1、单元二MPS模块化生产线及传感器的应用单元二 MPS模块化生产线及传感器的应用2.1 MPS 教学系统简介2.1.1 MPS 的概述模块化生产培训系统（MPS，Modular Production training System）是目前流行的机电一体化教学设备。MPS 体现了机电一体化的技术实际应用。MPS 设备是一套开放式的设备，用户可以根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，最多可由9 个单元组成，当然最少时一个单元亦可自成一个独立的控制系统。而由多个单元组成的生产系统可以体现自动生产线的控制特点。在由多个MPS 工作单元组成的系统中，综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（
2、机械传动、机械连接等）、电工电子技术、传感器应用技术、PLC 控制技术、组态控制技术、信息技术等。利用该系统可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学员在一个非常接近于实际的教学设备环境，使学员在学习过程中很自然地就将理论应用到了实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。2.1.2 MPS 的基本组成多个单元组成的MPS 系统可以较为真实地模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。其中，每个工作单元都可以自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统。图21 MPS-1型模块化生产线外形图各个单元的执行机构主要是气动执行机构和电机驱动机构，这些执行机
3、构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。在MPS 设备上应用多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色、物体的材质、物体的高度等。传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工作实现高度自动化的前提之一。在控制方面，MPS 设备采用PLC 进行控制，用户可根据需要选择不同厂家的PLC（英集斯公司主要使用三菱公司的FX2N 系列PLC、西门子公司的S7-200 系列PLC 和S7-300 系列PLC）。MPS 设备的硬件结构是相对固定的，但学员可以根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC 控制程序
4、实现该工艺过程，从而实现对MPS 设备的控制。2.1.3 MPS 的基本功能MPS 设备给学员提供了一个半开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS 模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS 作为一条自动生产流水线具有怎么样的操作运行模式等，学员都可根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC 控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。MPS 系统中每个单元都具有最基本的功能，学员可这些基本功能的基础上进行流程编排设计和发挥。2.1.3.1 上料检测单元功能简介：完成整个系统的上料工作，
5、将大工件输出，判断出其颜色，并将其信息发给后一站。此站可配合触摸屏或组态控制而为整个系统的主站。PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列；扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络；组成模块：回转料斗、提升装置、光电识别组件。2.1.3.2 供料单元功能简介：作用是为加工过程逐一提供加工工件。由双作用气缸从料仓中逐一推出工件，转换模块上的真空吸盘将工件吸起，在旋转缸的驱动下将工件移动至下一个工作站的传输位置。PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列；扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络；组成模块：真空组件、旋转模块、供料模块。2.1.3.3
6、 检测单元：功能简介：检测单元主要是检测加工工件的各种特性，如颜色、材质、高度等。PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列；扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络；组成模块：工件高度检测模块、提升模块、工件材质及颜色识别组件。 2.1.3.4 加工单元：功能简介：工件将在旋转平台上被检测及加工。通过具有四个工位的加工旋转平台，进行加工模拟，并进行加工质量的模拟检测。PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列；扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络。2.1.3.5 搬运单元：组成模块：旋转平台、模拟钻孔模块、模拟检测组件功能简介：该搬运单元由
7、无杆气缸、椭圆形活塞气缸和夹爪等部件组成，通过移动、上下伸缩、抓取等动作，将前一单元上的工件传入下一执行单元。PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列；扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络；组成模块：提升模块、气动夹爪组件、直线运动无杆缸。2.1.3.6 安装搬运单元功能简介：将工件从前一站搬运至下一站，并可在本站上完成大、小工件的组装。PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络组成模块：直线转旋转运动模块、气动夹爪装置。2.1.3.7 立体仓库单元功能简介：该站为仓库存储的模拟，它将系统加工完成的合
8、格产品，按照不同类别，进行分类立体存放。PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列；扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络；步进电机及驱动器；组成模块：步进电机控制模块、滚珠丝杆模块、工件推出组件、立体仓库。2.1.4 MPS 的发展模块化生产培训系统是先进工业自动化及制造的基本部分，将先进制造系统的物料供给、分拣、加工、检测、立体仓库等主要单元展现给学生，同时学生可以自己动手实践，学习PLC 编程、生产管理、流程设计等机械设计制造及自动化相关的课程学习。随着技术的发展，工控技术的不断完善，上海英集斯自动化技术有限公司在原有的MPS系统加入了触摸屏控制系统、组态监控系
9、统和生产管理执行系统，进一步提升的模块化生产培训系统的科技含量，使学员在“用最先进的技术培训今天的学员，为未来而服务！”这样的理念下前进。触摸屏是一个智能化操作部件，是极富吸引力的全新多媒体操作装置，用户只要用手指轻轻地触摸显示屏上的图符或文字就能实现对设备操作，可显示设备运行状况和运行参数。组态监控程序的应用解决了人机界面控制中的动画显示问题，监控信息将以更加形象、生动的动画方式显示出来。触摸屏和组态监控软件的出现至今只有短短的几年间就已婚证明，触摸屏和组态监控软件可以取代过设备的操作面板和批仪表。生产管理执行系统（MES）的应用是模块化生产培训系统的一次飞跃，它引入信息管理技术，真正实现了
10、对生产的有效管理。从以上的介绍很容易看出：传感器在自动化系统中有重要的地位。特别是在模块化生产线上有电感式传感器、电容式传感器和光电传感器等。2.2 传感技术概述人是靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这些感觉器官来接受外办信息的，而一台光机电一体化的自动化设备在运行中也有大量的信息需要准确地被“感受”，以使设备能按照设计要求实现自动化控制，自动化设备用于“感受”信息的装置就是传感器。传感技术是实现自目前，传感器已广泛地应用到了工业、农业、环境保护、交通运输、国防以及日常工作与生活等各个领域中，并伴随着现代科技的发展而发展，尤其是新材料、新技术的不断研究与发展，对传感器的发展起到了重要的推动作用。开
11、发新的敏感材料是研制新型传感器的关键。功能陶瓷材料、高分子有机敏感材料、生物活性物质（如酶、激素等）和生物敏感材料（如微生物、组织切片）都是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料。随着新的加工技术、微电子技术、微处理的飞速发展，微型化、多维多功能化、集成化、数字化及智能化是传感器的方向发展。2.2.1 传感器的基本概念关于传感器的定义，众说不一。根据我国的国家标准（GB7762-87），传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。例如：用铂电阻（一种温度传感器）测量温度时，是测量铂电阻的电阻，不同的电阻对应
12、不同的温度。 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。 它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量； 输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。图22 传感器电路组成敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。调理电路：将敏感元件或转换
13、元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。随着微电子技术的发展和加工工艺的进步，传感器的体积越来越小，功能越来越强，以前作为传感器输出信号的后期处理器，如放大器、各种补偿电路、运算电路、A/D 转换电路等，都在制造时作为传感器的一部分集成到了一起，为用户提供了极大的方便，为实现传感的标准化，从而使传感器具有良好的互换提供了前提。当在传感器中集成进去微处理器后，就可以实现传感器的自学习、自诊断、自校准、自适应等功能，成为智能化的传感器。2.2.2 传感器的分类2.2.2.1 按工作机理分类结构型传感器：是利用传感器的结构参数变化来实现信号转换的。物性型传感器：在实现转换的过程中，传感器的
14、结构参数基本不变，而是依靠传感器中敏感元件内部的物理或化学性质的变化来实现检测功能的。2.2.2.2 按能量转换情况分类根据传感器的能量转换情况，可分为：能量控制型传感器。如电阻式、电感式等传感器。能量转换型传感器。如基于光电效应等的传感器。2.2.2.3 按物理原理分类电路参量式传感器。包括电阻式、电感式、电容式等三个基本型式。磁电式传感器。包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等。压电式传感器。光电式传感器。包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式等。 气电式传感器。 热电式传感器。 波式传感器。包括超声波式、微波式等。 射线式传感器。 半导体式传感器等。2.2.2.4 按用
15、途分类按照传感器的用途来分类，可分为：位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器、速度传感器等。2.2.2.5 按输出电信号类型分类根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为：模拟量传感器、数字量传感器、开关量传感器。接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器。该类传感器主要用于位置量的检测。在各种接近开关传感器中，广泛应用的是高频接近开关，因为这类开关具有抗干扰能力强、灵敏度高、可靠性好、使用寿命长等特点。2.2.3 传感器的术语以下主要介绍有关传感器的相关的术语2.2.3.1量程和满量程（range and span）量程是传感器的测量范围。满量程是是传感器的最大测量值与最小测量
16、值的差。例如一个力传感器的测量范围是050kN，那么其满量程是50kN。2.2.3.2 误差（error）误差是测量值与真值之间的差，其数学表达如下： 误差测量值 真值例如：若温度计的视数是25，而实际温度是24，那么误差就是1；若温度计的视数是25，而实际温度是26，那么误差就是1。2.2.3.3 精度（accuracy）精度是表明测量数值偏离真值的误差范围。例如某温度计的测量精度用表示，表明其测量数值，偏离真值最大为。2.2.3.4 灵敏性（.Sensivity）传感器的输出增量与输入增量的比。对于线型传感器，其灵敏度就是其静态特性曲线的斜率。其数学表达值下： 例如：某热电阻的灵敏度是，意
17、思是温度每变化1，热电阻的阻值变化。2.2 .3.5迟滞误差（hysteresis error）迟滞误差就是传感器在正向行程（输入增加）和反向行程（输入减少）期间，其输入输出曲线不一致，而产生的误差，如图23所示。图23 迟滞误差2.2.3.6 非线性误差（Non-linearity error）对于很多传感器，其输入和输出之间存在线型关系，然而这个理论的线性方程与实际的曲线之间有一定的偏差，把两曲线之间的最大偏差称为非线性误差，如图24所示，非线性误差通常用一个百分数表示，即最大偏差与满量程的百分比，其数学表达如下：其中，表示非线性误差、表示最大偏差、表示满量程。图24 非线性误差2.2.3
18、.7重复性（repeatability/reproducibility）这个术语是描述传感器在输入量按同一方向作全程多次测试时，所得到的特性曲线不一致的程度。重复性通常用百分比表示，即最大不重合误差与满量程的比值，其数学表达如下：其中，表示非线性误差、表示最大不重合偏差、表示满量程。2.2.3.8 稳定性（stability） 稳定性就是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、或者一周，传感器的输出与起始标定之间的差异。通常用不稳定性表征其输出的稳定。2.3 电感式接近开关2.3.1 工作原理根据电磁感应原理可知，当金属物体处于一个交变的磁场中时，在金属物体内部会产生交变的电涡流，该涡流
19、又会反作用于产生它的磁场。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，利用这一原理，通过研究电感线圈中的电流的变化情况，就可以得知是否有金属物体处于电感线圈的磁场中（接近电感线圈）。线圈的电感L、阻抗Z 及Q 值都是涡流相量的函数；涡流相量取决于线圈的几何尺寸、激励电流的频率、被检测金属物体的电阻率、磁导率、几何形状、线圈与被测金属体之间的距离及环境温度等因素。图25 电涡流现象电感式接近开关就是利用电涡流效应制造的传感器。高频振荡型电感式接近开关，它以高频振荡器（LC 振荡器）中的电感线圈作为检测元件，利用被测金属物体接近电感线圈时产生的涡流效应，引起振荡器振
20、幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。差动线圈型电感式接近开关，它有两个电感线圈，由其中一个电感线圈作为检测线圈，另一个电感线圈作为比较线圈；由于被测金属物体接近检测线圈时会产生涡流效应，从而引起检测线圈中磁通的变化，检测线圈的磁通与比较线圈的磁通进行比较，然后利用比较后的磁通差，经由传感器的信号调理电路将该磁通差转换成电的开关量输出，从而达到检测的目的。2.3.2电感式接近开关的分类2.3.2.1 按工作电源的性质进行分类交流型：采用交流电源供电，用于交流控制回路。直流型：采用直流流电源供电，用于直流控制回路。2.3.2.2 按接线方式进行分类
21、二线制； 三线制； 四线制； 五线制； 六线制。2.3.2.3 按触点的性质分类常开式；常闭式； 常开与常闭混合式。2.3.2.4 按输出逻辑分类正逻辑型，也叫PNP型，漏型，欧洲多采用这种形式；负逻辑型，也叫NPN型，源型，日本多采用这种形式；浮空逻辑型；混合型。2.3.2.5 按外形分类 螺纹型； 圆柱型； 长方体型； U 型等。2.3.2.6 按防护方式分类 防水型； 防爆型； 耐高温型； 耐高压型等。2.3.3 电感式接近开关的图形符号接近开关的通用符号及电感式接近开关的图形符号如下图如示。图26 电感式接近开关的图形符号和接线图注意，接近开关中，BN表示棕色线，BU表示蓝色线，BK表
22、示黑色的线，WH表示白色的线。对于两根导线NPN型接近开关，棕色线与负载相连，蓝色线与零电位点相连。对于两根导线PNP型接近开关，棕色线与高电位相连，负载的一端与接近开关的蓝色线相连，而负载的另一端与零电位点相连。2.3.4 电感式接近开关的应用例题1：在图27中，有一只NPN型接近开关与指示灯相连，当一个铁块靠近接近开关时，回路中的电流会怎样变化？解：指示灯就是负载，当铁块到达接近开关的感应区时，回路突然接通，指示灯由暗变亮，电流从很小到100%，电流曲线如图28所示（理想状况）。图 27 接近开关与指示灯相连的示意图 图 28回路电流变化曲线2.4 节电容式接近开关2.4.1 电容式接近开
23、关的基本工作原理在高频振荡型电容式接近开关中，以高频振荡器（LC 振荡器）中的电容作为检测元件，利用被测物体接近该电容时由于电容器的介质发生变化导致电容量C 的变化，从而引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测电容式接近开关的分类、技术术语与主要技术指标与电感式接近开关的相同。2.4.2 电容式接近开关的图形符号图29 电容式接近开关的图形符号和接线图2.4.3 电容式接近开关的应用模块化生产线的搬运站上共有8个接近开关，如图210所示为搬运站示意图，SQ1和SQ2为电容式接近开关，当旋转汽缸转至右极限位置,PLC获得信号，PLC控制旋转汽缸停止
24、转动。当旋转汽缸转至左极限位置, PLC获得信号，PLC控制旋转汽缸停止转动。那么为什么一定要使用电容式接近开关，可否使用电感式接近开关呢？这得先分析系统，从前面的章节可知电感式接近开关只对铁质物体的接近产生信号，而搬运站的倍力汽缸的外壳是铝质的，因此要使倍力汽缸的外壳靠近接近开关产生信号，就不能使用电感式接近开关，而应该使用电容式接近开关。图 210 搬运站示意图2.5光电式接近开关光电式传感器是用光电转换器件作敏感元件、将光信号转换为电信号的装置。光电式传感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开关量输出式。以开关量形式输出的光电传感器，即为光电式接近开关。2.2.1
25、 光电效应物质（主要是指金属）在光的照射下释放出电子的现象，称之为光电效应。其所释放出的电子称为“光电子”。1887 年德国物理学家赫兹首先发现，这种效应不能简单地用光的波动理论来解释，1905 年爱因斯坦引入光子概念才满意地说明了这一现象。光电效应：物质（主要指金属）在光的照射下释放出电子的现象。外光电效应：物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象。内光电效应：物体在受到光的照射时，使物体内部的部分束缚电子变为自由电子，从而使物体的导电能力增强，或者在特殊结构的物体内部使电子按照一定的规律运动形成电动势利用内光效应还可制成光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管、结型场效应光敏管及CCD 器
26、件等光敏元器件。2.2.2 光电式接近开关利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。光电式传感器的种类很多，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。光电式接近开关主要由光发射器和光接收器组成。光发射器用于发射红外光或可见光。光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号以开关量形式输出。按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关可以分为对射式、反射式和漫射式三种。光发射器和光接收器也有一体式和分体式两种。2.2.2.1 对射式光电接近开关对射式光电接近开关是指光发射器（光发射器探头或光源探头）与光接收器（光接收器探头）处于相对的位置工作的光电接近开关。对射式接近开关工作原理如图2
27、11所示。图211 对射式接近开关工作原理2.2.2.2 反射式光电接近开关反射式光电接近开关的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且光发射器与光接收器为一体化的结构，在其相对的位置上安置一个反光镜，光发射器发出的光经反光镜反射回来后由光接收器接收。反射式接近开关工作原理如图212所示。图212 反射式接近开关工作原理2.2.2.3 漫射式（漫反射式）光电接近开关漫射式光电接近开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故该种传感器称为漫射式光电接近开关。漫反射式光电接近开关，它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化的结构。在工作时，光发射器始终发射
28、检测光，当接近开关的前方一定距离内没有物体时，则没有光被反射回来，接近开关就处于常态而不动作；如果在接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光的强度足够，则接收器接收到足够的漫射光后就会使接近开关动作而改变输出的状态。漫射式接近开关工作原理如图213所示。图213 对射式接近开关工作原理这里顺便提一个，我们为什么会在日光下看到不同颜色的物体？这是因为物体对不同频率的光吸收作用不同，如果物体将所有频率的光（白光）全部反射回来，则我们看到的物体就是白色；如果物体将所有频率的光全部吸收，则我们看到的物体就是黑色的。如果物体吸收一部分频率的光，而将其余部分的光反射出来，则我们看到的就是反射光的
29、颜色。原则上黑色物体是不能被漫反射式光电开关检测到的，但由于物体表面粗糙度不同，一些表面光滑的黑色物体仍能反射一部分光，因此灵敏度高的漫反射光电接近开关仍能检测到这样的黑色物体。而我们的上料检测单元和检测单元上检测工件颜色就是利用这个原理来分辨出工件的黑与白的。光电式接近开关的图形符号如图214所示。图214 光电式接近开关的图形符号2.2.3 光电式接近开关在模块化生产线上的应用模块化生产线的加工站上共有8个接近开关，如图215所示为加工站示意图，圆盘绕中轴线旋转，当小孔中有物体时，阻断光线，光电传感器接收信号，表明加工站上有加工件，PLC收到信号后，控制加工部件动作。图 215 加工站示意
30、图2.6干簧继电器2.2.1 干簧继电器干簧继电器（Reed Switches）是利用磁场作用来驱动继电器触头动作，实际上也是一种接近开关。其主要部分是干簧管，它是由一组或几组导磁簧片封装在惰性气体的玻璃管中组成开关元件。导磁簧片既有导磁作用，又作接触簧片，即控制触头的作用。图216中，利用线圈通电后，产生磁场驱动干簧继电器动作，图（a）中线圈没有通电，触点处于断开状态，而图（b）线圈通电，触点处于闭合状态。图217中，利用外磁场驱动干簧继电器动作。在磁场的作用下，干簧管内的两根磁簧片被磁化而相互吸引，接通电路。当磁场消退，簧片靠本身的弹性分开。图（a）线圈没有通电 图（b）线圈通电图216
31、干簧继电器原理图（线圈）图217 干簧继电器原理图（永久磁铁）干簧继电器具有结构简单、体积小；吸合功率小、灵敏度高、一般吸合与释放时间均在0.52ms以内；触点密封，不受尘埃、潮气及有害气体污染；动片质量小，动程小，触点电气寿命长等优点。在检测、自动控制、计算机控制技术等领域中应用广泛。有的干簧继电器很小，其长度只有几毫米，特别适合小型气缸的限位，其作用等同于限位开关，但其体积比一般限位开关小得多。干簧继电器的接线很简单，只要两根线串接在控制回路中即可，其作用和接线方法与限位开关相似，下面举出具体应用实例。模块化生产线上的汽缸上就使用了干簧继电器。例22：干簧继电器在气缸上的应用，如图218所示。气缸的活塞上有环形磁铁，当活塞在左位时，活塞上的磁铁使气缸左边的干簧继电器的触点吸合，同时左边的干簧继电器上的指示灯亮，表明
