自动化生产线安装与调试.docx

1、自动化生产线安装与调试第二篇 项目备战自动线核心技术应用自动线中经常用到传感器技术、电机技术、气动技术、控制技术、伺服驱动技术、通信技术，就像人的感官系统、运动系统、大脑及神经系统。下面以YL-335A自动线为载体对以上关键技术进行阐述，分拣站如图2-1所示。正所谓“工欲善其事，必先利其器”。任务一 自动线中传感器的使用如图2-2所示，当工件进入自动线中的分拣站，人的眼睛可以清楚地观察到，但自动线是如何判别的呢？如何使自动线具有人眼睛的功能呢？传感器像人的眼睛、耳朵、鼻子等感官器件，是自动线的检测元件，能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成电信号输出。在YL-335A自动线中主要用到了磁性开

2、关、光电开关、光纤传感器3种传感器。子任务一 磁性开关及应用1.磁性开关介绍在YL-335A自动线中，磁性开关用于各类气缸的位置检测。图2-3所示是用两个磁性开关来检测机械手上气缸伸出和缩回到位的位置。磁力式接近开关（简称磁性开关）是一种非接触式位置检测开关，这种非接触式位置检测不会磨损和损伤监测对象物，相应速度高。生产线上常用的接近开关还有感应性、静电容量型、光电型等接近开关。感应型接近开关用于检测金属物体的存在，静电容量型接近开关用于检测金属及非金属物体的存在，磁性开关用于检测此时的存在，安装方式上有导线引出型、接插件式、接插件中继型；根据安装场所环境的要求接近开关可选择屏蔽式和非屏蔽式。

3、其实物图及电气图形符号如图2-4所示。当有磁性物质接近图2-5所示的磁性开关传感器时，传感器动作，并输出开关信号。在实际应用中，可在被测物体（如气缸的活塞或活塞杆）上安装磁性物质，在汽缸缸筒外面的两端各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。磁性开关的内部电路如图2-6中点画线框内所示，为了防止因错误接线损坏接近开关，通常在使用此行开关时都串联了限流电阻和保护二极管。这样，即使引出线极性接反，磁性开关也不会烧毁，只是该磁性开关不能正常工作。 2.磁性开关的安装与调试在生产线的自动控制中，可以利用该信号判断气缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推迟或气

4、缸是否返回。（1）电气接线与检查重点要考虑传感器的尺寸、位置、安装方式、布线工艺、电缆长度以及周围工作环境等因素对传感器工作的影响。按照图2-6所示将磁性开关型开关与PLC的输入端口连接。注意：如果用的是图2-6所示的传感器，应将棕颜色的线与电源正极相连。在磁性开关上设置有LED，用于显示传感器的信号状态，供调试与运行监视是观察。当气缸活塞靠近，接近开关输出动作，输出“1”信号，LED亮；当没有气缸活塞靠近，接近开关输出不动作，输出“0”信号，LED不亮，如图2-3所示。（2）磁性开关在气缸上的安装与调整 磁性开关与气缸配合使用时，如果安装不合理，可能使气缸动作不正确。当气缸活塞移向磁性开关，

5、并接近一定距离时，磁性开关才有“感知”，开关才会动作，通常把这个距离叫“检出距离”。在气缸上安装磁性开关时，先把磁性开关装在气缸上，磁性开关的安装位置根据控制对象的要求调整，调整方法简单，只要让磁性开关到达指定位置后，用螺丝刀旋紧固定螺钉（或螺母）即可，如图2-7所示。 磁性开关通常用于检测气缸活塞的位置，如果检测其他类型的工件的位置，比如一个浅色塑料工件，这时就可以选择其他类型的接近开关，如光电开关。子任务二 光电开关及应用1.光电开关简介 光电接近开关（简称光电开关）通常在环境条件比较好、无粉尘污染的场合下使用。光电开关工作时对被测对象几乎无任何影响。因此，在生产线上被广泛应用。 在供料单

6、元中，料仓中工件的检测利用的就是光电开关，如图2-8所示。在料仓底层和第4层分别装设2个光电开关，分别用于缺料和供料不足检测。如料仓内没有工件，则处于底层和第4层位置的第2个漫射式光电接近开关均处于常态；若仅在底层起有3个工件，则底层处光电接近开关动作而次底层处光电接近开关均处于常态；若仅在底层起有3个工件，则底层处光电接近开关动作而次底层处光电开关常态，表明工件已经用完了。这样料仓中有无储料或储料是否足够，就可以用这2个光电接近开关的信号状态反映出来。在控制程序中，就可以利用该信号的状态来判断底座和装料管中储料的情况。本单元中采用细小光束、放大器内置型漫反射式光电开关，其外形和顶端面上的调节

7、旋钮和显示灯如图2-9所示。漫射式光电接近开关是利用光照射到被测工件上后反射回来的光线工作的，由于工件反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电开关。它由光源（发射光）和光敏元件（接收光）两部分构成，光发射器宇光接收器同处于一侧。在工作时，光发射器始终发射检测光，如接近开管前方一定距离内没有物体，则没有光被反射到接收器，光电开关处于常态而不动作；反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。图2-10 所示为漫射式接近开关的工作原理示意图。在生产线上除了有漫射型光电开关，或敬爱有投射型和回归型，都由发光的光源和接收光的

8、光敏元件构成，如图2-11所示。如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达受光部的量将会发生变化。受光部将检测出这种变化，并转换为电信号，进行输出。根据生产线上被检测物的特性、安装方式，我们可以选择不同的类型的光电开关。2.光电开光在分拣单元的应用在自动线的分拣单元中，当工件进入分拣输送带时，分拣站上光电开关发出的光线遇到工件反射回自身的光敏元件，光电开光输出信号启动输送带运转。（1）电气与机械安装 根据机械安装图将光电开关初步安装固定，然后连接电气接线 图2-12所示是YL-335A自动线中使用的漫反射型光电开关原理图，图中光电开关具有电源极性及输出反接功能。光电开关具有自我诊断功能，

9、当对设置后的环境变化（温度、电压、灰尘等）的余度满足要求，稳定显示灯显示（如果余度足够，则灯亮）。当接受光的光敏元件接收到有效光信号，控制输出的三极管导通，通知动作显示灯显示。光电开关能检测人自身的光轴偏离、透镜面（传感器面）的污染、地面和背景对其影响、外部干涉的状态等传感器的异常和故障，有利于进行养护，一边设备稳定工作。这也是给安装调试工作带来了方便。 在传感器布线过程中注意避免电磁干扰，不要被阳光或其他光源直接照射，不要在产生腐蚀性气体、接触到有机溶剂、灰尘较大的场所使用。 根据土-12 所示，将光电开关褐色线接PLC输入模块电源“+”端，蓝色线接PLC输入端电源“-”端，黑色线接PLC的

10、输入端。 （2）安装调整与调试 光电开关具有检测距离长，对检测物体的限制小、响应速度快、分辨率高、便于调整等优点。但在光电开关的安装过程中必须保证传感器到检测物的距离必须在“检出距离”范围内，同时考虑被检测物的形状、大小、表面粗糙度及移动速度等因素。调试过程如图2-13所示。图2-13（a）中，光电开关调整位置不到位，对工件不敏感，动作灯不亮；图2-13（b）中，光电开关位置调整合适，对工件反应敏感，动作灯亮；图2-13（c）中，当没有工件靠近接近开关时，光电开关没有输出。调试光电开关的位置，合适后将螺母锁紧。光电开关的光源采用绿光或蓝光可以判别颜色，根据表面颜色的反射率特性不同，光电传感器可

11、以进行产品的分拣，为了保证光的传输效率、减少衰减，在分拣单元中采用光纤式电开关对黑白两种工件的颜色进行识别。子任务三 光纤式光电接近开关及应用1.光纤式光电接近开关简介 在分拣单元传送带上方分别安装有两个光纤式接近开光（简称光纤式光电开关），如图2-14所示，光纤式光电开关有检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤空。光纤式光电开光的输出连接到PLC。为了能对白色和黑色的工件进行区分，使用中将两个光电开关灵敏度调成不一样。光纤式接近开关也是光纤传感器的一种，光纤传感器传感部分没有电路连接，不产生热量，只利用很少的光能这些特点使传感器称为危险环境下的理想选择。光纤传感器还可以

12、用于关键生产设备的长期高可靠性和稳定性的监视。相对与传统传感器，光纤传感器具有下述优点：抗电磁干扰、可工作于恶劣环境，传输距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在空间很小的地方。光纤放大器根据需要来放置。比如有些生产过程中烟火、电火花等可能引起爆炸和火灾，而光能不会成为火源，不会引起爆炸和火灾，所以可将光线检测头设置在危险场所，将放大器单元设置在非危险场所进行是用。安装示意图如图2-15所示。光纤传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光线检测头是分离的两个部分。光纤传感器分为传感型和传光型两大类。传感型是以光纤本身作为敏感元件，使光纤兼有感受和传递被测信息

13、的作用。传光型是把由被测对象所调试的光信号输入光纤，通过输出端进行光信号处理而进行测量的，传光型光纤传感器的工作原理与光电传感器类似。在分拣单元中采用的就是传光型的光纤式光电开关，光纤仅作为被调制光的传播线路使用，因而外观如图2-16所示，一个是发光端、一个是光的接收端，分别连接到光纤放大器。2.光纤式光电开关在分拣单元中的应用在分拣单元的传送带上方分别装有两个光纤式光电开关，光线检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。在分拣单元中光纤式光电开关的放大器的灵敏度可以调节，当光纤传感器灵敏度调得较小时，对于反射性较差的黑色物体，光纤放大器无法接收反射信号；而对于反射性较好

14、的白色物体，光纤放大器光电探测器就可以接收到反射信号，从而可以通过调节光纤光电开关的灵敏度来判别黑白两种颜色物体，将两种物料区分开，从而完成自动分拣工作。（1）电气与安装接线安装过程中，首先将光纤检测头固定，将光纤放大器安装在导轨上，然后光纤检测头的尾端两条光纤，分别插入放大器的两个光纤孔。然后根据图2-17所示进行电气接线，接线时请注意根据导线颜色判断电源极性和信号输出线。（2）灵敏度调整在分拣单元中如何来进行调试呢？如图2-14（b）所示是使用螺丝刀来调节传感器灵敏度。图2-18 所示为光纤放大器的俯视图，调节灵敏度旋钮就能进行放大器灵敏度调节。调节时。会看到“入光亮显示灯”发光的变化。在

15、检测距离固定后，当白色工件出现在光纤检测头下方时，“动作显示灯”亮，提示检测到工作；当黑色工件出现在光线检测头下方时，“动作显示灯”不亮，这个光纤式光电开光调试完成。光纤式光电开关在生产线上应用越来越多，但在一些尘埃多、容易接触到有机溶剂及需要较高性价比的应用场所中，实际上可以选择使用其他区一些传感器来代替，如电容式接近开关、电涡流式接近开关。子任务四 其他接近开关及应用根据生产线上被测物的不同，安装环境不同，来选用电容式或电涡流式接近开关。电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的

16、极距或者介电常数发生变化，引起静电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。其工作原理图如图2-19所示。电涡流式接近开关属于电感传感器的一种，是利用电涡流效应制成的有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生磁场的振荡感应头是，实务题内部产生电涡流。这个电涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体，进而控制开关的通或断。这种接近开光所能检测的物体必须是金属物体。其工作原理如图2-2

17、0所示。无论是哪一种接近传感器，在使用时都必须注意被检测物的材料、形状、尺寸、运动速度等因素，如图2-21所示。在传感器安装与选用中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上的传感器可靠动作。安装距离注意说明如图2-22所示。在一些精度要求不是很高的场合，接近开关可以用来进行产品计数、测量转速，甚至是测量旋转位移的角度。但在一些要求较高的场合，往往用光电编码器来测量旋转位移或者间接测量直线位移。子任务五 光电编码器及应用在YL-335A自动线的输送站的控制中，机械手的位置控制是由步进电机完成的。如果想提高位置控制精度，改造伺服电动机控制，就需要对运动的位置进行测量，这就需要用到光电编码器。

18、图2-23所示是光电编码器在自动线的两种应用。光电编码器在自动线上用于机械手或工作台的直线位移测量常见的安装方式为伺服电动机同轴连接在一起，伺服电动机再和滚珠丝杆连接，编码器在传动链的前端（称为内装式编码器）。光电编码器是通过观点转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器有码盘、检测光栅、光电转换电路（包括光源、光敏元件、信号转换电路）、机械部件等组成。一般来说，根据光电编码器产生脉冲方式的不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类，自动线上常采用的是增量式光电编码器，其结构如图2-24所示。光电编码器的码盘条纹数决定了

19、传感器的最小分辨率角度，即分辨角=360/条纹数。如条纹数为1024，则分辨率为=360/1024=0.352。在光电编码器的检测光栅上有两组条纹A和B，A、B条纹错开1/4节距，两组条纹对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90，用于辨向。此为在光电编码器的码盘里圈有一个透光条纹Z，用于每转产生一个脉冲，该脉冲称为转移信号或零标志脉冲，器输出波形图如图2-25所示。例如，配置2000脉冲/转的光电编码器的伺服电动机直接驱动8mm螺距的滚珠丝杆，经4倍频吹后，对应运动部件的直线分辨率为0.001mm。在实际生产线中还有许多其他先进的传感器，比如在产品质检中用到的电荷耦合器件图像传感器CCD，在直线

20、位移检测中用到的光栅、磁删等传感器等。可以根据自动线的需要来进行选择。任务二 自动线中的异步电动机及控制在自动线中，有许多机械运动控制，就像人的手和足一样，用来完成机械运动和动作。实际上，自动线中作为动力源的传动装置有各种电动机、气动装置和液压装置。在YL-335A自动线中，分拣单元传送带的运动控制有交流电动机来完成。YL-335A的分拣站的传送带动力为三相交流异步电动机，在运动中，它不仅可以改变速率，也需要改变方向。交流异步电动机利用电磁线圈把电能转换成电磁力，再依靠电磁力做功，从而把电能转换成转子的机械运动。交流电动机结构简单，可产生较大功率，在有交流电源的地方都可以使用。子任务一 交流异

21、步电动机的使用YL-335A分拣站的传送带使用了带减速装置的三相交流电动机，如图2-26所示，使得传送带的运转速度适中。三相交流电动机究竟是如何工作的呢？图2-27所示是一台单机的三相交流电动机的工作原理图，当三相绕组中流过三相交流电流时，各项绕组按右螺旋定则产生磁场。每一项绕组产生一对N极和S极，三相绕组的磁场合成起来，形成一对合成磁场的N极和S极。这个合成磁场是一个旋转磁场，每当绕组中的电流变化一个周期，交流电动机就会旋转一周。旋转磁场的转速称为交流电动机的同步转速。当绕组电流的频率为f，电动机的磁极数为p，则同步转速（r/min）可用n=120f / p表示。异步电动机的转子转速n为 由

22、式（2-1）可见，要改变电动机的转速：改变磁极对数P；改变转差率s；改变频率f。在YL-55A分拣站的传送带的控制上，交流电动机的调速采用变频调速的方式。如何来实现传送带的方向控制？如图2-28所示，当改变交流电动机供电电源的相序，就可改变电动机的转向。电动机的速度方向控制都由变频器控制。三相异步电动机在运行过程中需注意，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时电动机仍会按原来的方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电动机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。注意

23、外壳接地线必须可靠地接大地，防止漏电引起人身伤害。子任务二 通用变频器驱动装置的使用YL-335A分拣站使用的三相交流减速电动机的速度、方向控制采用西门子公司通用变频器MM420，其电气连接如图2-29所示。三相交流电源经熔断器、交流接触器、滤波器、变频器输出到交流电动机。在图2-29中，有两点需要注意，一是屏蔽，二是接地。滤波器到变频器、变频器到电动机的线采用屏蔽线，并且屏蔽层需要接地，另外带电设备的机壳要接地。1通用变频器的工作原理通用变频器是如何来实现电动机的方向及速度控制？变频器控制输出正弦波的驱动电源是以恒电压频率比（U/f）保持刺痛不变为基础的，在经过正弦波脉宽调制（SPWM）驱动

24、主电路，以产生U、V、W三相交流电驱动三相异步电动机。什么是SPWM?如图2-30所示，它先将50Hz交流经过变压器得到所需的电压后，经二极管整流桥和LC滤波，形成恒定的直流电压，再送入6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（SPWM波），即可拖动三相异步电动机运转。什么是等效于正弦波的脉宽调制波？如图2-31 所示，把正弦半波分成n等分，每一区间的面积用与其相等的等副不等宽的矩形面积代替。则矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效。正弦波的正负半周均如此处理。那么怎样产生图2-31（b）所示脉冲调制波？SPWM调制的控制信号为幅值和频率均可调的正弦

25、波，载波信号为三角波，如图2-32（a）所示，该电路采用正弦波控制，三角波调制。当控制电压高于三角波电压时，比较器输出电压Ud为“高”电平，否则输出“低”电平。以A相为例，只要正弦控制波的最大值低于三角波的幅值，就导通T1，封锁T4，这样就输出等幅不等宽的SPWM脉宽调制波。三相SPWM调制时，三角波公用，每相都由一个输入正弦信号和SPWM调制器，其输出调制波分别为ua、ub、uc。输入的三相正弦信号相位相差120，其幅值和频率是可调的。从而可改变输出的等效正弦波，以达到控制的目的。SPWM调制波经功率放大才能驱动电控机。在图2-32（b）所示SPWM变频器功率放大主回路中，左侧的桥式整流器将

26、工频交流电变成直流恒值电压，给图中右侧逆变器供电。等效正弦脉宽调制波ua、ub、uc送入T1T6的基极，则逆变器输出脉宽按正弦规律变化的等效矩形电压波，经过滤波变成正弦交流电用来驱动交流伺服电动机。2.认识西门子通用变频器MM420西门子通用变频器MM420有微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件，他们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。脉冲宽度调制的开关频率是可选的，降低了电动机运行的噪声。MM420变频器的框图如图2-33所示，包含数字输入点：DIN1（端子5），DIN2（端子6），DIN3（端子7）；内部电源+24V（端子8），内部电源0

27、V（端子9）；模拟输入点：AIN+（端子3），内部电源+10V（端子1），内部电源0V（端子2）；继电器输出：RL1-B（端子10），RL1-C（端子11）；模拟量输出：AOUT+（端子12），AOUT-（端子13）；RS-485串行通信接口：P+（端子14），N-（端子15）等输入/输出接口。同时带有人机交互接口基本操作板（BOP）。其核心部件为CPU单元，根据设定的参数，经过运算输出控制正弦波信号，经过SPWM调制，放大输出三相交流电压驱动三相交流电动机运转。MM420变频器是一个智能化的数字式变频器，在基本操作板上可以进行参数设置。参考分为4个级别：“1” 标准级：可以访问最经常使用的参

28、数。“2” 扩展级：允许扩展访问参数的范围，例如变频器的I/O功能。“3” 专家级：只供专家使用。“4” 维修级：只供授权的维修人员使用具有密码保护。图2-34所示是基本操作面板的外形。利用基本操作面板可以改变变频器的各个参数。BOP 具有7 段显示的五位数字，可以显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及设定值和实际值。参数的信息不能用BOP 存储。基本操作面板（BOP）备有8个按钮，表2-1列出了这些按钮的功能。 表2-1 BOP上的按钮及其功能3.MM420变频器的参数设置实例任务：要求电动机能实现高、中、低3种转速的调整，高速时运行频率为15Hz，中速时运行速率为10Hz，低速时运行速

29、率为5Hz,变频器有外部数字量控制，同时具有反转控制功能。要完成上述任务首先要认识MM420变频器的参数。每一个参数名称对应一个参数的编号。参数号用0000 到9999 的4 位数字表示。在参数号的前面冠以一个小写字母“r”时，表示该参数是“只读”的参数。其它所有参数号的前面都冠以一个大写字母“P”。这些参数的设定值可以直接在标题栏的“最小值”和“最大值”范围内进行修改。（1）如何来更改参数的数值呢用 BOP 可以修改和设定系统参数，使变频器具有期望的特性，例如，斜坡时间，最小和最大频率等。选择的参数号和设定的参数值在五位数字的LCD 上显示。更改参数的数值的步骤可大致归纳为查找所选定的参数号

30、；进入参数值访问级，修改参数值；确认并存储修改好的参数值。图2-35说明如何改变参数P0004 的数值。按照图中说明的类似方法，可以用BOP设定常用的参数。参数P0004（参数过滤器）的作用是根据所选定的一组功能，对参数进行过滤（或筛选），并集中对过滤出的一组参数进行访问，从而可以更方便地进行调试。P0004 可能的设定值如表2-2所示，缺省的设定值=0。假设参数P0004设定值=0，需要把设定值改为7。改变设定值步骤如下：1 按访问参数2 按直到显示出P00043 按进入参数数值访问级4 按、达到所需要的数值75 按确认并存储参数的数值（2）部分参数设置说明为了完成上述任务，这里对部分常用参

31、数设置进行说明：参数P0003用于定义用户访问参数组的等级，设置范围为04，该参数默认设置为等级1（标准级），YL-335A装备中预设值为等级3（专家级），目的是允许用户可访问1、2级的参数及参数范围和定义用户参数，并对复杂的功能进行编程。 参数P0010是调试参数过滤器，对与调试相关的参数进行过滤，只筛选出那些与特定功能组有关的参数。P0010 的可能设定值为：0（准备），1（快速调试），2（变频器），29（下载），30（工厂的缺省设定值）；缺省设定值为0。但选择P0010=1时，进行快速调试；若选择P0010=30,则进行把所有参数复位为工厂的默认设定值的操作。应注意的是，在变频器投入运行

32、之前应将参数复位为将变频器复位为工厂的默认设定值的步骤。为了把变频器的全部参数复位为工厂的默认设定值，应按照下面的数值设定参数：a 设定P0010 = 30，b. 设定P0970 = 1。按下P键，便开始参数的复位。变频器将自动地把它的所有参数都复位为它们各自的缺省设置值。复位为工厂缺省设置值的时间大约要60 秒钟。按任务要求设置参数。任务要求电动机转速可分级调整，则应调整变频器的P701和P702参数，而参数P1001和P1002则按转速要求设定固有频率值。调整变频器参数步骤如下：a 在BOP操作板上修改P0004,使P0004=7，选择命令组。b 修改P0701（数字输入1的功能），使P0701=16，设定为固定频率设定值（直接选择+ON）。c 修改P0702（数字输入2的功能），使P0701=16，设定为固定频率设定值（直接选择+ON）。d 修改