6. 5. 2 组态软件中添加 OPC 服务器及标签 ……………………………… 267
6. 6 用组态软件开发工业控制系统上位机的人机界面 ………………………… 269
6. 6. 1 组态软件选型 …………………… 269
6. 6. 2 用组态软件设计工业控制系统人机界面 ………………………… 271
6. 6. 3 工业控制系统数据报表的开发 … 276
6. 6. 4 人机界面的调试 ………………… 277
复习思考题 …………………………………… 277
第 7 章 工业控制系统设计与应用 …… 278
7. 1 工业控制系统设计原则 ……………… 278
7. 1. 1 工业控制系统设计概述 ………… 278
7. 1. 2 工业控制系统设计原则 ………… 278
7. 2 工业控制系统设计与开发步骤 ……… 280
7. 2. 1 工业控制系统需求分析与总体设计 ……………………………… 280
7. 2. 2 工业控制系统类型确定与设备选型 ……………………………… 283
7. 2. 3 工业控制系统应用软件的开发 … 285
7. 3 工业控制系统安全设计 ……………… 286
7. 3. 1 工业控制系统安全性概述 ……… 286
7. 3. 2 安全仪表系统设计 ……………… 287
7. 3. 3 工业控制系统信息安全防护技术 ……………………………… 289
7. 4 工业控制系统的调试与运行 ………… 293
7. 4. 1 离线仿真调试 …………………… 293
7. 4. 2 在线调试和运行 ………………… 295
7. 5 工业控制系统电源、 接地、 防雷和抗干扰的设计 ………………………… 295
7. 5. 1 电源系统设计 …………………… 295
7. 5. 2 接地系统设计和防雷设计 ……… 296
7. 5. 3 抗干扰设计 ……………………… 298
7. 6 换热实验对象工业控制系统 ………… 299
7. 6. 1 换热实验对象工艺及其控制 …… 299
7. 6. 2 Anybus AB7007 网关配置………… 302
7. 6. 3 Logix PLC 控制系统配置与编程 ……………………………… 309
7. 6. 4 人机界面工程中 OPC 服务器的配置 ……………………………… 314
7. 6. 5 上位机人机界面组态设计 ……… 316
7. 6. 6 配置 FactoryTalk View SEClient ……………………………… 322
7. 6. 7 系统调试与运行 ………………… 323
复习思考题 …………………………………… 328
参考文献 ……………………………………… 329