工业自动化从入门到入行：基于传感器、执行器、PLC、HMI 和 SCADA

【全栈闭环】覆盖工业自动化核心链路，1本书搞定“入门→入行”，解决零散学习效率低的问题；
【实战落地】提供西门子TIA Portal编程、PLC接线等实操案例，step by step教你做项目，解决理论懂了不会做的困境；
【前瞻未来】深度解析工业4.0、智能工厂、物联网/AI在制造业的应用，解决不知道工业自动化未来在哪里的困惑；
【贴心易读】用100 插图拆解复杂原理，温馨TIP提醒易错点，章后习题巩固所学，解决抽象难懂的问题。

工业自动化已成为各行业减少人力投入和成本的热门解决方案，本书深入浅出地讲解工业自动化的方方面面，带读者从入门到入行。
全书包括三部分。第一部分（第 1 ～ 6 章）讲基本概念与技能，读者将了解开关、传感器、执行器和电机的应用，以及直接在线（DOL）启动器及其组件；第二部分（第 7 ～ 11 章）深入讲解主要工业自动化工具——PLC、HMI 和 SCADA——的接线和编程方法；第三部分（第 12 ～ 14 章）讲过程控制、工业网络与智能工厂，读者将通过实践深入了解过程控制与测量，并了解各种工业网络协议，以及制造业（工业4.0）的新兴趋势及其赋能技术（如物联网、人工智能和机器人）。
本书适合电气、电子、机械、机电一体化、化学或计算机工程专业的学生阅读，也适合正在转行工业自动化领域的工程师，或希望在工业自动化领域发展职业的人。

第一部分 基本概念与技能 
第 1 章 工业自动化简介  3 
1.1 什么是工业自动化  3 
1.1.1 固定自动化系统  5 
1.1.2 可编程自动化系统  5 
1.1.3 灵活自动化系统  6 
1.1.4 集成自动化系统  6 
1.2 理解工业自动化的层级  7 
1.2.1 现场层  8 
1.2.2 控制层  8 
1.2.3 监督和生产层  8 
1.3 探索工业自动化的优劣势  9 
1.3.1 工业自动化的优势  9 
1.3.2 工业自动化的劣势  9 
1.4 总结  10 
1.5 习题  10 
第 2 章 开关和传感器的工作原理、应用及接线  11 
2.1 开关和传感器概述  11
2.2 手动操作开关  12 
2.2.1 按钮开关  12 
2.2.2 翘板开关  13 
2.2.3 拨动开关  14 
2.2.4 滑动开关  15 
2.2.5 选择器开关  15 
2.2.6 刀闸开关  15 
2.3 机械操作开关  15 
2.3.1 限位开关  16 
2.3.2 液位开关  18 
2.3.3 压力开关  21 
2.3.4 温度开关  22 
2.4 接近传感器  24 
2.4.1 电容式接近传感器  24 
2.4.2 电感式接近传感器  26 
2.4.3 光电式接近传感器  27 
2.5 总结  29 
2.6 习题  29 
第 3 章 执行器及其在工业自动化中的应用 30 
3.1 执行器概述  30 
3.2 电动执行器  31 
3.2.1 直流电机  32 
3.2.2 交流电机  33 
3.2.3 步进电机  33 
3.2.4 伺服电机  33 
3.2.5 电磁阀、电磁继电器和接触器  34 
3.3 气动执行器  37 
3.3.1 气动直线执行器  38 
3.3.2 气动旋转执行器  39 
3.4 液压执行器  41 
3.5 总结  42 
3.6 习题  42 
第 4 章 交流、直流及特种电机概述 44 
4.1 交流电机  45 
4.1.1 同步交流电机  45 
4.1.2 异步交流电机（感应电机）  46 
4.1.3 三相电机星形连接和三角形连接的区别  48 
4.1.4 直接在线启动器  49 
4.2 直流电机  52 
4.2.1 有刷直流电机  52 
4.2.2 无刷直流电机  54 
4.3 步进电机和伺服电机  54 
4.3.1 单极性步进电机  55 
4.3.2 双极性步进电机  55 
4.3.3 如何驱动步进电机  55 
4.3.4 伺服电机  57 
4.4 总结  57 
4.5 习题  58 
第 5 章 变频器概述  59 
5.1 变频器简介  59 
5.1.1 变频器的工作原理  60 
5.1.2 变频器的优点  61 
5.1.3 变频器的缺点  62 
5.1.4 如何选择变频器  62 
5.2 变频器接线  63 
5.3 基本的变频器参数设置  65 
5.4 使用面板按键控制三相电机的启停和速度  67 
5.5 使用按钮或开关控制三相电机正转 / 反转，并用面板按键设置频率（速度）  68 
5.6 使用按钮或开关控制三相电机正转 / 反转，并用电位器（旋钮）设置频率（速度）  69 
5.7 总结  70 
5.8 习题  70 
第 6 章 使用 CAD 软件绘制原理图和接线图 71 
6.1 CAD 软件系统安装要求  71 
6.2 电气图解析  72 
6.3 PCSCHEMATIC Automation 软件概述  73 
6.4 下载和安装 PCSCHEMATIC Automation  74 
6.4.1 下载 PCSCHEMATIC Automation  74 
6.4.2 安装 PCSCHEMATIC Automation  76 
6.5 启动 PCSCHEMATIC Automation 并探索界面元素  78 
6.5.1 启动应用程序  78 
6.5.2 探索界面元素  78 
6.6 在 PCSCHEMATIC Automation 中创建和保存设计方案  79 
6.6.1 创建设计方案  79 
6.6.2 保存设计方案  81 
6.7 使用符号、线条、文本、弧 / 圆形和区域工具  82 
6.7.1 使用符号工具  82 
6.7.2 使用线条工具 85 
6.7.3 使用文本工具  87 
6.7.4 使用弧 / 圆形工具  88 
6.7.5 使用区域工具  89 
6.8 使用 PCSCHEMATIC Automation 绘制直接在线（DOL）启动器的电源和控制电路原理图  90 
6.9 总结  99 
6.10 习题  99 
第二部分 深入理解 PLC、HMI 和 SCADA 
第 7 章 PLC 硬件及接线详解  103 
7.1 PLC 概述  104 
7.2 PLC 模块详解  104 
7.2.1 电源模块  104 
7.2.2 CPU 模块  105 
7.2.3 输入模块  105 
7.2.4 输出模块  106 
7.2.5 其他 PLC 模块 106 
7.3 PLC 类型探究  107 
7.3.1 紧凑型 PLC  107 
7.3.2 模块化 PLC  107 
7.4 PLC 扫描周期解析  108 
7.5 PLC 主要制造商介绍 108 
7.6 PLC 接线实践（1）——开关、指示灯和执行器的 PLC 接线  109 
7.7 PLC 接线实践（2）——接近传感器（三线制）的接线 114 
7.7.1 PNP 传感器 115 
7.7.2 NPN 传感器 115 
7.8 PLC 接线实践（3）——光电式传感器（反射式）的接线 117 
7.9 西门子 S7-1200 PLC（CPU 1211C AC/DC/Relay）的接线示例118
7.9.1 接线说明  120 
7.9.2 接线操作说明  120 
7.10 总结  121 
7.11 习题  121 
第 8 章 PLC 软件概述及 TIA Portal 编程入门 122 
8.1 PLC 中的软件与程序概念  122 
8.2 PLC 编程语言介绍  123 
8.2.1 梯形图  124 
8.2.2 功能块图  125 
8.2.3 指令列表  126 
8.2.4 结构化文本  126 
8.2.5 顺序功能图  127 
8.3 PLC 编程设备介绍 127 
8.4 了解不同的 PLC 编程软件 128 
8.5 理解梯形图的基础知识  129 
8.5.1 探索梯形图程序的基本元素  131 
8.5.2 梯形图编程规则  133 
8.6 TIA Portal V13 Professional 和 PLCSIM 的下载与安装  135 
8.6.1 下载 TIA Portal V13 和 PLCSIM 的步骤  135 
8.6.2 安装 TIA Portal V13  136 
8.6.3 安装 PLCSIM  137 
8.7 使用西门子 TIA Portal 创建项目并编写程序  137 
8.7.1 常开触点  142 
8.7.2 常闭触点  143 
8.7.3 输出线圈  144 
8.7.4 通用指令框  146 
8.7.5 并联开路  150 
8.7.6 并联闭路  151 
8.8 总结  153 
8.9 习题  153 
第 9 章 TIA Portal 之 PLC 编程深度探索 154 
9.1 打开已保存的程序  155 
9.2 使用 Siemens TIA Portal 和 PLCSIM 仿真程序  157 
9.3 PLC 编程中的锁存和解锁  167 
9.3.1 使用常开按钮实现启动和停止的锁存和解锁程序  167 
9.3.2 使用常开按钮启动和常闭按钮停止的锁存和解锁程序  168 
9.4 在程序中将输出地址用作输入  170 
9.5 使用置位输出和复位输出指令  171 
9.5.1 置位输出：-（S）  171 
9.5.2 复位输出：-（R）  172 
9.6 使用定时器操作指令  173 
9.6.1 接通延时定时器  173 
9.6.2 断开延时定时器 176 
9.7 使用计数器操作指令  176 
9.7.1 加计数  177 
9.7.2 减计数  179 
9.8 使用移动操作指令 180 
9.9 使用比较操作指令 181 
9.10 使用 PLC 进行液位控制  183 
9.11 使用 PLC 的自动灌装、封盖和包装系统  186 
9.12 总结  189 
9.13 习题  190 
第 10 章 人机界面全面解析  191 
10.1 人机界面简介  192 
10.2 探索 HMI 的应用  193 
10.3 理解 HMI 的编程和开发  194 
10.4 了解 HMI 编程软件  194 
10.5 了解主要的 HMI 制造商及其编程软件  194 
10.6 PLC 和 HMI 的接口设计  195 
10.6.1 创建项目与添加 PLC  196 
10.6.2 PLC 程序配置  198 
10.6.3 PLC 程序下载与仿真  200 
10.6.4 HMI 设备选择  202 
10.6.5 HMI 与 PLC 的通信配置  205 
10.6.6 配置搅拌电机控制  218 
10.7 将程序下载到 PLC 和 HMI  228 
10.7.1 将程序下载到 PLC  228 
10.7.2 将程序下载到 HMI  233 
10.8 总结  238 
10.9 习题  238 
第 11 章 探索监控与数据采集系统  239 
11.1 SCADA 系统简介  239 
11.2 理解 SCADA 系统的功能  240 
11.3 SCADA 系统的应用领域  241 
11.4 SCADA 系统的硬件组成概览  241 
11.5 SCADA 软件概述  243 
11.5.1 mySCADA 简介  243 
11.5.2 下载和安装 mySCADA 软件  244 
11.6 使用 mySCADA 软件将 SCADA 与 S7-1200 PLC 对接  249 
11.6.1 TIA Portal 编程  249 
11.6.2 为 PC 分配 IP 地址  257 
11.6.3 创建 myDESIGNER 项目  260 
11.6.4 在 myDESIGNER 项目中创建画面  268 
11.7 总结  280 
11.8 习题  280 
第三部分 过程控制、工业网络与智能工厂 
第 12 章 过程控制基础  285 
12.1 过程控制概述  286 
12.2 过程控制术语  289 
12.3 ISA 符号体系  290 
12.4 温度测量与变送器  293 
12.5 压力测量与变送器  294 
12.6 液位测量与变送器  295 
12.7 流量测量与变送器  296 
12.8 理解过程控制回路的原理  297 
12.9 单回路过程控制的实践案例  298 
12.10 用于过程控制的 PLC（西门子 S7-1200）模拟输入的接线和编程实践  300 
12.10.1 理解模拟信号  300 
12.10.2 读取模拟值  302 
12.10.3 标准化和比例缩放  302 
12.10.4 模拟输入信号处理实际演示  303 
12.11 总结  331 
12.12 习题  332 
第 13 章 工业网络和通信协议基础  333 
13.1 工业网络概述  333 
13.2 网络拓扑结构  334 
13.2.1 点对点拓扑  334 
13.2.2 总线拓扑  335 
13.2.3 星型拓扑  336 
13.2.4 环形拓扑  336 
13.3 网络媒介——有线和无线（蓝牙、Wi-Fi 和蜂窝通信——1G、2G、3G、4G 和 5G）  337 
13.4 网络连接器和其他网络组件  339 
13.5 网络协议解析  340 
13.5.1 有线网络协议  340 
13.5.2 无线网络协议  341 
13.6 常见工业网络协议——Foundation Fieldbus（基金会现场总线）  341 
13.7 常见工业网络协议——PROFIBUS（过程现场总线）  343 
13.7.1 PROFIBUS DP（分散式外围设备）  343 
13.7.2 PROFIBUS PA（过程自动化）  344 
13.8 常见工业网络协议——Modbus  345 
13.8.1 Modbus RTU 远程终端单元  346 
13.8.2 Modbus 传输控制协议 / 网际协议（TCP/IP）  347 
13.9 常见工业网络协议——HART  348 
13.10 常见工业网络协议——PROFINET  350 
13.11 总结  352 
13.12 习题  353 
第 14 章 5G 驱动的智能工厂（工业 4.0）探索  354 
14.1 理解工业 4.0  354 
14.2 探索工业 4.0 的关键技术  355 
14.3 工业 4.0 的优势分析  357 
14.4 构建智能工厂的基本步骤  357 
14.5 5G 赋能的智能工厂的优势  358 
14.6 PLC 或机器数据云端连接实践  359 
14.7 总结  360 
14.8 习题  361 
习题答案  362

通过这本易于理解的指南，读者将探索工业自动化和控制的相关概念，如变频器（VFD）和可编程逻辑控制器（PLC）的接线和编程，以及智能工厂（工业 4.0）等内容。 
主要特色 
??通过探索的方法深入了解工业自动化和控制的方方面面。 
??获得使用 PLC 实现制造过程自动化的实用见解。 
??了解如何使用人机界面（HMI）和 SCADA 监控和控制工业流程。 

本书内容 
工业自动化已成为各行业通过流程自动化来减少人力投入和成本的热门解决方案。本书将帮助读者掌握在该领域取得卓越成绩所需的技能。 
本书从工业自动化的基础开始，逐步介绍开关、传感器、执行器和电机的应用以及直接在线（DOL）启动器及其组件，如断路器、接触器和过载继电器。接下来，将带领读者探索变频器（VFD），了解其参数设置，以及如何对其进行接线和编程来控制感应电机。随着学习的深入，读者将掌握主要工业自动化工具——PLC、HMI 和 SCADA ——的接线和编程方法。读者还将深入了解过程控制和测量（温度、压力、液位和流量），并通过将 4 ～ 20 mA 变送器连接到 PLC 获得模拟信号处理的实践经验。最后，将帮助读者掌握各种工业网络协议，如 FOUNDATION Fieldbus、Modbus、PROFIBUS、PROFINET 和 HART，以及制造业（工业4.0）的新兴趋势及其赋能技术（如物联网、人工智能和机器人）。 
学完本书内容后，读者将对工业自动化中有关机器自动化与控制的核心概念形成实用而深入的理解。 

你将学到什么 
??掌握工业自动化和控制的基本要点。 
??了解如何使用工业传感器和执行器。 
??熟悉交流、直流、伺服和步进电机。
??深入理解 VFD、PLC、HMI 和 SCADA 及其应用。 
??探索实践过程控制系统，包括使用 PLC 的模拟信号处理。 
??熟悉工业网络和通信协议，掌握有线（如工业以太网）与无线（如 Wi-Fi）协议的基础，并了解 5G 在工业应用中的优势与实践。 
??探索制造业的当前趋势，如智能工厂、物联网、人工智能和机器人。 

这本书适合谁 
本书适合电气、电子、机械、机电一体化、化学或计算机专业的本科生和研究生，正在转行的工程师，或者希望在工业自动化领域发展职业的人。本书涵盖从基础到高级的主题，对于在制造业、石油和天然气等领域工作的初级电气、工业物联网、自动化、过程、仪表与控制、生产和维护工程师来说，是一本宝贵的参考书。 

作者 
2025 年 5 月