Industrial Automated Systems: Instrumentation and Motion Control

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