1.力求将以欧洲为代表的当今先进的制造设计技术传递给读者，使读者能够全面、系统地掌握现代装备自动化工程设计的理论与方法，了解先进的技术水平现状并掌握它，建立完整的知识体系，拥有现代化的设计理念，能够担当起系统开发、设计和项目管理任务。

2.介绍了新技术、新工具如仿真与控制系统无缝集成、实时工业以太网、安全PLC、驱动系统设计工具SERVOsoft等，这些都代表了现代装备自动化系统设计及技术的新水平。以实时工业以太网中的POWERLINK为例，它能够满足以德国为代表的工业4.0时代智能机器实时任务、工厂大数据通信的需求，另外它的开源特性使它颇具商业价值，获得了越来越多企业的支持，也成为了我国的工业标准。

3.内容是高校和企业合作的成果，写作成员为长期从事教学科研的高校教师和企业中的系统集成工程师，长期在业界一线工作的经历使使得作者熟知制造业的技术需求，正是针对这些需求设计本书的内容结构。内容安排上特别注重设计的工程化实现，所有案例分析均来源于实际工程项目，对工程化设计过程中的关键技术和实践中行之有效的方法有详细介绍，这将对读者工程设计素质的提高大有益处。

4.本书是结合“工业4.0”也就是我国提出的“中国制造2025”关于智能制造和装备制造业不断向智能化发展的一个很好的切入点，能从培养人才并注重实际应用能力方面提供实实在在的智力支持

机械装备自动化方案的工程化设计与实现涉及的知识面很宽，《装备自动化工程设计与实践》以提高工业自动化工程师的工程化设计能力及专业技能为目标，针对现代机械制造业的实际需求，以机电软一体化为核心，结合工程实际案例，将进行这一过程的所需知识贯穿起来，阐述机械装备自动化方案设计的方法与步骤。《装备自动化工程设计与实践》内容包含系统技术构成、设计准则、关键技术、项目管理、模块化设计、系统集成等，从工程实用化设计的角度出发，完整地对系统方案设计、硬件配置、自动化方案的开发工具与现代设计方法、控制软件工程化设计、仿真与控制系统无缝集成、控制网络等内容进行了系统阐述，对多种设计方案进行比较分析，使读者能够在一个高的技术水平起点掌握系统设计、工程实现、项目管理的方法。
《装备自动化工程设计与实践》可作为工科院校自动化、电气工程、机械制造专业的本科生和研究生的参考教材，也可作为机电一体化系统制造和销售工程师的培训教材。

肖维荣，德国卡塞尔大学工学博士，贝加莱大中华区总经理，山东大学控制科学与工程学院兼职教授，博士生导师。

齐蓉，工学博士，西北工业大学自动化学院，教授，博士生导师。

自动化技术使工程师的愿景成为现实

当今世界，创新是永恒的主旋律。每时每刻，新兴技术都在我们身边不断诞生着。面对如此迫切的形势，每一位工程师都应当做好一生不断学习新知识的准备。过去的几年中，研究人员在大学实验室和工业实验室里得到了众多科研成果，为许多行业和领域带来了巨大的变化。

科研工作者始终以改善人类生活质量、效率、安全以及可持续性为工作目标，换句话说，改善人类生活标准和经济效能是科研工作者的共同目标和任务。科研成果体现在人类生活的方方面面：新型包装材料减轻了重量，使储藏更加方便、长久，改善了用户的全方位体验；新型合成材料能节省大量的原材料，广泛用于汽车、机器人以及纺织工业中；生产、分配以及使用能源的新策略，从结构上改变了电厂的需求。消费者从中获益良多，而这些只是众多科研成果的其中几例而已。

如果我们更近距离地观察工业世界，那么我们会看到各项新技术的诞生有着一个共同的基础：自动化技术。

每一台机器、每一个车间、每一座工厂都需要自动化技术赋予的灵活性和能量。工业生产中，每个开环、闭环控制任务都由PLC系统加以实现。当代工业生产中，PLC控制系统功能众多。尤其是在批次控制、统计数据和质量数据的拘束管理等方面，PLC控制系统已经有了标准化的解决方案。PLC系统支持使用各种型号的电动机，这大大提高了生产的效率以及灵活性。友善的人机界面使操作员可以按照产品需求来控制机器或工厂，使得生产效率达到*优化。如今，大多数机器都集成了安全技术，不仅如此，基于标准实时的网络技术，例如Powerlink，也使得机电一体化的愿景变成了现实。以上所提到所有技术都是当今自动化技术的基本要素，然而关键的要素还是自动化软件。

自动化行业工程师必须精通多个不同领域。在过去，生产流程和机器研发是用顺序步骤来实现的。而如今，并行研发阶段的项目组织变得越来越重要。随着项目数量的不断增加，不同专业领域的协调管理往往是由自动化工程师来完成的，而这也正是优化机械设计，使其满足工艺技术要求的一条有效途径。因此，自动化工程师面临着严峻挑战：必须广泛掌握多学科的技能。当然，首先他们必须是软件领域的专家；其次，也需要掌握许多其他技术领域的知识，例如数学、物理、力学以及电气工程。没有这些技能，他们就无法研发机器人系统和流程工业的高性能闭环控制系统。

对于大学教育而言，教育学生掌握如此广泛的技能无疑是一个巨大的挑战。教师必须每年都要学习新的知识，并激励鼓舞学生深入学习各种不同的课题。总而言之，学生和教师都应做出巨大的努力，这样才能保证将来的工程师们具有足够的知识去设计和开发富有创新的工业方案。

在这里，我要对齐蓉教授为这本好书给出的创意和贡献表示深深的感谢！

知识是愿景的种子！

愿景是创新的基础！

创新来自于工程师的开发！

弗朗茨.恩胡博

贝加莱自动化学院院长

Franz Enhuber（弗朗茨.恩胡博），历任贝加莱公司技术应用部经理，产品研发部经理，战略项目主管，自动化学院院长

Preface

序

前言

第1章装备制造与自动化集成导论

1.1制造自动化面临的问题

1.2装备制造业与自动化技术的发展趋势

1.2.1机电软一体化

1.2.2个性化方案与大批量生产

1.2.3能效的追求

1.3工程师的使命

1.4机械自动化方案的工程化设计要点

第2章现代机电一体化系统技术构成

2.1传感器

2.1.1传感器的基本概念

2.1.2传感器的基本特性

2.1.3传感器的选型准则

2.1.4传感器的标定与校准

2.2执行机构

2.2.1执行机构的分类与比较

2.2.2电动执行机构

2.2.3液动执行机构

2.2.4气动执行机构

2.3PLC技术

2.3.1PLC简介

2.3.2人机界面

2.3.3分时多任务操作系统与I/O处理

2.3.4系统维护与管理

2.4运动控制系统

2.4.1基于PLC的运动控制系统结构组成与分类

2.4.2交流伺服驱动器

2.4.3位置检测系统

2.4.4电动机

2.4.5减速器

2.5现场总线与工业以太网

2.5.1现场总线

2.52工业以太网

2.53实时以太网Powerlink

2.6集成安全技术

2.6.1集成安全系统

2.6.2贝加莱安全PLC

2.6.3安全PLC与常规PLC的区别

2.6.4安全PLC系统的基本结构

2.6.5集成安全系统的特点与配置基本原则

2.6.6集成安全运动控制系统

第3章项目管理

3.1装备自动化项目管理概念

3.2项目管理要点

3.2.1范围管理

3.2.2进度管理

3.2.3人力资源管理

3.2.4成本管理

3.2.5质量管理

3.2.6风险管理

3.3项目管理过程

第4章装备自动化的模块化设计

4.1模块化设计的定义与意义

4.1.1模块的定义

4.1.2为批量定制提供实现基础

4.1.3提升效能与降低风险

4.2装备自动化的模块化设计

4.2.1需求分析及模块划分

4.2.2系统分解

4.2.3模块标准化设计

4.2.4定制化整合

4.3电气系统的模块化设计

4.3.1电气模块化设计原则

4.3.2总线是模块之间的纽带

4.3.3分布式控制

4.4软件的模块化设计

4.4.1软件模块化设计案例分析

4.4.2控制软件的设计规范

4.4.3模块测试与整合

4.5模块化设计案例分析

4.5.1电气组件模块化

4.5.2软件功能模块化

第5章机电一体化系统硬件的精准配置

5.1机电一体化系统的配置准则

5.1.1最佳传动比

5.1.2最佳惯量匹配

5.2机电一体化硬件选型设计

5.2.1系统选型流程及注意事项

5.2.2驱动机构的转动惯量

5.2.3运动曲线

5.2.4减速器选型

5.2.5电动机选型

5.2.6驱动器选型

5.2.7外部制动电阻选型

5.2.8SERVOsoft选型案例

第6章系统仿真与算法设计

6.1自动化方案的仿真工具

6.1.1与控制软件平台实现无缝对接的MATLAB/Simulink

6.1.2Simulink自动代码生成

6.2滤波器设计

6.2.1一阶惯性滤波器

6.2.2高阶巴特沃斯滤波器

6.3设计案例1——多温区系统温度控制

6.3.1系统概述

6.3.2建模与仿真

6.3.3控制策略设计

6.3.4自动代码生成与系统调试

6.3.5控制效果分析

6.4设计案例2——多质量体扭转控制系统

6.4.1系统概述

6.4.2建模与仿真

6.4.3控制策略设计

6.4.4自动代码生成与系统调试

6.4.5控制效果分析

第7章凹版印刷机控制系统设计实例

7.1凹版印刷机系统

7.2凹版印刷机控制需求分析

7.3凹版印刷机控制系统的硬件配置

7.4集成套色系统

7.5收料系统控制方案设计

7.6凹版印刷机的软件设计

7.6.1模块化软件设计的需求分析

7.6.2用户界面和程序框架设计

7.6.3模块化的程序编制

7.6.4套色信号处理任务描述文档

7.6.5人机界面

7.6.6软件整合测试

　　自动化是大型装备的灵魂，工程化设计是实现的根本。我国自动化理论研究硕果累累，在工业自动化及制造领域对许多大型设备都有相当强的制造能力，但更需要的是在高端制造设备领域工程化设计能力的提高，使产品更具高可靠性、高稳定性、高环境适应性，向着数字化、精密化、智能化、集成化、网络化、柔性化等方面发展，使我国从制造大国迈向制造强国及设计强国。

　　现代制造业的发展促进了多学科的相互融合，各种工程技术飞速进步，自动化设备越来越复杂，设计者必须在不断变化的环境中应对越来越复杂的工程技术问题，如何创建高效而且富有竞争力的机械自动化设计方案，工程师们面临的挑战是要通过不断地再学习来扩充自己在各个领域的知识。在校的学生们也需要学习控制系统工程化设计的理论与实用方法，了解并掌握这一领域先进的设计理念、方法、技术、工具、手段，提高机电软一体化系统工程化设计素质。

　　本书力求将以欧洲为代表的当今最先进的制造设计技术传递给读者，使读者能够全面、系统地掌握现代装备自动化工程设计的理论与方法，了解最先进的技术水平现状并掌握它，建立完整的知识体系，拥有现代化的设计理念，能够担当起系统开发、设计和项目管理的任务。

　　作为高校与企业合作的结晶，本书由贝加莱公司的肖维荣博士和西北工业大学的齐蓉教授主持并撰写完成。参与本书写作的还有贝加莱公司的工程师团队，成员是宋华振、樊惠芳、陈志平、穆姗姗、周靖、刘柏严、邓后刚。他们多年工作在科研、教学、工业设计与产品销售的一线，了解工业界的实际需求和技术发展水平，为本书付出了智慧与辛勤的劳动。我们愿见更多的校企联合成果面世，为我国工业自动化的产业升级和技术进步贡献力量。

　　本书的写作参考了大量的书籍、论文及文献资料，这使我们的视野更加开阔，避免了观点的偏颇，在这里一并向这些作者们致谢。

　　书中内容不当或错误之处，望读者们批评指正。