Промышленная электроника

Дж. Рег

Промышленная
электроника

Москва, 2023

2-е издание, электронное

УДК 621.38
ББК 32.973.26-108.2
Р31

Р31
Рег, Джеймс.
Промышленная электроника / Рег Дж. ; пер. с англ. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 1138 с. — 
Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital 
Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-366-0

Предметом промышленной электроники является электроника, используемая при выполнении 
технологических процессов, необходимых для производства различных видов товаров и услуг.
В этой книге рассмотрены многие элементы электронных систем, причем акцент сделан на том, 
как эти элементы вписываются в промышленное применение. Учебник выстроен в соответствии с 
традиционными курсами промышленной электроники, существующими в технических университетах. 
В нем рассматриваются двигатели постоянного и переменного токов, вопросы дискретного и аналогового 
управления производственным процессом, ключи и датчики, а также системы управления и 
автоматизации производства. Кроме того, разделы, посвященные механотронике, в равной степени 
полезны и для изучающих курс механики, поскольку знакомят с концепциями электромеханики, 
использующимися в промышленных машинах и автоматике.
Издание предназначено студентам старших курсов радио- и электротехнических специальностей 
вузов, обучающихся по специальности «Промышленная электроника», инженерам, а также будет 
полезно всем читателям, интересующимся современной электроникой.

УДК 621.38 
ББК 32.973.26-108.2

Электронное издание на основе печатного издания: Промышленная электроника / Рег Дж. ; пер. с англ. — Москва : 
ДМК Пресс, 2016. — 1136 с. — ISBN 978-5-97060-218-8. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то 
ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно 
существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим 
издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, 
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-366-0
© Pearson Education Inc.,
© Издание, оформление ДМК Пресс, 2016

ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................................... 12

ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННУЮ ЭЛЕКТРОНИКУ ......................... 19
Цель главы ............................................................................................. 19
Применение знаний в профессиональной деятельности ........................ 20
1.1
Введение ........................................................................................ 21
1.2
Краткая история развития промышленной электроники ............... 22
1.3
Типы промышленного производства.............................................. 25
1.4
Классификация устройств управляющей промышленной
электроники ................................................................................... 27
1.5
Пирамида и дерево технологий ...................................................... 29
1.6
Поиск и устранение неисправностей системы ............................... 33
1.7
Знания, необходимые для схемотехнического анализа .................. 47
1.8
Вебсайты для данного раздела ..................................................... 48
Резюме ................................................................................................... 48
Вопросы.................................................................................................. 50
Проблемы поиска неисправностей ........................................................ 51
Задачи..................................................................................................... 52

ГЛАВА 2
ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ДИСКРЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА
УПРАВЛЕНИЯ ....................................................................................... 54
Цель главы ............................................................................................. 54
Применение знаний в профессиональной деятельности ........................ 55
2.1
Введение в дискретное управление ............................................... 56
2.2
Классификация переключателей по механическим
и электрическим свойствам ........................................................... 56
2.3
Ручные переключатели для электронных схем .............................. 71
2.4
Механические переключатели электронных схем ......................... 78
2.5
Мощные ручные переключатели для промышленого
управления ..................................................................................... 81
2.6
Переключатели для промышленого управления
с механическим приводом .............................................................. 92
2.7
Переключатели, управляемые технологическим процессом ....... 100
2.8
Дискретные выходные устройства — приводы ........................... 106
2.9
Реле.............................................................................................. 109
2.10 Контакторы .................................................................................. 117
2.11 Клапаны ....................................................................................... 119
2.12 Нагреватели и сигнальные лампы ............................................... 128
2.13 Схемы управления ....................................................................... 129

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

ëÓ‰ÂʇÌËÂ
4

2.14 Поиск неисправностей во входных и выходных устройствах ....... 140
2.15 Вебсайты производителей входных и выходных устройств ........ 145
Краткий обзор главы 2 ......................................................................... 146
Вопросы................................................................................................ 149
Вопросы по справочным данным.......................................................... 151
Проблемы поиска неисправностей ...................................................... 152
Задачи................................................................................................... 152

ГЛАВА 3
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА В ПРОМЫШЛЕННОЙ
ЭЛЕКТРОНИКЕ ................................................................................... 155
Цель главы ........................................................................................... 155
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 156
3.1
Введение в твердотельные устройства......................................... 156
3.2
рn переход и твердотельные устройства ..................................... 158
3.3
Биполярный транзистор............................................................... 166
3.4
Транзисторные ключи .................................................................. 172
3.5
Твердотельные реле ..................................................................... 182
3.6
Цепи смещения транзисторных усилителей ................................ 185
3.7
Транзисторный усилитель с общим эмиттером............................ 189
3.8
Транзисторный регулятор напряжения........................................ 194
3.9
Транзисторный инвертор ............................................................. 197
3.10 Транзисторные преобразователи постоянного
напряжения .................................................................................. 203
3.11 Диагностирование схем с биполярными транзисторами ............. 211
3.12 Другие твердотельные устройства ............................................... 212
3.13 Вебсайты о твердотельных устройствах ..................................... 221
Резюме ................................................................................................. 222
Вопросы................................................................................................ 224
Вопросы по справочным данным.......................................................... 225
Задачи................................................................................................... 226

ГЛАВА 4
ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ЛИНЕЙНЫЕ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ................................................................. 229
Цель главы ........................................................................................... 229
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 230
4.1
Операционные усилители. Краткий исторический очерк ............ 231
4.2
Введение в параметры операционных усилителей....................... 232
4.3
Пояснение к справочным данным операционных усилителей ..... 233
4.4
Инвертирующие усилители ......................................................... 240
4.5
Неинвертирующие усилители ...................................................... 245
4.6
Суммирующие усилители............................................................. 247
4.7
Дифференциальные усилители .................................................... 249

ëÓ‰ÂʇÌËÂ
5

4.8
Преобразователи напряжения в ток ............................................ 250
4.9
Преобразование тока в напряжение ............................................ 251
4.10 Интеграторы и дифференциаторы ............................................... 252
4.11 Компараторы и датчики окна ....................................................... 256
4.12 Схемы активных фильтров ........................................................... 262
4.13 Контрольноизмерительные усилители ....................................... 274
4.14 Усилители разностных токов ....................................................... 278
4.15 Поиск неисправностей в устройствах на базе ОУ ....................... 287
4.16 Вебсайты по операционным усилителям.................................... 289
Резюме ................................................................................................. 290
Вопросы................................................................................................ 292
Вопросы по справочным листам .......................................................... 294
Задачи................................................................................................... 294

ГЛАВА 5
ПРИБОРЫ ИЗ СЕМЕЙСТВА ТИРИСТОРОВ..................................... 297
Цель главы ........................................................................................... 297
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 298
5.1
Введение в тиристоры .................................................................. 298
5.2
Кремниевые управляемые вентили.............................................. 300
5.3
Устройства переключения тиристора .......................................... 316
5.4
Применения тиристоров .............................................................. 327
5.5
Симисторы ................................................................................... 330
5.6
Применения симисторов .............................................................. 343
5.7
Управляемые переключатели ...................................................... 346
5.8
Поиск неисправностей тиристоров .............................................. 353
5.9
Вебсайты о тиристорах ............................................................... 353
Резюме ................................................................................................. 354
Вопросы................................................................................................ 355
Вопросы по справочным листам .......................................................... 357
Задачи................................................................................................... 357

ГЛАВА 6
ДАТЧИКИ И УСТРОЙСТВА ДИСКРЕТНОЙ АВТОМАТИКИ............. 361
Цели обучения ...................................................................................... 361
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 362
6.1
Введение в электронные датчики ................................................. 363
6.2
Бесконтактные датчики приближения ......................................... 366
6.3
Бесконтактнные датчики фотоэлектрического типа .................... 383
6.4
Интерфейсы выходного устройства датчика ................................ 409
6.5
Аналоговые датчики для систем автоматизации .......................... 413
6.6
Выбор и применение датчиков ..................................................... 417
6.7
Подключение датчиков к цепям питания и управления ............... 429
6.8
Системы технического зрения ..................................................... 433

ëÓ‰ÂʇÌËÂ
6

6.9
Поиск неисправностей при применении дискретных
датчиков ....................................................................................... 445
6.10 Вебсайты для дискретных датчиков автоматизации ................... 449
Резюме ................................................................................................. 450
Вопросы................................................................................................ 453
Вопросы по справочным данным.......................................................... 455
Проблемы поиска неисправностей ...................................................... 456
Задачи................................................................................................... 457

ГЛАВА 7
ДАТЧИКИ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АНАЛОГОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ ................... 461
Цель главы ........................................................................................... 461
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 462
7.1
Введение ...................................................................................... 463
7.2
Силовые приводы и выходные устройства ................................... 463
7.3
Управляющие клапаны ................................................................ 463
7.4
Электронагревательные элементы .............................................. 472
7.5
Обзор датчиков, усилителей и преобразователей для систем
управления ................................................................................... 475
7.6
Датчики температуры .................................................................. 478
7.7
Датчики давления......................................................................... 489
7.8
Расходомеры ................................................................................ 499
7.9
Датчики уровня ............................................................................ 514
7.10 Датчики положения ..................................................................... 525
7.11 Другие датчики процесса ............................................................. 529
7.12 Устройства управления процессом поиска неисправностей
и датчики ...................................................................................... 531
7.13 Вебсайты по устройствам управления процессом
и датчиков .................................................................................... 533
Резюме ................................................................................................. 534
Вопросы................................................................................................ 538
Задачи................................................................................................... 540

ГЛАВА 8
БЕЗОПАСНОСТЬ ................................................................................ 543
Цель главы ........................................................................................... 543
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 543
8.1
Введение в технику безопасности ................................................ 545
8.2
Требования техники безопасности............................................... 545
8.3
Безопасность обслуживащего персонала .................................... 547
8.4
Охрана труда на производственных участках............................... 550
8.5
Датчики присутствия.................................................................... 551
8.6
Устройства электромеханической блокировки ............................ 557

ëÓ‰ÂʇÌËÂ
7

8.7
Разработка стратегии обеспечения безопасности ....................... 565
8.8
Рекомендации при проектировании ............................................. 573
8.9
Подсчет стоимости программы обеспечения безопасности......... 573
8.10 Вебсайты по технике безопасности ............................................ 574
Резюме ................................................................................................. 575
Вопросы................................................................................................ 577
Задачи................................................................................................... 578

ГЛАВА 9
ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ИХ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ..................................................................................... 581
Цель главы ........................................................................................... 581
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 582
9.1
Введение ...................................................................................... 583
9.2
Теория магнетизма ....................................................................... 584
9.3
Возможности двигателя постоянного тока .................................. 587
9.4
Компоненты двигателя постоянного тока .................................... 590
9.5
Работа двигателей постоянного тока и их основные типы ........... 595
9.6
Электродвигатели постоянного тока с последовательным
возбуждением............................................................................... 597
9.7
Электродвигатели постоянного тока с параллельным
возбуждением............................................................................... 607
9.8
Двигатели постоянного тока со смешанным возбуждением ........ 615
9.9
Другие методы управления скоростью и направлением
вращения...................................................................................... 621
9.10 Тяговые двигатели постоянного тока ........................................... 633
9.11 Методы торможения .................................................................... 635
9.12 Вебсайты по двигателям постоянного тока и схемам
управления ................................................................................... 638
Резюме ................................................................................................. 640
Вопросы................................................................................................ 641
Задачи................................................................................................... 643

ГЛАВА 10 ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ПРИВОДЫ
С РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ .................................................. 645
Цель главы ........................................................................................... 645
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 646
10.1 Введение ...................................................................................... 647
10.2 Основные принципы работы........................................................ 647
10.3 Компоненты двигателя переменного тока ................................... 653
10.4 Однофазные асинхронные двигатели ........................................... 661
10.5 Трехфазные двигатели переменного тока .................................... 669
10.6 Управление трехфазными двигателями ....................................... 682

ëÓ‰ÂʇÌËÂ
8

10.7 Расшифровка данных, приведенных в табличке на двигателе ..... 689
10.8 Приводы двигателей переменного тока ....................................... 694
10.8 Вебсайты по двигателям переменного тока и приводам
с регулированием скорости .......................................................... 699
Резюме ................................................................................................. 700
Вопросы................................................................................................ 701
Задачи................................................................................................... 702

ГЛАВА 11 СПЕЦИАЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ .................. 705
Цель главы ........................................................................................... 705
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 706
11.1 Введение в.................................................................................... 706
11.2 Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами.............. 707
11.3 Бесщеточные двигатели постоянного тока .................................. 714
11.4 Шаговые двигатели...................................................................... 719
11.5 Серводвигатели............................................................................ 731
11.6 Оптические кодеры ...................................................................... 736
11.7 Резольверы .................................................................................. 746
11.8 Сравнение двигателей специального назначения ........................ 750
11.9 Вебсайты по двигателям специального назначения
и устройствам управения ими ...................................................... 750
Резюме ................................................................................................. 751
Вопросы................................................................................................ 753
Задачи................................................................................................... 754

ГЛАВА 12 ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ ............... 757
Цель главы ........................................................................................... 757
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 758
12.1
Введение.................................................................................... 759
12.2
Системы ПЛК и ее компоненты ................................................ 763
12.3
Типы ПЛК ................................................................................. 770
12.4
Стандартные языки IEC 611313.............................................. 773
12.5
Язык лестничных схем (LD) по стандарту IEC 611313 ........... 775
12.6
Традиционное программирование логических лестничных схем... 780
12.7
Язык функциональных блоксхем ............................................. 805
12.8
Язык структурированного текста (SТ) ...................................... 817
12.9
Последовательные функциональные диаграммы (SFC) ........... 828
12.10 Вебсайты о программируемых логических контроллерах ....... 839
Резюме ................................................................................................. 843
Вопросы................................................................................................ 846
Вопросы по справочным данным.......................................................... 848
Задачи................................................................................................... 849

ëÓ‰ÂʇÌËÂ
9

ГЛАВА 13 ВСТРОЕННЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ .......................................... 853
Цель главы ........................................................................................... 853
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 853
13.1 Введение ...................................................................................... 854
13.2 Аппаратные средства микроконтроллеров .................................. 856
13.3 Справочные данные микроконтроллеров .................................... 858
13.4 Основы программирования микроконтроллеров......................... 863
13.5 Применение встроенных микроконтроллеров ............................. 868
13.6 Вебсайты с информацией о встроенных микроконтроллерах .... 871
Резюме ................................................................................................. 871
Вопросы................................................................................................ 873
Задачи................................................................................................... 875

ГЛАВА 14 УПРАВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫМИ ПРОЦЕССАМИ ......................... 877
Цель главы ........................................................................................... 877
Применение знаний в профессиональной деятельности ...................... 878
14.1
Введение.................................................................................... 879
14.2
Реакция системы ....................................................................... 881
14.3
Разомкнутые и замкнутые системы управления ....................... 886
14.4
Показатели эффективности управляющих систем.................... 903
14.5
Процессы с опережением и запаздыванием ............................. 921
14.6
Контроллеры позиционных регуляторов ................................... 931
14.7
Контроллеры непрерывного действия с одной петлей
обратной связи .......................................................................... 944
14.8
Цифровое управление ............................................................... 962
14.9
Режим ручного управления и безударное переключение.......... 970
14.10 Контроллеры с нечетким управлением ..................................... 970
14.11 Процесс настройки управляющих систем ................................. 978
14.12 Система обозначений и стандартных символов ........................ 989
14.13 Вебсайты по управлению непрерывными процессами ............ 997
Резюме ................................................................................................. 997
Вопросы.............................................................................................. 1001
Вопросы по справочным данным........................................................ 1003
Задачи................................................................................................. 1004

ГЛАВА 15 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ
ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ ....................................................... 1007
Цель главы ......................................................................................... 1007
Применение знаний в профессиональной деятельности .................... 1008
15.1 Введение .................................................................................... 1008
15.2 Определение промышленных роботов....................................... 1009
15.3 Основная система робота .......................................................... 1017

ëÓ‰ÂʇÌËÂ
10

15.4
Инструментальная оснастка ................................................... 1025
15.5
Контроллер робота .................................................................. 1038
15.6
Обучающие станции ................................................................ 1044
15.7
Основы программирования роботов ....................................... 1045
15.8
Программируемые сервороботы ............................................. 1052
15.9
Синтаксис языка программирования сервороботов ............... 1055
15.10 Программирование разомкнутых робототехнических
систем ...................................................................................... 1062
15.11 Безопасность робота ............................................................... 1066
15.12 Диагностирование робототехнических систем ........................ 1069
15.13 Вебсайты о промышленных роботах...................................... 1071
Резюме ............................................................................................... 1072
Вопросы.............................................................................................. 1075
Вопросы по справочным данным........................................................ 1076
Проблемы безопасности .................................................................... 1077
Задачи................................................................................................. 1077

ГЛАВА 16 ОБМЕН ДАННЫМИ МЕЖДУ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ
МАШИНАМИ .................................................................................... 1081
Цель главы ......................................................................................... 1081
Применение знаний в профессиональной деятельности .................... 1082
16.1 Введение .................................................................................... 1083
16.2 Классификация сетевых сред передачи данных ......................... 1088
16.3 Сети предприятий ...................................................................... 1098
16.4 Сеть предприятия....................................................................... 1102
16.5 Сети Fieldbus ............................................................................. 1111
16.6 Поиск сетевых неисправностей ................................................. 1114
16.7 Вебсайты о сетях передачи данных........................................... 1119
Резюме ............................................................................................... 1119
Вопросы.............................................................................................. 1121
Задачи................................................................................................. 1122

ГЛОССАРИЙ........................................................................................................ 1123

Посвящается моему лучшему другу и любимой жене Мерси

и моим внукам – Исааку, Саманте, Амелии, Джейсон и Катерине

Джеймс Рег

Посвящается моей любимой жене Розанне
и памяти моих родителей, Джона и Анны,

которые привили мне любовь к писательскому творчеству

Гленн Сартори

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ
è‰ËÒÎÓ‚ËÂ

ÇÇÖÑÖçàÖ

Предметом промышленной электроники является электроника, используемая в промышленности, чтобы выполнять множество технологических процессов, необходимых при производстве всех видов товаров и услуг. Чем такая электроника отличается
от электроники других типов, используемой в технике и технологии? Электроника,
применяемая в промышленности, использует концепции, рассматриваемые в разнообразных электрических и электронных курсах, от цепей постоянного тока до систем
управления. В этом учебнике рассмотрена совокупность многих элементов электроники, причем акцент сделан на том, как эти элементы вписываются в промышленные
применения. В результате, учебник выстроен в соответствии с традиционными курсами промышленной электроники, существующими во многих двухи четырехлетних
программах обучения электротехнике в технологических университетах. В учебнике
также рассматриваются двигатели постоянного и переменного токов, вопросы дискретного и аналогового управления производственным процессом, ключи и датчики,
а также системы управления и автоматизации производства. Кроме того, разделы,
посвященные мехатронике, в равной степени полезны и для курсов механики, поскольку они знакомят с концепциями электромеханики, использующимися в промышленных машинах и автоматике.

óíé ÑÄÖí ìóÖÅçàä ëíìÑÖçíÄå

Поскольку технологические установки являются сложными системами с высокой
степенью автоматизации, для работы в сфере автоматизации производства требуется большое число дипломированных специалистов: инженеров и технологов. Студенты, которые будут иметь дело с производственными системами в промышленности
должны понимать теорию и принципы работы электронной техники. Наша главная
цель состояла в том, чтобы создать ясный и всесторонний учебник для изучения промышленной электроники и систем управления. Материал изложен в логическом порядке, концепции должны быть понятны для неподготовленного читателя и в учебнике мы старались полностью осветить все области знаний, необходимые студентам.
Многие авторы используют для описания незнакомые студентам термины, без пред

варительного их определения. В настоящем учебнике незнакомые термины и технические выражения определяются при первом их упоминании.

Каждая глава начинается разделом с названием «Применение знаний в профессии», в котором рассказывается, как рассматриваемая информация может использоваться при работе в промышленности. В этом разделе описываются также виды
задач или области профессиональной деятельности, которыми могут заняться студенты, если материал, изложенный в главе, покажется им интересным и захватывающим. В материал включены также многочисленные рисунки и примеры решения
задач, помогающие разъяснить представленные концепции. Чтобы сделать обучение
более наглядным и представить необходимые примеры, используются также многочисленные ресурсы, имеющиеся в сети Интернет. Вопросы и задачи в конце каждой
главы основаны на реальных ситуациях, встречающихся в промышленной практике.
Учебник создан для студентов технологических университетов с двухи четырехлетними курсами обучения технологии. При изучении этого курса промышленной электроники считается, что читатель имеет твердые знания в области схем постоянного и
переменного тока, а также уверенно владеет математическим аппаратом алгебры и
тригонометрии. Следовательно, текст может использоваться уже в третьем, либо
в четвертом семестре, поскольку вся теория полупроводниковых устройств включена в первые главы учебника. Текст может также использоваться в двухи четырехлетних программах подготовки инженеровмехаников с акцентом на разделах, посвященных мехатронике.

ëíêìäíìêÄ ìóÖÅçàäÄ

Главы данного учебника имеют одинаковую структуру, общими чертами для которой
являются следующие:

В начале каждой главы приводятся цели обучения.

Затем следует раздел «Применение знаний в профессии», в котором рассказывается, как рассматриваемые концепции используются в различных задачах
и в областях деятельности, которые студенты могут выбрать на основе рассмотренной в данной главе области технологии.

Широта круга рассматриваемых разделов промышленной электроники, равна
или превышает объемы, покрываемые имеющимися в продаже учебниками.

Применяется метод пирамиды обучения — от развития основных концепций
электроники и устройств в первых главах до промышленных машин и систем
в последующих. Такое построение глав обеспечивает логическую последовательность изложения материала.

Включены главы, описывающие работу и методы программирования программируемых логических контроллеров с полным рассмотрением новых языков
программирования стандарта IEC 61131.

ëÚÛÍÚÛ‡ ۘ·ÌË͇
13

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ

В большинстве глав приведены концепции поиска неисправностей, касающиеся материалов данной главы

В каждой главе рассматриваются примеры решения задач и приводятся поясняющие материал рисунки.

Основные концепции и краткое содержание, приведенные в каждой главе помогают лучшему пониманию и запоминанию материала.

В конце главы приводятся вопросы и задачи практического плана, представляющие собой короткие эссе; вопросы, требующие поиска материалов в Интернет, проблемы поиска неисправностей и расчетные задачи различных
уровней трудности.

В каждой главе приведены полезные ресурсы Интернета и адреса сети.

Согласованное введение и рассмотрение материалов позволяет следовать при
обучении принятой в книге последовательности глав; однако, автономный характер разделов каждой главы позволяет преподавателям корректировать
последовательность глав, чтобы приспособить ее к собственной программе
обучения.

Глоссарий облегчает ознакомление с терминами, используемыми в книге.

ëéÑÖêÜÄçàÖ ÉãÄÇ

Глава 1 содержит введение в предмет промышленной электроники и рассматривает
краткую историю промышленной электроник. Определена термин «промышленная
электроника», и классифицируются различные применения. Понятия представлены
в виде пирамиды обучения так, чтобы студенты могли понять какие базовые знания
необходимы для освоения каждой последующей области. Представлено также дерево технологий, чтобы студенты могли выявить связи между многочисленными ветвями промышленной электроники. Представлена также структура процесса поиска
неисправностей в любой электронная системе, с рассмотрением методов, которые
обеспечивают компетентный и эффективный процесс поиска неисправностей.

Глава 2 представляет устройства самого низкого уровня, используемые в индустриальном управлении, а именно переключатели, приводы и индикаторы. Переключатели классифицированы областям промышленного использования и по типу приведения в действие: ручному, механическому или с помощью слежения за параметрами
производственного процесса. Всестороннее рассмотрены клапаны и сигнальные
лампы. Кроме того, описываются управляющие реле, реле времени, пускатели для
двигателей, стандартные схемы управления, включая двухи трехпроводные схемы
управления. Рассматриваются также релейные логические лестничные схемы с точки зрения их работы и достаточно сложного процесса разработки. Кроме того описываются коммутационные устройства, как бытовые, так и промышленные, которые
традиционно занимают большой объем в любом курсе промышленной электроники .

14

Глава 3 посвящена полупроводниковым устройствам, используемым в промышленном управлении, включая некоторые типы диодов, биполярных и полевых транзисторов и тиристоров. В дополнение к исследованию работы устройств, описаны и
проанализированы многочисленные стандартные схемы, в которых эти устройства
используются. Примерами здесь являются бесконтактные реле, схемы смещения
усилителей, стабилизаторы напряжения, инверторы и ряд типов преобразователей
постоянного напряжения в постоянное (конвертеров).

В главе 4 всестороннее рассматриваются операционные усилители, обычно используемые в системах промышленного электронного управления. После краткой истории
развития этой области, рассмотрены все принципиальные схемы (инвертирующие
и неинвертирующие усилители, повторитель напряжения, суммирующий усилитель,
дифференциальный усилитель, компараторы и оконные детекторы, активные фильтры,
измерительные усилители, и усилители разности токов), а также многочисленные применения этих схем. Глава заканчивается с поиском неисправностей в устройствах и схемах на их основе.

Глава 5 обеспечивает законченный краткий обзор ключевых полупроводниковых

устройств, включая кремневые управляемые вентили (КУВ), симисторы и четыре
других устройства тиристорного типа (диод Шокли – динистор, двунаправленный
динистор – диак и два типа однопереходных транзисторов). Рассматривается работа
и характеристики каждого устройства, включая описание его работы устройства
в типовых схемах. Глава заканчивается обширным разделом поиска неисправностей,
помогающим студентам освоить эффективную методику их поиска и устранения.

Глава 6 обеспечивает всестороннее рассмотрение бесконтактных дискретных

датчиков и устройств автоматизации. Описываются три главные категории – датчики
приближения, фотоэлектрические датчики и системы технического зрения, с подкатегориями в каждой из этих областей. Рассмотрены как индуктивные, так и емкостные
датчики приближения, четыре типа фотоэлектрических датчиков (с проходящим, отраженным и отраженным поляризованным лучом и с диффузным отражением). Описаны работа, параметры, и типичные применения для каждого датчика. Приводятся
условные обозначения, используемые в промышленности для каждого устройства.
Датчики разделены на контактные и бесконтактные, а затем для каждой группы описаны работа и критерии выбора датчиков. Кроме того, обсуждаются общие методы
интерфейса между датчиками и промышленными контроллерами, также как и монтаж датчиков и схем управления. Исследованы два типа аналоговых датчиков расстояния, наряду с системами системы технического зрения и требованиями к освещению в этих системах. Глава 6 заканчивается поиском неисправностей в датчиках и
системах на их основе.

В главе 7 описываются аналоговые датчики и устройства управления процессом.

Они предназначены для контроля и управления главными параметрами процесса,
такими как температура, перемещения, давление, поток и уровень. Кроме того,
в главе рассмотрены типичные выходные устройства, такие как нагревательные элементы и клапаны управления. Обсуждаются датчики и цепи передачи их сигналов,

ëÓ‰ÂʇÌË „·‚
15

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ

различные типы сигналов управления, согласование и масштабирование сигналов и
их калибровка. Другие датчики рассмотренные в этой главе: датчики позиции, плотности, вязкости и влажности. Конец главы посвящен поиску неисправностей в аналоговых датчиках и системах на их основе.

Глава 8 посвящена всестороннему обсуждению проблем и стандартов безопасности, рабочим участкам с защитой персонала, использующим датчики присутствия, наряду с запорными устройствами. Освещены также вопросы разработки стратегии безопасности, проектирования систем безопасности и утверждения плана безопасности.

Глава 9 это первая из трех глав посвященных электродвигателям. Она касается

двигателей постоянного тока и системы управления ими и представляет магнитную
теорию и таким понятиям для двигателей постоянного тока, как вращающему моменту, работа и мощность (в лошадиных силах). Описаны компоненты и следующие
типы двигателей постоянного тока: с последовательным, параллельным и смешанным возбуждением и тяговые двигатели. Полностью рассмотрены работа, характеристики, средства управления скоростью и направлением вращения, установка и поиск неисправностей для каждого типа двигателей. В заключение описаны методы
торможения.

Глава 10 посвящена двигателям переменного тока и приводам с регулировкогй

скорости, а также компонентам и конструкции двигателей. Обсуждаются однофазные
индукционные (с резистивным и емкостным запуском плюс неявновыраженный полюс) и трехфазные (с «беличьей клеткой», фазный ротором и синхронный) двигатели
переменного тока. Напряжение, скорость и управление направлением вращения (порядком чередования фаз) трехфазных двигателей, наряду с расчетом типоразмеров
пускателя для двигателя и чтением табличек на его корпусе. Рассматривается переменное напряжение, ШИМ, вектор потока и программируемые приводы двигателей.

Глава 11 описывает двигатели специального назначения и устройства управления,

используемые в промышленности, включая постоянные магниты и бесщеточные двигатели постоянного тока, шаговые двигатели, и сервомотора постоянного и переменного
тока. Приводятся рабочие характеристики для каждого типа двигателей, наряду с характеристиками, которые делают двигатель уникальным. Глава заканчивается изучением
кодеров и решающих устройств. Они используются в датчики обратной связи, чтобы передать данные о скорости и направлении вращения (циклическом сдвиге) обратно в систему управления.

Глава 12 предлагает всестороннее обсуждение нового программируемого логического контроллера (PLC, ПЛК), соответствующего стандарту IEC 61131 и пяти
языков, упомянутых в стандарте. Сравнивается стандарт на лестничные схемы с современными лестничными схемами программируемой логики, применяемыми в Соединенных Штатах. Для студентов, пока не знакомых с классом устройств ПЛК, рассказывается об основах программирования лестничных схем. Глава заканчивается
всесторонним описанием ПЛК и методов программирования, связанных с языками
функциональных блоксхем, структурированного текста и последовательных функциональных диаграмм (Sequential Function Chart – SFC), представляющими собой

16

новые языки описания алгоритмов. Перечень команд пятого языка, который не получил пока широкого распространения, приведен в сокращенном виде.

В главе 13 рассказывается о встроенных микроконтроллерах. Сначала представлены такие функциональные блоки аппаратных средств устройства, как центральный процессор, память, схем вводавывода, логического управления, шины данных и
управления. Потом рассматриваются вопросы программировании контроллера и методика работы с важной информацией, заключенной в справочных данных, а в конце
главы обсуждаются применения микроконтроллера.

В главе 14 описываются методы реализации обратной связи, включая характеристики процесса, типы контроллеров и управления, PIDрегуляторы и методы настройки. Управление процессом описывается нематематическим способом, легко
понятным каждому студенту. Математический аппарат и детальное рассмотрение
используются только тогда, когда они совершенно необходимы для ясного изложения, при этом пояснения хорошо документированы. В конце главы обсуждаются методы настройки PIDрегуляторов и логических контроллеров с нечеткой логикой.

Глава 15 посвящена роботам и автоматизированным производственным участкам,

на которых используются роботы, включая механизмы захвата, используемые для
транспортировки деталей; расчет подъемной силы механизма захвата; контроллер сервомотора робота с обратной связью; и пневматические роботизированные устройства
с разомкнутой обратной связью. Роботы исследуются с точки зрения конфигурации
руки и используемых методов управления рабочей ячейкой: путем программирования или обучения. Процесс программирования освещен достаточно подробно, чтобы
студенты смогли разработать проекты программ для роботов с сервомоторами и без
них. В конце главы представлена система поиска неисправностей робота.

В главе 16 описывается передача данных между интеллектуальными машинами.

Представляется описание архитектуры сети предприятия и классификациия сетевых
средств связи. Поскольку этот учебник относится к промышленной электронике, оставшаяся часть главы посвящена цеховым сетям. Разделы включают цеховые сети типа
Ethernet, ControlNet, DeviceNet, а также программы управления участками SERCOS,
Profibus и FOUNDATION Fieldbus. Глава заканчивается рядом рекомендаций по поиску неисправностей в сетях.

Руководство для преподавателя имеет ответы и решения для вопросов и задач,

помещенных в конце каждой главы, что облегчает использование учебника для многочисленных вариантов построения курса, и, кроме того, обширный банк задач.

Мы хотели бы поблагодарить следующих профессоров, которые просмотрели

учебник и дали рекомендации по расстановке необходимых акцентов и изменениям:

Профессора Джона Андерсона
Университет Пурдуа

Профессора Али Ансари
Вирджиния Стате университи

Профессора Джеймса Финн
Колледж графства Миддлесекса

Профессора Джана Лугоуски
Университет Пурду

ëÓ‰ÂʇÌË „·‚
17

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ

Профессора Дэн Лукаду
Новый Речной Семейства колледж

Профессора Билла Максвелла
Колледж Семейства Нашвилл Счета

Профессора Ченгганга Меи
Юговосток Государственный университет
Mиссури

Профессор Дейва Сецера
Колледж Семейства графства Джонсона

Профессор Джеффри Е. Шорт, P.E.Югозападный Государственный университет

Штата Оклахома

Профессор Ллойд Сталлкамп
Государственный университет
штата Монтанасеверный

Профессор Джозеф П. Срода, PE
Середина Состояния Технический колледж

Профессор ТаиКван Янг
Центральный Вашингтонский университет

Кроме того, мы высоко оцениваем всеобщую поддержку многочисленных изготовителей компонентов, которые предоставили нам иллюстрации и изображения промышленных электронных систем и компонентов и сделали свои богатые информацией вебсайты доступными для наших студентов. Благодарим Эрика Блэка за его обзор
и рецензию на содержание части, посвященной управлению процессом. Мы также
благодарим студентов, которые обеспечили превосходную обратную связь по материалам учебника, проверенным в классах колледжа и в многочисленных учреждениях. В заключение, мы благодарим Чарльза Стюарта, Майду Боско, Элизабет Фаррелл и Алекса Волфа из Prentice Hall и Kelly Mulligan из Carlisle Publishers Services
за их поддержку в создании этого учебника.

Джеймс А (james@rehg.org)

Glenn J. Sartori (rg492@ sbcglobal.net)

18