【正文】 玻璃光纖 ： 玻璃光纖由一束非常細(xì)（直徑約 50μm）的玻璃纖維絲組成。光在光 纖內(nèi)部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響（彎曲半徑要大于最小彎曲半徑）。另一條入射角超出接受角范圍的入射光，損失在金屬外皮內(nèi)。根據(jù)光學(xué)原理，所有光束都可以由光纖來(lái)傳輸。這層金屬外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光纖與傳感器配套使用，是無(wú)源元件，另外，光纖不受任何電 磁信號(hào)的干擾，并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。與光電傳感器不同，超聲波傳感器不受被測(cè)物透明度和反光率的影響，因此在許多使用超聲波傳感器的場(chǎng)合就不適合使用光電傳感器來(lái)檢測(cè)。它是通過計(jì)算聲波從發(fā)射，經(jīng)被測(cè)物反射回到接收器所需要的時(shí)間，來(lái)判斷物體的位置。但是，現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非常快的響應(yīng)速度，能滿足大多數(shù)的檢測(cè)應(yīng)用。經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應(yīng)速度以獲取更長(zhǎng)的檢測(cè)距離，這是因?yàn)闄z測(cè)距離是一個(gè)非常重要的參數(shù)。 在早期，色標(biāo)傳感器使用白熾燈做光源，使用光 電池 接收器，直到后來(lái)發(fā)明了高效的可見光 LED。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 紅外光 LED 是效率最高的光束，同時(shí)也是在光譜上與光電三極 管最匹配的光束。 調(diào)制的 LED 改進(jìn)了光電傳感器的設(shè)計(jì)，增大了檢測(cè)距離，擴(kuò)展了光束的角度，人們逐漸接受了這種可靠易于對(duì)準(zhǔn)的光束。我們每個(gè)人都知道，用一塊有放大作用的玻璃將陽(yáng)光聚集在一張紙上時(shí)，很容易就會(huì)把紙點(diǎn)燃。 但是并不是說(shuō)經(jīng)調(diào)制的傳感器就一定不受周圍光的干擾，當(dāng)使用在強(qiáng)光環(huán)境下時(shí)就會(huì)有問題。 如果一個(gè)金屬發(fā)射出的光比周圍的光強(qiáng)很多的話，那么它就可以被周圍光源接收器可靠檢測(cè)到。相比之下，經(jīng)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光，只對(duì)自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應(yīng)。一個(gè) LED 發(fā)出的光能很少，經(jīng)過調(diào)制才將其變得能量很高。 人們常常有一個(gè)誤解：認(rèn)為由于紅外光 LED 發(fā)出的紅外光是看不到的，那么紅外光的能量肯定會(huì)很強(qiáng)。將收音機(jī)調(diào)到某臺(tái)，就可以忽略其他 的無(wú)線電波信號(hào)。將接收器的 放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率，那么它就只能對(duì)以此頻率振動(dòng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。 LED 能發(fā)射人眼看不到的紅外光，也能發(fā)射可見的綠光、黃光、紅光、藍(lán)光、藍(lán)綠光或白光。另外， LED 所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 部分。因而使用 LED 的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。 LED 就是一種半導(dǎo)體元件，其 電氣 性能與普通二極管相同，不同之處在于當(dāng)給 LED 通電流時(shí)，它會(huì)發(fā)光。這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。早期的用來(lái) 檢測(cè) 物體有無(wú)的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形 設(shè)備 ，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極 ——發(fā) 射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。A ），稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子 空穴，稱為光電載流子。光敏二極管是最常見的光傳感器。所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份 ,使投射剄光電元件上的光通量改變 ,改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān)， 如振動(dòng)測(cè)量、工件尺寸測(cè)量 ；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。在圖中所示條件下，輸出電壓 由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的 ,按光電元件 (光學(xué)測(cè)控系統(tǒng) )輸出量性質(zhì)可分二類 ,即模擬式光電傳感器和脈沖 (開關(guān) )式光電傳感器 .模擬式光電傳感 器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流 ,它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系 .模擬式光電傳感器按被測(cè)量 (檢測(cè)目標(biāo)物體 )方法可分為透射 (吸收 )式 ,漫反射式 ,遮光式 (光束阻檔 )三大類 .所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中 ,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測(cè)物 ,部份被吸收后 ,透射光投射到光電元件上， 如測(cè)液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計(jì)等 。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時(shí)，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個(gè)負(fù)電壓。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器?；蛘呦髨D 9（ b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時(shí)產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管 e、 b 極間電壓大于 ，而導(dǎo)通工作。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅 ，還不能使下一級(jí)晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖 9（ a）所示。如果選用的光電元件對(duì)紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的 干擾。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。 光 電傳感器 光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖 6，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化 ,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) .光電傳感器一般由光源 ,光學(xué)通路和光電元件三部分組成 .光電檢測(cè)方法具有精度高 ,反應(yīng)快 ,非接觸等優(yōu)點(diǎn) ,而且可測(cè)參數(shù)多 ,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,形式靈活多樣 ,因此 ,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛 . 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 圖 7 光電傳感器是一種 依靠被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來(lái)達(dá)到測(cè)量目的的，因此光電傳感器的光源 扮演著很重要的角色， 光電傳感器的電源要是一個(gè)恒光源， 電源穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種： 發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 電動(dòng)機(jī) M3 選與電動(dòng)機(jī) M2 一樣的型號(hào)即可。（實(shí)際上，由于轉(zhuǎn)差率的存在，電機(jī) .實(shí)際轉(zhuǎn)速略低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速） 銘牌所標(biāo)的為磁極個(gè)數(shù)，即幾極電機(jī)，對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速。介紹一下 Y132M4，Y 表示三相異步電動(dòng)機(jī)； 132 表示機(jī)座中心高； M 機(jī)座長(zhǎng)度代號(hào)（分為SML 短中長(zhǎng)）， 4 為磁極個(gè)數(shù)（ 2P 磁極對(duì)數(shù)）。 CPU 結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 電 機(jī) 的選擇 電動(dòng) 機(jī) M1 型號(hào)為 Y132M4，額定電壓為交流 380V，額定電流為 15A，頻率為 50HZ，功率為 ，轉(zhuǎn)速為 1440r/min。 表 21 22X 系列 CPU 的基本配置 特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 外型尺寸 /mm mm mm 90 80 62 90 8062 8062 190 8062 190 8062 程序存儲(chǔ)區(qū) 2048 字 2048 字 4096 字 4096 字 8192 字 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 1024 字 1024 字 2560 字 2560 字 5120 字 掉電保持時(shí)間 /h 50 50 190 190 190 本機(jī) I/O 6 入 /4 出 8 入 /6 出 14 入 /10 出 24 入 /16 出 24入 /16出 擴(kuò)展模塊數(shù)量 0 2 7 7 7 高速計(jì)數(shù)器 單相 雙相 4 路 30KHZ 2 路 20KHZ 4 路 30KHZ 2 路 20KHZ 6 路 30KHZ 4 路 20KHZ 6 路 30KHZ 4 路 20KHZ 6 路 30KHZ 4 路 20KHZ 脈沖輸出（ DC） 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 2 路 20KHZ 模擬電位器 1 1 2 2 2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 配置時(shí)鐘卡 配置時(shí)鐘卡 內(nèi)置 內(nèi)置 內(nèi)置 通訊口 1RS485 1RS485 1RS485 2RS485 2RS485 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 在飲料灌裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)中我們只用了 11個(gè)輸入 8個(gè)輸出 ,和簡(jiǎn)單的邏輯和 計(jì)數(shù)功能，配置基本單元就可以滿足要求，即選用CPU224 的西門子 S7200 系列 PLC 作為控制器構(gòu)成飲料灌裝生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)。從表中可以看出， 22X系列 CPU 具有很強(qiáng)的功能，如自帶高速計(jì)數(shù)器、通訊口、具有脈沖輸出功能、實(shí)時(shí)時(shí) 鐘、能進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算等。其系統(tǒng)構(gòu)成除基本單元、擴(kuò)展單元外，還有編程器、存儲(chǔ)卡、寫入器、文本顯示器等。其結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比，在中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 S7200 系列 PLC 是西門子公司 20世紀(jì) 90年代推出的整體式小型可編程控制器。 PLC與其他智能設(shè)備一起可以組成“集中管理，分散控制”式的分布式控制系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值進(jìn)行比較，也可以用通信功能傳送到其他智能裝置，或?qū)⑺麄兇蛴≈票怼，F(xiàn)代的大中型 PLC一般都有 PID閉環(huán)控制功能，這一功能可以用 PID子程序 或?qū)Ｓ玫?PID模塊進(jìn)行控制。 過程控制是指對(duì)溫度，壓力，流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 PLC的邏輯控制功能已相當(dāng)完善，可用于單機(jī)控制，也可用于多機(jī)群控制及自動(dòng)生產(chǎn)線控制，其應(yīng)用領(lǐng)域已普及各行各業(yè)。 PLC的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面。 實(shí)際上 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按照國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)：首先考慮的是系統(tǒng)的安全性、可靠性設(shè)計(jì)，然后 才是根據(jù)控制工藝要求進(jìn)行河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 控制流程設(shè)計(jì)，然后就是編寫切實(shí)可行、高效的 PLC 程序，這里在安全性、可靠性設(shè)計(jì)要求的前提下，編寫相應(yīng)的 PLC 程序非常重要，硬件上保證的安全性，以及軟件 PLC 程序中的安全考慮應(yīng)該同步進(jìn)行。 (4) 適應(yīng)發(fā)展的需要 由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要 注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。例如：應(yīng)該保證 PLC 程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等），也能正常工作。 (2) 保 證 PLC 控制系統(tǒng)安全可靠 保證 PLC 控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場(chǎng)的資料，收集相關(guān)先進(jìn)的國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料。針對(duì)一些特殊的生產(chǎn)環(huán)境，它的產(chǎn)品在外型上做到 盡量緊湊，模塊連接非常方便，這就是擴(kuò)充變得很簡(jiǎn)單。它的每一款產(chǎn)品都對(duì)應(yīng)一類工況，在這種工況下，它的 PLC 可以實(shí)現(xiàn)非常好的使用性能。因而它的應(yīng)用幾乎覆蓋了所有的工業(yè)企業(yè)，既能改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品成為機(jī)電一體化的新一代產(chǎn)品，又適用于生產(chǎn)過程控制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)能與降低成本。 由于 PLC 是工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固、體積小巧，并由于具備很強(qiáng)的抗干擾能力，使之易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實(shí)現(xiàn)“機(jī)電一體化”較理想的控制設(shè)備。 （ 7）豐富的 I/O接口模塊 為了實(shí)現(xiàn)與工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的相互連接， PLC 除具有普通計(jì)算機(jī)的基本部分（如 CPU，存儲(chǔ)器等）外，還有豐富的 I/O接口模塊。 PLC 的各個(gè)部件，包括 CPU，電源，I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各個(gè)模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的模塊和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 （ 5）擴(kuò)充方便，組合靈活 PLC 產(chǎn)品具有各種擴(kuò)充單元，可以方便地適應(yīng)不同工業(yè)控制需要的不同輸入輸出點(diǎn)及不同輸入輸出方式的系統(tǒng)。因此 PLC 除應(yīng)用于單機(jī)控制外，在柔性制造單元（ FMC）、柔性制造系統(tǒng)（ FMS），以至工廠自動(dòng)化（ FA）中也被大量采用。 （ 3）控制程序可變，具有很好的柔性 在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)線設(shè)備更新的情況下，不必改變 PLC 的硬設(shè)備，只要改變程序就可以滿足要求。而微電腦控制系統(tǒng)則要求具有一定知識(shí)的人員操作。 這了進(jìn)一步簡(jiǎn)化編程，當(dāng)今的 PLC 還針對(duì)具體問題設(shè)計(jì)了諸如步進(jìn)梯形指令、功能指令等。 （