دانلود کتاب Industrial Automated Systems: Instrumentation and Motion Control

فهرست مطالب :

Contents t Preface xxi Section 1 Industrial Control Overview Chapter 1 Introduction to Industrial Control Systems . . . . . . . . . . . . . . 3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1-1 Industrial Control Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Motion and Process Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Open- and Closed-Loop Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1-2 Elements of Open- and Closed-Loop Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1-3 Feedback Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1-4 Practical Feedback Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1-5 Dynamic Response of a Closed-Loop System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1-6 Feed-Forward Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Chapter 2 Interfacing Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2-1 Fundamental Operational Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Operational Amplifier Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Inverting Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Summing Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Noninverting Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Difference Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2-2 Signal Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Integrator Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Differentiator Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Wave-Shaping Schmitt Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2-3 Comparator Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Digital Magnitude Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2-4 Optoelectronic Interface Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Photo SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Photo Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Optoelectronic Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2-5 Digital-to-Analog Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Integrated-Circuit Digital-to-Analog Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2-6 Analog-to-Digital Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Integrated-Circuit Analog-to-Digital Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2-7 Timing Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 555 Astable Multivibrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 555 Monostable Multivibrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Chapter 3 Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3-1 Silicon-Controlled Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 SCR Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 SCR Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 SCR Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Current–Voltage Characteristics of an SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Triggering Methods of an SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Phase Control SCR Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Temperature-Operated Alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3-2 Unijunction Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Current–Voltage Characteristics of a UJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Relaxation Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3-3 Diac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Diac Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Current–Voltage Characteristics of a Diac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3-4 Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Current–Voltage Characteristics of a Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Gate Control of a Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3-5 IGBTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Turn-On . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Turn-Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Section 2 The Controller Chapter 4 The Controller Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4-1 Control Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4-2 On-Off Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4-3 Proportional Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Controller Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Steady-State Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4-4 Proportional-Integral Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4-5 Proportional-Integral-Derivative Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4-6 Time-Proportioning Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4-7 Time-Proportioning Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Section 3 Electric Motors Chapter 5 DC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5-1 Principles of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5-2 Rotary Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5-3 Practical DC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5-4 Control of Field Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5-5 Counterelectromotive Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5-6 Armature Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Interpoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5-7 Motor Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Speed Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Kilowatt Rating of a Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Motor Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5-8 Interrelationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5-9 Basic Motor Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5-10 Motor Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 The Shunt Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 The Series Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 The Compound Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Reversing DC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5-11 Coil Terminal Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Chapter 6 AC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6-1 Fundamental Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Alternating Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Rotary Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6-2 Stator Construction and Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Stator Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6-3 Types of AC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Rotor Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6-4 Single-Phase Induction Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6-5 Resistance-Start Induction-Run Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Operating Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6-6 Capacitor-Start Induction-Run Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6-7 Shaded-Pole Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6-8 Troubleshooting Split-Phase AC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Thermal Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6-9 Universal Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 6-10 Three-Phase Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6-11 Induction Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6-12 Wound-Rotor Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Start-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6-13 Synchronous Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Starting Synchronous Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Reaching Synchronous Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Power Factor Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6-14 Motor Nameplate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 NEMA Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 The Nameplate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Chapter 7 Servo Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7-1 DC Servo Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7-2 Wound Armature PM Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7-3 Moving Coil Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7-4 Brushless DC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 7-5 Stepper Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 7-6 Permanent Magnet Stepper Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Half-Stepping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7-7 Variable Reluctance Stepper Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Stepper Motor Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Microstepping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7-8 AC Servo Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 AC Brushless Servo Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Section 4 Variable-Speed Drives Chapter 8 DC Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8-1 DC Drive Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Operator Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Drive Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 DC Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Speed Regulator (Feedback Method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8-2 Variable-Voltage DC Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Motor Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Speed Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Current Limiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 High-Speed/Low-Speed Adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Acceleration/Deceleration Adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Methods Used to Adjust Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Field Current Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Load Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 8-3 Motor Braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Dynamic Braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Regenerative Braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Chapter 9 AC Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9-1 AC Drive Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 9-2 AC Drive System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 9-3 Drive Controller Internal Circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 1. Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 2. The Intermediate Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 3. Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4. Control Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 9-4 Circuit Operation of the AC Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 The Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 The Intermediate Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 The Inverter Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9-5 Flux Vector Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 9-6 PWM Control Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Volts/Hertz Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 AC Closed-Loop Vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Sensorless Vector Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 9-7 Control Panel Inputs and Drive Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Input Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Drive Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 9-8 Inverter Self-Protection Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 9-9 Motor Braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Regenerative Braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Common Bussing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 9-10 Four-Quadrant Operation of AC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 9-11 AC Drive Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Torque Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Programming Capability Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Multimotor Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 9-12 Motors Driven by AC Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Section 5 Process Control and Instrumentation Chapter 10 Pressure Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 10-1 Pressure Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 10-2 Properties of a Liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Atmospheric Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Mechanical Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 10-3 Properties of a Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Temperature of the Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Volume of the Gas Container . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Gas Removal from a Container . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 10-4 Pressure Measurement Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Gage Pressure Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Absolute Pressure Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Differential Pressure Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Vacuum Pressure Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 10-5 Pressure Measurement Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 10-6 Nonelectrical Pressure Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Liquid Column Gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Mechanical Gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 10-7 Electronic Pressure Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Semiconductor Strain Gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Transverse Voltage Strain Gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Variable Capacitor Pressure Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 10-8 Pressure Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Hydraulic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Pneumatic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Vacuum Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Static Pressure Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Steam Pressure Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Chapter 11 Temperature Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 11-1 Fundamentals of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 11-2 Thermal Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 11-3 Thermodynamic Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 11-4 Thermal Energy Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Industrial Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Cooling Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 11-5 Temperature Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Temperature Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Differential Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 11-6 Temperature-Indicating Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Liquid Crystal Indicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Liquid-Filled Thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 11-7 Electronic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Thermistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Resistance Temperature Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Thermocouple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Probe Assemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Radiation Thermometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Chapter 12 Flow Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 12-1 Systems Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Reasons for Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 12-2 Flow Units of Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Volumetric Flow Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Flow Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Mass Flow Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 12-3 Solid Flow Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 12-4 Fluid Flow Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Pipe Flow Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Fluid Flowmeter Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 12-5 Electronic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Coriolis Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Mass Flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Thermal Mass Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Rotor Flow Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Electromagnetic Flow Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Thermal Flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Vortex Flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Ultrasonic Flowmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Time-of-Flight Flowmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 12-6 Flowmeter Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 12-7 Selecting a Flowmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Chapter 13 Level-Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 13-1 A Level-Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Power Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Transfer Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 13-2 Methods of Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Point Level Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Continuous Level Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 13-3 Level-Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Float and Displacement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 13-4 Electronic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Conductive Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Capacitive Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Ultrasonic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 13-5 Selecting a Level Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Chapter 14 Analytical Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 14-1 pH Measurement and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 pH Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Controlling pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 14-2 Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Conductivity Electrode Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Conductivity Inductive Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Conductivity Applications and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 14-3 Combustion Analyzers and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Combustible Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Hydrocarbon Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Controlling Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 14-4 Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Quantitative Measures of Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Absolute-Humidity Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Relative-Humidity Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Dew Point Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Controlling Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 14-5 Sampling Measurement System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Chapter 15 Industrial Process Techniques and Instrumentation . . . . . . 315 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 15-1 Batch Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Control Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Types of Batch Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Chemical Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 15-2 Continuous Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Control Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 15-3 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 15-4 Measurement Devices (Sensors) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Dynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Static . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 15-5 Feedback Loop Interface Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 15-6 Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Pneumatic Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Panel-Mounted Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Personal Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Programmable Logic Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Distributed Control Systems (DCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 15-7 Monitoring Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Recorders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 15-8 Manipulation Devices (The Final Control Element) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 The Solenoid Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 DC and AC Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 The Control Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Chapter 16 Instrumentation Symbology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 16-1 General Instrument Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Individual Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 16-2 Tag Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 16-3 Line Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 16-4 Valve and Actuator Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Control Valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 16-5 Reading a Single Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 16-6 Information Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 Chapter 17 Process-Control Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 17-1 Open-Loop Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 17-2 Closed-Loop Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 Process Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 17-3 Single-Variable Control Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Response Time of the Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Pure Lag of the Controlled Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Dead Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 17-4 Selecting a Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 17-5 On-Off Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Case Studies—Using Different Control Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 17-6 Continuous Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Proportional Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Integral Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 Derivative Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 17-7 Advanced Control Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Cascade Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 Feed-Forward Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 Ratio Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Adaptive Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 Chapter 18 Instrument Calibration and Controller Tuning . . . . . . . . 395 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 18-1 Instrument Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 18-2 Reasons for Performing Calibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 18-3 Calibration Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 18-4 Standard Calibration Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 18-5 Five-Point Calibration Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 Calibration Check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 Calculating the Input Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 Calculating the Output Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 Analysis of Calibration Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 Transmitter Zero and Span Adjustments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 Verification of Adjustments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 18-6 Process Calibrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 Sensor Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 Transmitter Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 18-7 Tuning the Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 18-8 Trial-and-Error Tuning Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 Ziegler-Nichols Tuning Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 18-9 Ziegler-Nichols Continuous-Cycling Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 18-10 Ziegler-Nichols Reaction-Curve Tuning Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 18-11 Controller Autotuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Section 6 Detection Sensors Chapter 19 Industrial Detection Sensors and Interfacing . . . . . . . . . . . . . . 421 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 19-1 Limit Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 19-2 Proximity Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 19-3 Inductive Proximity Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 Parts of an Inductive Proximity Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 Operation of an Inductive Proximity Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 Analog Inductive Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 19-4 Capacitive Proximity Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 Operation of a Capacitive Proximity Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 19-5 Hall-Effect Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Linear Hall-Effect Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 Digital Hall-Effect Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 19-6 Photoelectric Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 Light Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 Light Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 The Sensor Circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 19-7 Methods of Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 Opposed Sensing Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 Retroreflective Sensing Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 Diffuse Sensing Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 Convergent Sensing Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 Specular Sensing Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 Color-Mark Sensing Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 19-8 Photoelectric Sensor Adjustable Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 Light/Dark Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 On-Delay Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 Off-Delay Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 One-Shot Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 19-9 Photoelectric Package Styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 19-10 Operating Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Excess Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Field-of-View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 Sensor Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 19-11 Ultrasonic Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 19-12 Sensor Interfacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Switched Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 Analog Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Chapter 20 Industrial Wireless Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 20-1 Wireless Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 20-2 Wireless Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 20-3 Wireless Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 Star Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 Mesh Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474 Cluster-Free Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 20-4 Self-Organizing Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 20-5 Wireless Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 Wireless Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 20-6 Radio Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481 RF Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 Receiver Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 Antenna Design and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 20-7 Characteristics of the Radio Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 20-8 Power Management of Field Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 20-9 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 20-10 Wireless Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 Section 7 Programmable Controllers Chapter 21 Introduction to Programmable Controllers . . . . . . . . . . . . . . . 495 Introduction to PLC Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 21-1 Industrial Motor Control Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 Wiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Mechanical Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Components Used as Input Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Components Used as Output Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 21-2 Relay Ladder Logic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 AND Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 OR Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 NOT Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 NAND Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 NOR Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 START/STOP Interlocking Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 21-3 Building a Ladder Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 Modification 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 Modification 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 Modification 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 Modification 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 Multi-Rung Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 Labeling Components and Connections in a Ladder Circuit . . . . . . . . . . . . . . 506 21-4 Motor Starter Control Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 Control Circuitry Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 Introduction to PLC Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 21-5 Rack Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 21-6 Power Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 21-7 PLC Programming Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 Handheld Programmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 Dedicated Terminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 Microcomputers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 21-8 Input/Output Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 Input Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 Output Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 Module Termination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 21-9 Processor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 Central Processing Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 Arithmetic Logic Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 21-10 Addressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523 Word Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 Element Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 Bit Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 This address reads: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 Input/Output Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 21-11 Relationship of Data File Addresses to I/O Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 Chapter 22 Fundamental PLC Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 22-1 PLC Program Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 22-2 Ladder Diagram Programming Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533 22-3 Ladder Diagram Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533 22-4 Relay Logic Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 Symbol: –| |– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 Symbol: –( )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 Symbol: –| / |– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536 Symbol: –( L )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536 Symbol: –( U )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536 22-5 Timer Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 Symbol: –( TON )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538 Symbol: –( TOF )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 Symbol: –( RTO )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540 Cascading Timers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 22-6 Counter Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 Symbol: –( CTU )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 Symbol: C5:0 –( RES )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 Symbol: –( CTD )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 22-7 Data-Manipulation Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 Data Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 Data Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 Symbol: –( TOD )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 Symbol: –( FRD )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 Data Compare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 Symbol: –( EQU )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 Symbol: –( NEQ )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 Symbol: –( LES )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 Symbol: –( LEQ )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 Symbol: –( GRT )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 Symbol: –( GEQ )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 22-8 Arithmetic Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 Symbol: –( ADD )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 Symbol: –( SUB )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Symbol: –( MUL )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Symbol: –( DIV )– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 22-9 Writing a Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 Chapter 23 Advanced Programming, PLC Interfacing, and Troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 23-1 Jump Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 23-2 Data Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560 Shift Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560 Sequencers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 Programmable Controller Interfacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569 23-3 Discrete Input/Output Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569 Discrete Input Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569 Discrete Output Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572 23-4 Troubleshooting I/O Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575 Discrete Interface Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575 23-5 Analog Input and Output Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577 Analog Input Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 Analog Output Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 23-6 Special-Purpose Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 Bar-Code Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 Radio Frequency Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584 Vision System Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585 PID Control Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585 Fuzzy Logic Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585 Stepper Motor Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 Thermocouple Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 23-7 Troubleshooting Programmable Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 Section 8 Motion Control Chapter 24 Elements of Motion Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 24-1 Open-Loop and Closed-Loop Servo Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 Open-Loop Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592 Closed-Loop Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592 24-2 Motion-Control Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 Position Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 Velocity Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 Acceleration/Deceleration Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 Torque Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 24-3 Motion-Control Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 Operator Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 Actuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 24-4 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 24-5 Operator Interface Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 24-6 Controller Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 24-7 Amplifier Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598 24-8 Actuator Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 Electric Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600 Actuator Transmission Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 Positioning Movements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606 24-9 Feedback Transducer Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608 Presence Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608 Position Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609 Chapter 25 Motion-Control Feedback Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 25-1 Angular Velocity Feedback Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612 Tachometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612 25-2 Angular Displacement Feedback Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614 Potentiometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614 Angular Displacement Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615 Optical Encoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617 Resolvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626 25-3 Linear Displacement Feedback Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630 Inductosyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630 Linear Displacement Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633 Wire Rope Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 Linear Velocity Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639 Chapter 26 Fundamentals of Servomechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641 26-1 Closed-Loop Velocity Servo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641 26-2 Bang-Bang Position Servo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 26-3 Proportional Position Servomechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 Analog Position Servo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 26-4 Digital Position Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645 Digital Position Control Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647 Electrohydraulic Linear Position Servo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648 26-5 Characteristics of a Servomechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649 26-6 Designing a Position Servo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 Point-To-Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 Contouring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 26-7 Digital Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 Current Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654 Velocity Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654 Position Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655 26-8 Tuning a Servomechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657 26-9 Master–Slave Servosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660 Section 9 Industrial Networking Chapter 27 Industrial Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665 27-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 27-2 Hierarchy of Industrial Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 Sensor Bus Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 Device Bus Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667 Control Bus Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667 Enterprise Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668 27-3 Network Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 Bus Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 Ring Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 Star Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670 Combination Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670 27-4 Data Flow Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671 Token-Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671 CSMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671 27-5 Transmission Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672 Twisted-Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672 Coaxial Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673 Quick-Connect Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674 Fiber Optic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675 27-6 Network Backbones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675 Hubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675 Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675 Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676 Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676 27-7 Network Communication Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677 27-8 Fieldbus Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677 Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677 AS-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680 HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681 Foundation Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683 Profibus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684 NetLinx Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684 DeviceNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686 ControlNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687 Ethernet/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689 Chapter 28 Functional Industrial Systems Please see the CD that accompanies this textbook. Answers to Odd-Numbered Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709