电气与自动化技术技能作业指导书

电气与自动化技术技能作业指导书

第1章电气基础知识..............................................................4

1.1电路基础.................................................................4

1.1.1电路的概念与组成.......................................................4

1.1.2电路的工作原理.........................................................4

1.1.3电路的分类............................................................5

1.2电气元件..................................................................5

1.2.1电阻器.................................................................5

1.2.2电容器.................................................................5

1.2.3电感器.................................................................5

1.2.4二极管.................................................................5

1.2.5晶体管.................................................................5

1.3电气图纸识读............................................................5

1.3.1电气符号...............................................................5

1.3.2图纸布局...............................................................5

1.3.3连接线表示............................................................5

1.3.4标注与说明.............................................................5

1.3.5识读方法...............................................................5

第2章自动化控制原理............................................................6

2.1控制系统概述.............................................................6

2.1.1控制系统的基本概念....................................................6

2.1.2控制系统的分类........................................................6

2.1.3控制系统的基本要求...................................................6

2.2控制系统数学模型........................................................6

2.2.1线性微分方程..........................................................6

2.2.2状态空间方程..........................................................6

2.2.3传递函数..............................................................7

2.3控制系统功能分析........................................................7

2.3.1稳定性分析............................................................7

2.3.2动态功能分析..........................................................7

2.3.3静态功能分析..........................................................7

2.3.4频率特性分析...........................................................7

第3章PLC编程与应用.............................................................8

3.1PLC概述..................................................................8

3.1.1PLC的定义与特点.......................................................8

3.1.2PLC的结构与组成.......................................................8

3.1.3PLC的工作原理........................................................8

3.2PLC编程语言............................................................9

3.2.1梯形图(LadderDiagram,LD)..................................9

3.2.2指令表(InstructionList»IL)................................9

3.2.3功能块图(FunctionBlockDiagram,FBD)........................9

3.2.4结构化文本(StructuredText,ST)..............................9

3.2.5顺序功能图(SequentialFunctionChart,SFC).........................9

3.3PLC控制系统设计..........................................................9

3.3.1确定控制要求...........................................................9

3.3.2选择PLC型号...........................................................9

3.3.3设计输入/输用电路......................................................9

3.3.4编写PLC程序...........................................................9

3.3.5系统调试与优化.........................................................9

3.3.6编制技术文档..........................................................9

第4章变频调速技术.............................................................10

4.1变频器工作原理..........................................................10

4.1.1交直交变频器.........................................................10

4.1.2直交变频器...........................................................10

4.1.3变频器的主要电路及其功能............................................10

4.1.4变频器的控制方式....................................................10

4.2变频器选型与安装.......................................................10

4.2.1变频器的选型原则.....................................................10

4.2.2变频器的选型依据......................................................10

4.2.3变频器的安装要求......................................................10

4.2.4变频器与电动机的连接方式.............................................10

4.3变频调速系统设计.......................................................10

4.3.1系统设计要求.........................................................10

4.3.2系统设计步骤.........................................................10

4.3.3变频器的参数设置与调试..............................................10

4.3.4变频调速系统的保护与故障处理.........................................10

第5章电机控制技术.............................................................10

5.1电机控制基础...........................................................10

5.1.1电机控制概述.........................................................10

5.1.2电机控制原理.........................................................11

5.1.3电机控制方法.........................................................11

5.2直流电机控制............................................................11

5.2.1直流电机概述..........................................................11

5.2.2直流电机启动控制......................................................11

5.2.3直流电机调速控制.....................................................11

5.3交流电机控制............................................................11

5.3.1交流电机概述..........................................................11

5.3.2交流电机启动控制......................................................12

5.3.3交流电机调速控制......................................................12

第6章工业现场总线技术.........................................................12

6.1现场总线概述............................................................12

6.2常用现场总线协议........................................................12

6.2.1Profibus..............................................................12

6.2.2Modbus.................................................................12

6.2.3CAN....................................................................12

6.2.4FoundcitionFieldbus...................................................13

6.3现场总线控制系统设计....................................................13

6.3.1系统需求分析..........................................................13

6.3.2选择合适的现场总线协议...............................................13

6.3.3网络拓扑结构设计......................................................13

6.3.4硬件设备选型与配置....................................................13

6.3.5软件设计..............................................................13

6.3.6系统调试与优化........................................................13

第7章传感器与检测技术.........................................................13

7.1传感器概述..............................................................13

7.2常用传感器及其应用......................................................14

7.2.1电阻式传感器..........................................................14

7.2.2电容式传感器..........................................................14

7.2.3电感式传感器..........................................................14

7.2.4压电式传感器..........................................................14

7.2.5磁电式传感器..........................................................14

7.3检测电路设计............................................................14

7.3.1信号处理电路..........................................................14

7.3.2信号转换电路..........................................................15

7.3.3传感器接口电路........................................................15

第8章电力电子技术.............................................................15

8.1电力电子器件............................................................15

8.1.1PN结与晶体管...........................................................15

8.1.2功率二极管............................................................15

8.1.3晶闸管与可控硅........................................................15

8.1.4功率晶体管与绝缘栅双极型晶体管.......................................15

8.1.5其他电力电子器件......................................................15

8.2电力电子电路............................................................15

8.2.1整流电路..............................................................15

8.2.2逆变电路..............................................................16

8.2.3斩波电路...............................................................16

8.2.4交流调压电路与交交变频电路...........................................16

8.3电力电子装置设计........................................................16

8.3.1电力电子器件选型......................................................16

8.3.2电力电子装置主电路设计...............................................16

8.3.3控制电路设计..........................................................16

8.3.4热设计与电磁兼容设计..................................................16

8.3.5电力电子装置的调试与优化.............................................16

第9章自动化工程项目管理.......................................................16

9.1项目管理基础............................................................16

9.1.1项目管理概述..........................................................16

9.1.2项目组织结构..........................................................16

9.1.3项目计划与进度管理................................................16

9.1.4项目成本管理..........................................................16

9.1.5项目质量管理..........................................................17

9.1.6项目风险管理..........................................................17

9.2自动化工程项目实施......................................................17

9.2.1工程项目立项..........................................................17

9.2.2工程项目招投标........................................................17

9.2.3工程项目合同管理......................................................17

9.2.4工程项目设计与施工....................................................17

9.2.5工程项目采购管理......................................................17

9.3自动化工程项目调试与验收...............................................17

9.3.1调试准备..............................................................17

9.3.2调试实施.............................................................17

9.3.3验收标准与程序.......................................................17

9.3.4验收文件与资料.......................................................17

9.3.5项目移交..............................................................17

第10章电气与自动化安全........................................................18

10.1安全法律法规..........................................................18

10.1.1国家安全生产法律法规................................................18

10.1.2行业安全生产规章制度................................................18

10.1.3安全生产标准........................................................18

10.2电气安全防护..........................................................18

10.2.1电气设备安全防护....................................................18

10.2.2电气线路安全防护....................................................18

10.2.3电气作业安全防护...................................................18

10.3自动化系统安全防护措施...............................................18

10.3.1自动化设备安全防护..................................................18

10.3.2自动化控制系统安全防护.............................................18

10.3.3自动化作业现场安全防护.............................................19

10.3.4应急处置与救援......................................................19

第1章电气基础知识

1.1电路基础

1.1.1电路的概念与组成

电路是指用导线将电源、电气元件和负载连接起来，以实现电能传递、转换

和控制的部分。电路主要由电源、导线、电气元件和负载四部分组成。

1.1.2电路的工作原理

电路的工作原理是基于欧姆定律，即电流I与电压U成正比，与电阻R成反

比。电路在工作过程中，电源提供电压，导线传输电流，电气元件实现电能的控

制和转换，负载消耗电能。

1.1.3电路的分类

电路可分为直流电路和交流电路。直流电路中，电流方向不变；交流电路中,

电流方向和大小随时间变化。

1.2电气元件

1.2.1电阻器

电阻器是一种被动电气元件，其主要作用是阻碍电流的流动，从而实现电压

和电流的分配与调节。

1.2.2电容器

电容器是一种被动电气元件，其主要作用是储存电荷，在电路中实现电压和

电流的相位分离。

1.2.3电感器

电感器是一种被动电气元件，其主要作用是阻碍电流变化，在电路中实现电

能与磁能的相互转换。

1.2.4二极管

二极管是一种半导体器件，具有单向导电性，可用于整流、调制等电路。

1.2.5晶体管

晶体管是一种半导体器件，具有放大和开关功能，是电子电路中的核心元件。

1.3电气图纸识读

1.3.1电气符号

电气符号是电气图纸中的图形表示，用以表示各种电气元件、设备及其功能。

1.3.2图纸布局

电气图纸布局应清晰、合理，便于阅读和理解。主要包括电源、控制、保护、

信号等部分的布局。

1.3.3连接线表示

连接线表示电气元件之间的连接关系，通常用直线、折线或曲线表示。

1.3.4标注与说明

电气图纸应包含必要的标注和说明，如设备型号、参数、安装位置等，以便

于施工和维修。

1.3.5识读方法

识读电气图纸时，应先了解图纸的整体布局，然后从电源、负载、控制等部

分逐一分析，最后结合实际需求进行解读。

第2章自动化控制原理

2.1控制系统概述

2.1.1控制系统的基本概念

控制系统是由控制对象、控制器、执行机构和反馈元件等组成的整体，其目

的是使被控对象的输出量按照预定的规律变化。控制系统广泛应用于工业、农业、

军事、交通、医疗等领域。

2.1.2控制系统的分类

根据不同的分类方法，控制系统可分为以下几类：

（1）线性控制系统与非线性控制系统；

（2）确定性控制系统与随机控制系统：

（3）连续控制系统与离散控制系统；

（4）开环控制系统与闭环控制系统。

2.1.3控制系统的基本要求

控制系统应满足以下基本要求：

（1）稳定性：系统在各种条件下都能保持稳定运行；

（2）准确性：系统输出能够准确跟踪输入信号；

（3）快速性：系统响应速度要快，以满足实时控制需求；

（4）鲁棒性：系统具有较强的抗干扰能力和适应能力。

2.2控制系统数学模型

2.2.1线性微分方程

线性微分方程是描述控制系统动态特性的基本数学工具。它包括以下几种形

式：

（1）常系数线性微分方程；

（2）变系数线性微分方程；

（3）状态方程和输出方程。

2.2.2状态空间方程

状态空间方程是描述控制系统动态特性的另一种数学模型，它具有以下优

点:

（1）方程形式统一，易于分析；

（2）适用于线性及非线性系统：

（3）便于计算机实现。

2.2.3传递函数

传递函数是描述控制系统输入与输出之间关系的数学工具，具有以下特点:

（1）简化系统分析；

（2）便于设计控制器；

（3）反映系统稳定性、快速性等功能指标。

2.3控制系统功能分析

2.3.1稳定性分析

稳定性分析是控制系统分析的核心内容，主要包括以下方法：

（1）劳斯赫尔维茨稳定性判据；

（2）奈奎斯特稳定性判据；

（3）李雅普诺夫稳定性理论。

2.3.2动态功能分析

动态功能分析主要包括以下指标：

（1）超调量：描述系统响应过冲的程度；

（2）调节时间：描述系统从初始状态到达瑁态所需的时间；

（3）震荡周期：描述系统震荡的周期。

2.3.3静态功能分析

静态功能分析主要包括以下指标：

（1）静差：描述系统稳态误差的大小；

（2）灵敏度：描述系统对参数变化的敏感程度；

（3）系统鲁棒性：描述系统抗干扰能力和适应能力。

2.3.4频率特性分析

频率特性分析主要包括以下内容：

（1）幅频特性：描述系统对不同频率信号的幅值响应；

（2）相频特性：描述系统对不同频率信号的相位响应；

（3）带宽：描述系统传递信号的有效频率范围。

第3章PLC编程与应用

3.1PLC概述

本章主要介绍可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）

的基本概念、结构组成和工作原理。PLC作为工业自动化领域的关键设备，广泛

应用于各种电气控制系统中。

3.1.1PLC的定义与特点

PLC是一种专门为工业环境下应用设计的数字运算操作电子系统，具有以下

特点：

1）模块化结构，便于维护和升级；

2）可靠性高，抗干扰能力强；

3）编程灵活,适应性强:

4）实时性高，响应速度快；

5）具有良好的通信功能。

3.1.2PLC的结构与组成

PLC主要由处理单元（CPU）、存储器、输入/输出模块（I/O）、通信接口、

编程器等组成。

1）处理单元（CPL）；负责执行用户程序、控制I/O模块、进行数据处理等;

2）存储器：用于存储用户程序、系统程序和数据；

3）输入/输出模块（I/O）：负责接收外部信号并输出控制信号；

4）通信接口：实现PLC与外部设备的数据交换；

5）编程器：用于编写、修改和调试PLC程序。

3.1.3PLC的工作原理

PLC的工作原理主耍包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

1）输入采样：PLC在每个扫描周期开始时，对输入信号进行采样，并将采

样结果存储在输入映像寄存器中；

2）程序执行：PLC根据用户编写的程序，对输入映像寄存器中的信号进行

处理，输出结果；

3）输出刷新：在每个扫描周期结束时，PLC将输出结果写入输出映像寄存

器，并通过输出模块驱动外部设备。

3.2PLC编程语言

PLC编程语言主要包括以下几种：

3.2.1梯形图(LadderDiagram,LD)

梯形图是最常用的PLC编程语言，其符号和电路图相似，易于理解和掌握。

3.2.2指令表(InstructionList,IL)

指令表是一种基于文本的编程语言，以助记符表示PLC指令，对编程技巧要

求较高。

3.2.3功能块图(FunctionBlockDiagram,FBD)

功能块图采用图形化的编程方式，以功能块表示PLC指令，便于模块化编程。

3.2.4结构化文本(StructuredText,ST)

结构化文本是一种高级编程语言，采用类似高级语言的语法结构，适用于复

杂逻辑的编程。

3.2.5顺序功能图(SequentialFunctionChart,SFC)

顺序功能图是一种流程图式的编程语言，适用于描述顺序控制过程。

3.3PLC控制系统设计

PLC控制系统设计主要包括以下几个步骤：

3.3.1确定控制要求

分析控制对象，明确控制目标，列出控制要求。

3.3.2选择PLC型号

根据控制要求，选择合适的PLC型号和配置。

3.3.3设计输入/输出电路

根据控制对象和PLC型号，设计输入/输出电路。

3.3.4编写PLC程序

根据控制要求和输入/输出电路，编写PLC程序。

3.3.5系统调试与优化

对PLC控制系统进行调试，保证控制效果，并对程序进行优化。

3.3.6编制技术文档

编写操作手册、维护说明书等技术文档，为系统维护和升级提供依据。

第4章变频调速技术

4.1变频器工作原理

变频器作为一种电力调节装置，主要用于调节交流电动机的转速。其工作原

理主要是通过改变电动机供电频率，进而改变电动机的同步转速。本节将详细介

绍变频器的工作原理，包括以下内容：

4.1.1交直交变频器

4.1.2直交变频器

4.1.3变频器的主要电路及其功能

4.1.4变频器的控制方式

4.2变频器选型与安装

选型与安装变频器是保证变频调速系统正常运行的关键环节。本节将阐述变

频器选型与安装的相关知识，包括以下内容：

4.2.1变频器的选型原则

4.2.2变频器的选型依据

4.2.3变频器的安装要求

4.2.4变频器与电动机的连接方式

4.3变频调速系统设计

变频调速系统设计是保证系统功能、可靠性和经济性的重要环节。本节将介

绍变频调速系统设计的相关内容，包括以下方面：

4.3.1系统设计要求

4.3.2系统设计步骤

4.3.3变频器的参数设置与调试

4.3.4变频调速系统的保护与故障处理

通过本章的学习，读者将对变频调速技术有更深入的了解，为实际工程应用

奠定基础。

第5章电机控制技术

5.1电机控制基础

5.1.1电机控制概述

电机控制技术是电气与自动化技术领域的重要组成部分，涉及电机的启动、

停止、转向、速度调节等功能。本节主要介绍电机控制的基本原理、控制方法和

常见控制电路。

5.1.2电机控制原理

电机控制原理主要包括电磁感应定律、欧姆定律和基尔霍夫定律等。这些定

律为电机控制提供了理论基础，通过分析电机的工作原理，可实现对电机的精确

控制。

5.1.3电机控制方法

电机控制方法主要有以下几种：

（1）开关控制：通过开关器件对电机进行启动、停止和转向控制；

（2）线性控制：采用线性调节器（如电位器）实现对电机速度的调节；

（3）PWM控制：利用脉宽调制技术实现对电机速度和转矩的精确控制。

5.2直流电机控制

5.2.1直流电机概述

直流电机具有启动转矩大、调速范围宽、控制简单等优点，广泛应用于各种

自动化设备中。本节主要介绍直流电机的结构、原理及控制方法。

5.2.2直流电机启动控制

直流电机启动控制主要包括以下儿种方法：

（1）直接启动：通过开关器件直接启动直流电机；

（2）限流启动：在启动过程中限制电流大小，减小启动冲击；

（3）降压启动：降低启动电压，减小启动电流。

5.2.3直流电机调速控制

直流电机调速控制主要有以下几种方法：

（1）调节电枢电压：通过调节电枢电压实现调速；

（2）调节励磁电流：通过调节励磁电流实现调速：

（3）PWM调速：利用脉宽调制技术实现精确调速。

5.3交流电机控制

5.3.1交流电机概述

交流电机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，广泛应用于工业生产

中。本节主要介绍交流电机的结构、原理及控制方法。

5.3.2交流电机启动控制

交流电机启动控制主要包括以下几种方法：

（1）直接启动：通过开关器件直接启动交流电机：

（2）星角启动：利用星角变换降低启动电流；

（3）自耦启动：利用自耦变压器降低启动电压。

5.3.3交流电机调速控制

交流电机调速控制主要有以下几种方法：

（1）变频调速：通过改变电机供电频率实现调速；

（2）绕线转子调速：通过改变绕线转子的连接方式实现调速；

（3）电磁调速：利用电磁调节器实现调速。

第6章工业现场总线技术

6.1现场总线概述

现场总线是工业自动化领域一种重要的数据通信技术，主要用于连接现场设

备与控制系统之间的信息传输。它具有实时性、可靠性、开放性及互操作性等特

点，为工业控制系统提供了高效、灵活的数据通信解决方案。本章将重点介绍现

场总线的基本概念、技术特点以及在我国工业领域的应用现状。

6.2常用现场总线协议

目前I：业现场中常用的现场总线协议有：ProfibusModbusCAN>Foundation

Fieldbus等。以下对这些协议进行简要介绍。

6.2.1Profibus

Profibus是一种国际性的开放式现场总线标准，广泛应用于自动化领域。

它具有高速传输、灵活的拓扑结构、广泛的设备支持等优点，适用于工厂自刃化、

过程自动化等领域。

6.2.2Modbus

Modbus是一种简单、可靠的通信协议，主要用于连接工业设备。它具有协

议简单、易于实现、兼容性强等特点，被广泛应用于各种自动化设备中。

6.2.3CAN

控制器局域网络（ControllerAreaNetwork,CAN）是一种高效率、高可靠

性的多主通信协议，适用于汽车及工业自动化领域。它具有数据传输可靠、实时

性高、抗干扰能力强等优点。

6.2.4FoundationFieldbus

FoundationFiclcbus是一种专为过程自动化设计的现场总线协议，具有高

度的数据集成、互操作性和可靠性。它被广泛应用于石油、化工、电力等领域。

6.3现场总线控制系统设计

现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)的设计主要包括以下

几个方面：

6.3.1系统需求分析

在进行现场总线控制系统设计之前，首先需要明确系统的需求，包括系统规

模、通信速率、实时性要求、设备类型等。

6.3.2选择合适的现场总线协议

根据系统需求，选择适合的现场总线协议。需考虑协议的实时性、可靠性、

兼容性等因素。

6.3.3网络拓扑结构设计

根据现场设备和控制系统的布局，设计合适的网络拓扑结构。常见的拓扑结

构有星型、环型、总线型等。

6.3.4硬件设备选型与配置

根据现场总线协议和系统需求，选择合适的硬件设备，包括现场设备、通信

模块、控制器等，并进行配置。

6.3.5软件设计

软件设计主要包括通信协议的编程、设备驱动开发、人机界面设计等。同时

还需考虑系统的实时性、可靠性和可扩展性。

6.3.6系统调试与优化

完成系统设计后，进行现场调试，保证系统正常运行。在调试过程中，针对

发觉的问题进行优化，提高系统的稳定性和功能。

通过以上内容，本章对工业现场总线技术进行了详细介绍，为电气与自动化

技术技能作业提供了一定的参考和指导。

第7章传感器与检测技术

7.1传感器概述

传感器作为信息获取的重要手段，广泛应用于电气与自动化领域。传感器能

够将被测量的物理量转换成电信号，为控制系统提供实时、准确的数据支持。本

章主要介绍传感器的原理、分类、功能参数及其在自动化系统中的应用。

7.2常用传感器及其应用

7.2.1电阻式传感器

电阻式传感器是通过改变电阻值来检测物理量的传感器。主要包括热电阻、

光敏电阻、力敏电阻等。这类传感器具有结构简单、输出信号大、易于处理等优

点，广泛应用于温度、湿度、光照等参数的检测。

7.2.2电容式传感器

电容式传感潜利用电容量变化来检测物理量，具有灵敏度高、线性度好、动

态范围大等特点。主要包括压力、位移、湿度等传感器。电容式传感潜在精密测

量、自动控制等领域具有广泛的应用C

7.2.3电感式传感器

电感式传感器通过检测电感量变化来获取物理量信息，具有无触点、抗干扰

能力强、响应速度快等特点。主要包括位移、速度、流量等传感器。电感式传感

器在工业自动化、交通运输等领域具有重要应用。

7.2.4压电式传感器

压电式传感器利用压电材料的压电效应，将机械应力转换为电信号。这类传

感器具有灵敏度高、响应速度快、结构简单等优点，广泛应用于振动、压力、加

速度等参数的检测。

7.2.5磁电式传感器

磁电式传感器利用磁电效应，将磁场变化转换为电信号。主要包括磁敏电阻、

霍尔传感器等。这类传感器具有灵敏度高、线性度好、抗干扰能力强等特点，适

用于磁场、电流、速度等参数的检测。

7.3检测电路设计

检测电路设计是传感器应用的关键环节，主要包括信号处理、放大、滤波、

线性化等部分。以下简要介绍几种常见的检测电路设计方法。

7.3.1信号处理电路

信号处理电路主要包括放大、滤波、线性化等部分。放大电路用于提高传感

器输出信号的幅值，以满足后续处理电路的要求；滤波电路用于去除信号中的干

扰成分，提高信号质量；线性化电路用于改善传感器的非线性特性，使其输出与

被测量物理量成线性关系。

7.3.2信号转换电路

信号转换电路将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，便于微处理器进行

处理。常见的信号转换电路有模拟数字转换器（ADC）等。

7.3.3传感器接口电路

传感器接口电路负责将传感器与检测电路连接，实现信号的有效传递。主要

包括信号调理、隔离、驱动等部分。

通过本章的学习，读者应掌握传感器的原理、分类、功能参数及其在自动化

系统中的应用，同时具备设计检测电路的能力，为电气与自动化技术的实际应用

奠定基础。

第8章电力电子技术

8.1电力电子器件

8.L1PN结与晶体管

本节介绍PN结的工作原理，以及基于此原理的晶体管结构、特性和主要参

数。

8.1.2功率二极管

介绍功率二极管的类型、结构、工作原理及其在电力电子电路中的应用。

8.1.3晶闸管与可控硅

详细阐述晶闸管和可控硅的原理、特性及其在电力电子技术中的应用。

8.1.4功率晶体管与绝缘栅双极型晶体管

分析功率晶体管和绝缘栅双极型晶体管的结沟、工作原理及其在电力电子设

备中的应用。

8.1.5其他电力电子器件

介绍其他常见的电力电子器件，如电力MOSFET、IGCT、GTO等。

8.2电力电子电路

8.2.1整流电路

本节详细讲解各种类型的整流电路，包括单相桥式整流、三相桥式整流等。

8.2.2逆变电路

阐述逆变电路的工作原理、分类及其在电力电子系统中的应用。