2.0介绍
工作站，工作单元，和工作中心代表着一个协调生产系统的集体。有着几个生产工艺的生产机械可以认为是一个工作站。机床也可以认为是一个工作站。集成工作站组成一个工作单元。几个互补的工作站可以组合起来构成一个工作单元。同样，集成工作单元可能构成一个工作中心。这个结构是一个柔性制造建模系统的基本概念。柔性制造系统是电脑一体机生产策略的基石。
我们的目标是提供管理和概述在规划中解决主要任务的项目开发团队，一体机的设计，实现和操作阶段，加工，检测和装配系统。如果对传感器和控制系统的地位在电脑一体机制造策略有一个清晰的理解，那么金融和技术灾难是可以避免的。传感器主要应用在工作站，它是唯一可行的操作生产系统和持续的跟踪他的性能的方法。
传感器和控制系统在制造业中提供不同的整合手段，把这个工艺过程可以正确的定义为输入来产生预期的输出。输入可能是那些必须被各种辅助器件比如处理工具，夹具，夹紧装置来加工的原材料和/或数据。传感器提供反馈数据来描述每个流程的状态。输出可以使数据，也可以是通过进一步生产系统的加工单元加工的材料。一个柔性制造系统包含工作站，工作单元和工作中心，配备有合适的传感器和控制系统，是一个分布式管理。
图2.1 工作站，工作单元和工作中心。
信息系统、子系统连接在一起的加工、包装、焊接、绘画、火焰切割、钣金制造、检测盒装备来源以及存储流程。
在一个电脑一体机制造策略的柔性制造系统中，设计不同的工作站，工作单元和工作中心，它的基本任务是构建各种连接种类的物料搬运的传感器，比如机器人，自动导向媒介系统，传送带和托盘装载装卸车，允许他们为了成功的系统集成进行与数据库进行交换。
图2.2演示了几个工作单元组成的带有输入输出的工作站，表明它在执行转换过程的基本功能，存储工件、把物料搬运系统与其他工作单元相连接，并提供数据通信控制系统。
数据处理与数据库链接使沟通包含部分程序，检查程序，机器人程序，包装程序，加工程序和实时通过合适的传感器控制数据。数据处理链接也可以与更高一级的控制层次进行反馈数据的沟通。因此，整个工作单元的设施配备有实时数据的分析和故障恢复。一些生产单元由于特别的加工操作而组合在一起的集体被称作工作中心。不管这每个工作中心的位置在哪，各种工作中心可以通过卫星通信链连接在一起。执照中心可以位于相隔它几百英尺或几千英里。足够的传感器和控制系统在一起有效的沟通链接可以为更进一步的决定提供使用的实时数据的分析。生产单元的输出是柔性制造系统的模块的产品。它有一个成品或半成品部分以及在电脑可读格式中的数据将会指导下一个工作单元如何去实现它的输出要求。这些数据是通过分布式通信网络传送的。如果，举个列子，一个部件根据一个特定的数据在一个特定的工作单元里被刨光，传感器就会在刨光加工过程中根据读取的正确的数据来调节。一旦操作成功完成后，这个部件则会再次被转移到下个工作单元进行进一步的加工或检测流程。下一个工作单元不一定要求地理位置上的相邻；它可能是先前的加工单元，作为编程所需的转换过程。强调在每个生产操作中集成传感器和控制系统的重要性的的主要原因是世界范围内对于无误生产操作的需求呈指数上升。只有当传感器和控制技术与公司制造策略有效的集成后，它才可以实现令人满意的结果。
可以实现以下好处：
生产力：更大的产出和较低的单位成本。 质量：产品更均匀和一致。
产品可靠性：智能自动修正传感器和反馈系统增加产品的整体可靠性。 交货时间：如果部件可以在一个批量中随机的被加工好，或者在一个合理的大规模生产中，它的交货期可以减少50-70%。
更高的利用率：集成是唯一可行的技术，它可以使机床的利用时间高达所用时间的85%，而且用在切割的时间的利用率可以达到90%以上。
相比之下，一个部件（从进货到成品的一部分）花费在机床上的时间仅占它时间的5%，而且它实际有效的工作只占这5%的30%。在没有集成传感器和控制系统的情况下，加工机械所工作的有效的时间只占这实际有效时间的1.5%（见表2.1和2.2）。
为了达到在表2.1中所示的令人满意的结果，有着传感器和反馈控制的系统的集成制造系统必须保持一个高度的灵活性。如果任何工作单元因为一些原因而出故障了，生产安排和控制系统可以改变和重新安排生产，或者换句话说，就是重新分配系统的环境。这种情况只有在加工过程和工件的流程是可设计的情况下才能实现。传感器和控制系统将会给生产和计划系统提供零部件瞬时的状态。
如果不同的加工流程被严格的集成到一个专用的用途中，例如像大批量生产的传输生产线这样的高效系统，那么模块的开发和灵活的操作就会成为可能。
然而，如果工作单元和他们的通信链接外部领域是可编程的，那么就可以获得大量有用的反馈数据。刀具的寿命，可以通过在制调准和生产控制中机械刨光这个维度来测量，推测故障恢复可以通过传感器和控制系统，它们可以使制造系统增加它们自身的生产力，获取它们的范围，通知某个工件关于它们的程序。这些数据对于柔性制造系统的设计者进一步分析是非常有用的。在非实时控制系统中，数据通常不能被收集到，除非是人工方法，但是这个方法又是耗时和不可靠的。
2.1控制过程的分类
工程集成系统可以定义为一台机器为某个生产输出负责，控制器去执行特定的命令，传感器去确定生产流程的状态。这个机器将按照预期的提供特定的产品作为输出，例如，计算机数控机（CNC），包装机器，高速挤压机。控制器为了某个特定的操作提供一个按一定顺序设计的某些命令。控制器发送它们的命令以一定形式的信号，通常是电脉冲。这个机器配备了各种设备，比如说电磁阀和步进电机，这些设备可以接收信号，以及根据他们的功能进行响应。传感器提供一个清晰的描述机械新跟那个的状态。它们在每个生产操作中的每个流程提供了详细的说明（图2.3）。
一旦成功的执行了一个过程，控制器则会根据特定的加工操作顺序，传送下面的指令进行进一步的加工直至所有的加工都执行完。这就完成了一个工作周期。在每个工作周期的结束时，就会传送一个开始新的循环的指令直到满足生产的要求。
在自动化生产过程中，机械，控制器和传感器之间相互作用，进行信息的交换。在这里控制器和其它系统之间主要有两种类型的相互作用：通过一个开环控制系统或闭环控制系统。
一个开环控制系统（图2.4）可以定义为一个没有反馈的系统。电动机完全按照给定的输入进行运动。步进电机是开环控制的一个例子。
一个闭环控制系统（图2.5）可以定义为输出可以与给定进行比较的系统，偏差会使输出按照要求。伺服系统是闭环控制的一个例子。
2.2开环和闭环控制系统
在一个开环控制系统中，在图2.4中的实际值可能与系统中的参考值不同。在一个闭环控制系统中，实际值按照在图2.5中的参考值进行持续的监控。
质量流量的定义可以根据图2.6的描述，在单位时间流过管道的物质的量必须规范。可以记录当前流量的一个设备，和一个矫正装置，例如一个阀门可以能被设定为一个特定的流量。一个系统，如果单独运行的话，可能会受到波动或者扰动使流速发生改变。在这样的一个开环系统中，读取的当前的流速是流速的实际值，参考值是实际要求的值。这个参考值可能不同于实际值，是保持不变的。
如果流速低于参考值，阀门由于受到下降的压力，如在图2.7中所分析的，阀门必须开大一点去保持所需的按照要求的实际值。当出现扰动时，造成实测值发生的改变要持续的被观测出。当调节器不断的去调整实际值时，循环控制测量，比较，调整和反应过程被称为闭环。
2.3了解光电传感器
为了能成功的实现自动化过程，去获取它的状态信息是有必要的。传感器是控制系统的一部分，负责收集的准备生产过程的状态数据，并把它传送给处理器（图2.8）。
2.3.1操作原理
光电控制器是利用光去探测一个对象的存在与否。所有的光电控制器都是由一个传感器，一个控制单元和一个输出设备构成。逻辑模块和其他的辅助部件也可以添加到基本控制器中去增加它的功能多样性。传感器由一个源和探测器构成。这个源是一个发光的二极管（LED)，它发射出一个强大的光束，在红外光和可见光的范围内。探测器通常是一个光电二极管，它可以感受光的存在与否。在所有的光电控制其中，检测放大器是为了响应被源头发射出的光二设计的。背景光，包括从太阳光到3100米远的烛光都不会影响操作。
源和探测器可能是分开的，也有可能被安装在同一个传感器探头里，取决于特定的系列和运用程序（图2.9）。
控制单元调节、解调光，通过源和探测器发送和接收它。这就确保了光电控制只对它的光源光源有反应。控制单元也可以再独立的光电控制中控制输出装置。控制器单元和传感器被集成在同一个单元内。
控制器可以配置作为光驱设备的运行设备。当探测器检测到光时，产生输出。它也可以作为暗驱动设备，当探测器没有检测到光时，产生输出。
输出设备可能包括继电器，比如双刀双掷开关（DPDT）和单刀双掷开关（SPDT）。输出装置也可能包括一个双向可控硅或者其他大电流设备，也可能是可编程控制器。
逻辑模块式可以选择的装置，它允许给光电控制器提供逻辑功能。例如，光电控制（配有逻辑模块）不是提供一个简单的开关信号，而是提供延时，单稳态，可再触发的单稳态，运动检测和技术功能。
2.3.2制造光电探测器的应用
以下光电传感器的应用时基于在家里，在工作地方，和不同行业里的常规操作。光电传感器的有效使用可以使在生产操作中数据的综合，这有作于维持一个无误差的环境和在动态交互中获取及时的信息。
光电传感器是由半导体构成的额，它可以对光做出相应或者发光。这种光可以使可见范围或不可见范围的频谱的光。光电组件的这些特征导致了光电传感器的广泛发展。
光电反射传感器配备有一个延时模块，忽略短暂的光束终端来设置延迟黑暗。如果光束受阻的时间比预定的延迟时间要长的话，输出将会导致系统发出报警或停止传送带工作。（图2.1）。
一套光速传感器可以确定剪刀式升降机的高度，见图2.11.例如，当控制器设置为由黑变亮时工作，起重机上升后的那层已被删除，当下一层使光束中断时停止。金属罐从一个传送机上转移到两个其他传送机的控制是通过配备有分频模块（2.12）的极化光电反射式传感器完成的。所有物品被计数和传送在第2组，6月12或24日。运用极化式传感器，即使是闪亮的表面也不可能错误的触发传感器控制。
两个光电传感器可以同时工作来检测在传送机上纸箱的料位水平（图2.13）。一个反射式光电传感器监测纸箱的位置，然后是另一个同步工作的传感器位于上面的内容。如果光电传感器的位置放置在看不到纸箱物料水平的地方，那么纸箱没有通过检测。
一个反射式光电传感器可以检测在任何横穿传送带的盒子。与一个可编程的传感控制器
交互工作可以在特定的间隔提供所有的数据（图2.14）。高温环境中适合使用光纤。在一个450F的饼干烤箱中，传送带的运动也可以被检测到，如图2.15中所示。如果运动停止，一次性逻辑块检测到光亮或黑暗持续太长时间的话，输出装置就会关闭烤箱。
将光电传感器来检测一个锯齿（图2.16），可以使可编程控制器去接收输入信号，使旋转刀片进入为磨下一个锯齿的位置。
光速传感器可用于时间收费站在图2.17。为了消除收费作弊，入口降低了即时通过那些已付费后面车辆的通过的控制。好的传感器可以应对恶劣的天气，滥用和24小时的操作。
安全和有保障的车库可以通过使用光束光电传感器的敏感接口来实现，可以将它放在门禁控制器上。在一辆车离开后门自动的关闭，如果当门下降时，光线被中断，电动机反转使门再次上升（图2.18）。
一个光电传感器生成一个“光幕”，用来检测在网络驱动系统中循环的长度，这个可以通过测量大量的光从一组反射镜往返。根据这些信息，模拟控制单元命令电动机控制器去加速或减缓网络驱动器（图2.19）。
正在移动的小工件通过一个光幕来计算反射光的变化。有着对比度低的逻辑模块的光电传感器单元反应不明显，但是对于突然的信号变化的反应明显，其中忽略缓慢变化，比如有灰尘积聚引起的缓慢变化（图2.20）。
一对透射型光电传感器可以透过多股线进行扫描。如果一个路线中断，只有一束光束通过的话，则低对比度的逻辑模块检测到信号强度的突然变化，然后触发输出的变化。因为这种逻辑模块不能响应在信号强度的缓慢变化，所以它可以运行在一个积满灰尘的环境中只需很少的维护(图2.21）。
把一个远程光电源和探测器组合起来可以通过一个皮下注射针来检查光的通道（图2.22）。小的，防水的不绣钢的外壳适合于拥挤的机械环境和频繁洗涤。高度信号强度可以使检测孔的大小小到0.015毫米。
一张纸的边缘的一些指标可以利用纤维光学光电源/光电探测器传感器去控制一个切削下来的线来检测出来(图2.23）。
在一个透明漕中，流速可以通过一个光波传感器和一个模拟控制器进行监测。因为控制器可以产生一个可以被控制的电压信号，它和检测到的光的量，液体混合物以及密度成比例（2.24）。
远程光电传感器可以寻找金属铸造中的洞的存在（图2.25）。因为每个孔一旦被检查到，它的准确的信息就会被记录下来。一个好的传感器的外壳有着非常高信号强度处理污垢和油脂，只需最低的维护。模块化控制单元允许在小的范围内的密集的包装。
在一个网络缺陷检测的运用中，网络通过大量的反光镜（图2.26）。当光反射会传感器头，触发输出，网络关闭。可以维持高速的网络是因为控制单元优越的响应时间。
配有运动控制模块的反射式光电传感器可以通过记录轮子的转速去检测旋转速度高于或低于给定的对象。速度可以通过可编程的控制器来控制。这个速率范围从2.4到12000每分钟记速(图2.27）。
当在图2.28中的两个透光式光电传感器观测相同强度的信号，则输出为0。当网络的能力变化时，例如在拼接时，信号强度打破了平衡，输出能量。这种系统可以用于在没有重新配置系统的不同的颜色和透明的网状物中。
理解环境对于高效的实施一个无稳态环境的重要性。了解光电控制器的特点和不同方法的使用情况将会建立一个坚实的基础。这种理解还将允许使用者去获得一个描述性状态的图片关于在生产环境中的每个生产过程。
表2.3强调了使用者必须考虑的关键问题。 2.4检测方法
光电传感器检测使用的三种模式： ? 透光检测 ? 反射检测 ? 近距离检测
2.4.1透射光检测的方法
透射光检测的方法要求源和探测器的位置彼此相对，从而光束可以直接的从源发送到探测器(图2.29）。当一个对象穿过源和探测器之间时，光束被中断，探测器检测到有对象的信号。
在这三种运行模型中，透光检测通常提供一个最大的检测范围，还提供一个在短距离穿透蒸汽、灰尘或其他在源和探测器之间物质的高能量。源和探测器必须准确的定位。
2.4.2反射检测方法
反射方法要求源和探测器安装在被检测对象的同一侧（图2.30）。光束从源发送到反光镜，然后反光镜把光反射回探测器。当一个物体中断了反射光，那么这个对象被检测了。
反射方法被广泛的应用，以为它是灵活的，容易安装，而且在这三种模式中提供了最佳的性价比。检测对象必须是较少的反射光而不是反射器。
2.4.3近距离检测方法
近距离检测方法要求源和探测器安装在检测对象的同一侧，而且在传感器位子的前面（图2.31）。当一个对象通过源和探测器的前面是，从源发出的光被对象的表面反射回探测器，那么对象呗检测了。
每个型号的传感器都有一个特定的工作范围。一般来说，透射传感器的的范围最大，接下来是反射传感器和近距离传感器。
最大的工作范围是透射型传感器的重要特性。在小于它最大范围内的距离里工作时，这种传感器有做够的电力去检测对象。
对于近距离传感器和反射传感器来说，最优区间比最大范围的更有意义一些。最优区间是指传感器有最大的有效能量去检测对象。最优区间可以通过它的超额增益图(图2.32）得到显示。
超额增益是衡量在超过它的规定范围传感器检测对象的有效能力。超额增益1意味着在没有障碍物挡着光束的情况下，它有做够的能力去检测对象。在超额增益等于1的距离就是它的最大距离。100的超额增益意味着它有检测所需电力的100倍。一般来说，超额增益在所需的范围内也多，控制器会工作的更持久一些。
在传感器工作范围内的每个距离，都有一个特定的超额增益。透射型控制通常提供最大的超额增益，接下来是反射式传感器、近距离传感器。
在一个有着一定数量的污染物的环境中，超额增益的大小可以在通用指南中找到。环境可以归为下列之一：相对干净，有点脏，脏，很脏，非常脏。表1.4显示了对于不同类型环境中每种传感模式所需的超额增益。
例如，在一个个透射式的装置中，发射源在一个有点脏的环境中，它的超额增益是1.8，而且探测器在一个很脏的环境中，它的超额增益石25，这建议的超额增益是1.8*25=45，从表1.4中得到。
以上部分中的源要改为发射源。。。。。。。。。 第四章 在制造业中的网络传感器和控制系统 4.1介绍
任何电脑一体机制造设备发展的关键是选着一个合适的自动化生产系统和传感器控制系统来实现它。这一点和CIM的配置一样，它的实现取决于性能，可用设备的成本以及简