《飲料灌裝生產(chǎn)線模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)—畢業(yè)設(shè)計(jì)》

1、摘 要隨著工業(yè)自動(dòng)化水平日益提高，眾多工業(yè)企業(yè)均面臨著傳統(tǒng)生產(chǎn)線的改造和重新設(shè)計(jì)問題。PLC（可編程序控制器）是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，近年來在工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到普遍應(yīng)用。本文詳細(xì)論述了飲料灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中完成了飲料灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的硬件的配置和軟件方面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了飲料灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化。對勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高，對飲料的質(zhì)量和產(chǎn)量的提高都具有深遠(yuǎn)的意義。利用PLC控制飲料灌裝生產(chǎn)過程，可有效提高灌裝生產(chǎn)效率，并顯著增加控制系統(tǒng)的可靠性和柔性。 關(guān)鍵詞：可編程控制器；自動(dòng)化；灌裝；生產(chǎn)線A

2、bstractWiththeincreasinglevelofindustrialautomation,manyindustrial enterprisesarefacewiththetransformationoftraditionalproduction lineandre-designproblem.Thispaperinvolvesthedrinksfillingautomation productionlineadoptsPLCcontrol,Thisdesignco-mpletesthedrinks productionlinehardwareconfigurationandsof

3、twaredesign ,toachieve automationofthecarbonateddrinksfillingmachine.Notonlyimprovethelaborproductivitybutalsohasfar-reachingsignificanceoftheimprovem-entofqualityandyield.PLCcontroloftheuseofbeveragefillingprodu-ctionprocess,whichcaneffectivelyimprovetheproductionefficiencyoffilling ,andsignificant

4、lyincreasethereliabilityof controlsystems and flexible.Keywords:Programmablecontroller；Automation Filling；Productionline目錄摘要IAbstractII概述2第一章 總體設(shè)計(jì)方案3 1.1 系統(tǒng)框圖3 1.2 飲料灌裝結(jié)構(gòu)圖4 1.3 項(xiàng)目目標(biāo)6 1.3.1 電動(dòng)機(jī)6 1.3.2 灌裝機(jī)7第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8 2.1 PLC基礎(chǔ)8 2.1.1 PLC的產(chǎn)生和定義9 2.1.2 可編程控制器的特點(diǎn)10 2.1.3 設(shè)計(jì)PLC基本原則13 2.1.4 PLC的選擇S720015

5、2.2 電機(jī)的選擇16 2.4 傳感器的選擇16 2.4.1 光電傳感器18 2.4.2 壓力傳感器26 2.4.3 液位傳感器30 2.4.4 接近開關(guān)31 2.5 原件明細(xì)表32第三章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)333334 3.3 I/O分配表35 3.4 梯形圖36致謝詞42參考文獻(xiàn)43概述一課題研究背景 幾年前，自動(dòng)化技術(shù)只占包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的30%，現(xiàn)在已占50%以上，大量使用了微電腦設(shè)計(jì)和機(jī)電一體化控制。提高了包裝機(jī)械自動(dòng)化程度的目的：一是為了提高生產(chǎn)率；二是為了提高設(shè)備的柔性和靈活性；三是為了提高包裝機(jī)械完成復(fù)雜動(dòng)作的能力。本設(shè)計(jì)的目的是利用“PLC”技術(shù)平臺自主開發(fā)創(chuàng)新，將機(jī)械、電氣和自動(dòng)化

6、等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成實(shí)用的飲料灌裝生產(chǎn)線模擬系統(tǒng)。二課題研究意義本設(shè)計(jì)鑒于PLC可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、使用極為方便三大特點(diǎn)，利用PLC技術(shù)平臺自主開發(fā)創(chuàng)新，將機(jī)械、電氣和自動(dòng)化等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制功能用PLC代替，構(gòu)成實(shí)用、可靠的飲料灌裝生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可節(jié)省大量電氣元件、導(dǎo)線與原材料,縮短設(shè)計(jì)周期,減少維修工作量, 提高加工零件合格率,進(jìn)而提高生產(chǎn)率，而且程序調(diào)整修改方便靈活，提高了設(shè)備的柔性和靈活性。具有整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。三設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)主要基于PLC-200，主要功能是完成飲料灌裝生產(chǎn)過程，明確裝瓶，傳送，蓋蓋，檢測過程，并可以啟動(dòng)，移位，復(fù)位按

7、鈕進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)，自動(dòng)全過程。四題研究方法步驟如下：1.控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：分析控制要求，了解系統(tǒng)工作過程。2.控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)：PLC型號、相關(guān)元器件的選擇以及外部接口電路的設(shè)計(jì)。3.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：利用STEP 7軟件編制出相應(yīng)的梯形圖程序。4.系統(tǒng)調(diào)試：實(shí)驗(yàn)室中連接硬件線路，模擬運(yùn)行，完成程序的調(diào)試。第一章 總體設(shè)計(jì)方案1.1 系統(tǒng)框圖按鈕：提供操作信號熱繼電器：過載保護(hù) 傳感器：檢測到的信號輸入PLC電源：給PLC提供工作電源PLC:通過輸入、輸出控制中間繼電器的通斷中間繼電器：控制交流接觸器交流接觸器：保護(hù)與通斷作用電動(dòng)機(jī)：帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行，完成加工工作指示燈：灌裝報(bào)警信號電磁

8、閥：控制流量 1.2 飲料灌裝結(jié)構(gòu)圖如圖1，圖2，圖3所示1.3 項(xiàng)目目標(biāo)整個(gè)流水線由主傳送帶（M1）、次品傳送帶（M2）、灌裝裝置、次品推動(dòng)裝置、光電傳感器（定位）、壓力傳感器等組成。流水線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，由傳感器檢測。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，灌裝裝置的灌裝，次品的檢測、推動(dòng)和計(jì)數(shù)由PLC控制。按下啟動(dòng)按鈕后，生產(chǎn)線進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，具備工作條件后，瓶子隨著傳送帶進(jìn)入灌裝工序，灌裝完成后傳送帶繼續(xù)啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)瓶子隨著主傳送帶平穩(wěn)的進(jìn)入灌裝架時(shí)，灌裝架的光電傳感器信號送給PLC，主傳送帶停止1秒，并且夾瓶裝置固定，一秒后，罐裝架的電磁閥打開，汽缸啟動(dòng)并罐飲料，罐裝到5S（及罐滿）后自動(dòng)停止，灌裝過程中

9、有報(bào)警提示，罐裝結(jié)束后，主傳送帶開始啟動(dòng)，通過壓力傳感器檢測是否滿瓶，沒裝滿的由推桿推入次品傳送帶。檢測滿瓶過程中計(jì)數(shù)（正品與次品分別計(jì)數(shù)）。1.3.1 M1主傳送帶電動(dòng)機(jī) （1） 功能：帶動(dòng)主傳送帶運(yùn)行。 （2） 控制要求： 一旦啟動(dòng)，M1主傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)并保持到停止開關(guān)動(dòng)作或者灌裝設(shè)備下的傳感器檢測到一個(gè)瓶子時(shí)停止，瓶子裝滿飲料后，傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1必須自動(dòng)啟動(dòng)，并保持到又檢測到一個(gè)瓶子或停止開關(guān)動(dòng)作。 通過交流接觸器實(shí)現(xiàn)失壓。欠壓保護(hù)。 通過熱繼電器實(shí)現(xiàn)過載，欠相保護(hù)。 M2次品傳送帶電動(dòng)機(jī) （1） 功能：帶動(dòng)次品傳送帶運(yùn)行 （2） 控制要求：一旦啟動(dòng)，則M2次品傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，

10、并保持到停止開關(guān)動(dòng)作。通過交流接觸器實(shí)現(xiàn)失壓。欠壓保護(hù)。通過熱繼電器實(shí)現(xiàn)過載，欠相保護(hù)。 M3灌裝電動(dòng)機(jī) （1） 功能：保持料箱液位 （2） 控制要求：當(dāng)料箱中下陷位傳感器動(dòng)作時(shí)，M3啟動(dòng)給飲料注入原料，當(dāng)上限位傳感器動(dòng)作時(shí)，M3停止。通過熔斷器實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。通過交流接觸器實(shí)現(xiàn)失壓。欠壓保護(hù)。通過熱繼電器實(shí)現(xiàn)過載，欠相保護(hù)。 1.3.2 灌裝機(jī) （1） 功能：在設(shè)定時(shí)間里定量灌裝。 （2） 控制要求： 當(dāng)瓶子定位在灌裝設(shè)備下時(shí)，停頓1S，灌裝設(shè)備開始工作，灌裝過程為5S，灌裝過程應(yīng)有報(bào)警顯示，5S后停止灌裝并不再顯示報(bào)警。 保護(hù) （3）實(shí)現(xiàn)方法：電磁閥灌裝：電磁閥灌裝閥的開關(guān)由電磁閥控制，灌裝

11、精度更高，計(jì)時(shí)恒壓定量灌裝原理，可使灌裝的誤差在千分之五以下。電動(dòng)定量灌裝系統(tǒng)及電磁閥控制計(jì)量裝置，可進(jìn)行精確灌裝，減少浪費(fèi)。在恒壓儲液罐灌液中，里面有上限位和下限位傳感器，他們被淹沒時(shí)是1狀態(tài)。液面低于下陷位液面是恒壓儲液罐為空。飲料通過進(jìn)液電磁閥流入恒壓儲液罐，液面到達(dá)上限位時(shí)進(jìn)液電磁閥斷電關(guān)閉，使液位保持穩(wěn)定。恒壓儲液罐下面是灌裝頭部分，夾瓶裝置由汽缸1驅(qū)動(dòng)下降，下降到位后，夾瓶裝置由汽缸2加緊定位，定位夾緊后，灌裝頭由汽缸3驅(qū)動(dòng)下降，到位后灌裝頭電磁閥打開，開始灌裝，延時(shí)5秒電磁閥關(guān)閉，灌裝頭上升，夾瓶裝置放松上升，傳送帶電機(jī)啟動(dòng)。第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 PLC基礎(chǔ)可編程序控制器，

12、英文稱Programmable Logic Controller，簡稱PLC。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。它是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)主要存在以下兩個(gè)缺點(diǎn)，一是可靠性差，排除故障困難，因?yàn)樗墙佑|控制，所以當(dāng)觸點(diǎn)發(fā)生磨損和斷裂等損壞情況時(shí)很難做出相應(yīng)處理；二是靈活性差，總體

13、成本較高。繼電器本身并不貴，但是控制柜內(nèi)部的安裝，接線工作量極大，工藝發(fā)生變化時(shí)相應(yīng)的改動(dòng)更是復(fù)雜。因此當(dāng)市場需要適應(yīng)新的變化時(shí)，PLC就應(yīng)運(yùn)而生了。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序

14、編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。 可編程序控制器一直在發(fā)展中，所以至今尚未對其下最后的定義。國際電工學(xué)會（IEC）曾先后于1982年、1985年和1987年發(fā)布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案的第一，二，三稿，并在1987年2月對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。定義強(qiáng)調(diào)了P

15、LC是：1 數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)也是一種計(jì)算機(jī)；2 專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)；3 面向用戶指令編程方便；4 邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)算和算術(shù)操作；5 數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制；6 易與控制系統(tǒng)聯(lián)成一體；7 易于擴(kuò)充。2.1.1 PLC的產(chǎn)生和定義可編程控制器的縮寫為PLC（Programmable Logical Controller），是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的控制設(shè)備。20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)過程及各種設(shè)備的控制主要是繼電器控制系統(tǒng)。繼電器控制簡單、實(shí)用，但存在著明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制特

16、別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，一旦動(dòng)作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時(shí)，就必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、布線、裝配和調(diào)試，所以通用性和靈活性較差。生產(chǎn)上迫切需要一種使用方便靈活、性能完善、工作可靠的新一代生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)。可編程序控制器一直在發(fā)展中，所以至今尚未對其下最后的定義。國際電工學(xué)會（IEC）曾先后于1982年、1985年和1987年發(fā)布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案的第一，二，三稿，并在1987年2月對PLC作了如下定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，

17、并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)宇公司研制出了第一代可編程序控制器，它具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序等功能。20世紀(jì)80年代后，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛的發(fā)展，PLC采用通用微處理器為核心，具有了函數(shù)運(yùn)算、高速計(jì)數(shù)、中斷技術(shù)、PID控制等功能，稱為PC(Programmable Controller) 即可編程控制器。但由于PC（Personal Computer）已成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的代名詞，為了不

18、與之混淆，人們習(xí)慣上仍將可編程控制器稱為PLC。經(jīng)過短短的幾十年發(fā)展，可編程控制器已經(jīng)成為自動(dòng)化技術(shù)的三大支柱（PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）之一。1982年，國際電工委員會（IEC）制定了PLC的標(biāo)準(zhǔn)，在1987年12月頒布的第三稿中，對可編程控制器的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！?.1.2

19、 可編程控制器的特點(diǎn)(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)一般對控制設(shè)備要求很高，應(yīng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和高的可靠性，能在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，平均故障間隔時(shí)間長，故障修復(fù)時(shí)間短。這是PLC控制優(yōu)于微機(jī)控制的一大特點(diǎn)。例如日本的三菱公司F1、F2系列平均故障間隔時(shí)間長達(dá)30萬h，而A系列的可靠性比F1、F2系列更高。在PLC設(shè)計(jì)中，可以從硬件和軟件兩方面采取措施，防止以上故障的發(fā)生，以提高其可靠性。主要措施有：硬件措施有：屏蔽:對電源變壓器、CPU編程器等主要部件，采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾。濾波:對供電系統(tǒng)及輸入/輸出線路采用多種形式的濾波，如LC式型濾波網(wǎng)絡(luò)，以消除高頻

20、干擾和削弱各種模塊之間的相互影響。電源的調(diào)整與保護(hù):對微處理器這個(gè)核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動(dòng)和過電壓、欠電壓影響。隔離:在微處理器與輸入/輸出電路之間，采用光電隔離，有效地隔離輸入/輸出間電的聯(lián)系，減少故障和誤動(dòng)作的可能。聯(lián)鎖:所有輸出模塊都受開門信號控制，而這個(gè)信號只在規(guī)定的各種條件都滿足時(shí)才有效，這樣就有效地防止了產(chǎn)生不正常輸出的可能性。采用模塊式結(jié)構(gòu):這種結(jié)構(gòu)有助于故障情況下短時(shí)修復(fù)。設(shè)置環(huán)境檢測和診斷電路:這種分電路與軟件配合，可以實(shí)現(xiàn)靈活保護(hù)與故障指示等功能。軟件措施有：故障檢測:軟件定期地檢測外界環(huán)境，對諸如掉電、強(qiáng)干擾

21、信號等情況能及時(shí)進(jìn)行處理。信息保護(hù)和恢復(fù):對偶發(fā)性故障只要故障條件出現(xiàn)時(shí)，不破壞PLC內(nèi)部的信息，一旦故障條件消失，就可恢復(fù)正常，繼續(xù)原來的工作。設(shè)置了警戒時(shí)鐘WDT:如果程序每循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過了WDT規(guī)定時(shí)間，預(yù)示了程序進(jìn)入死循環(huán)，立即報(bào)警。加強(qiáng)對程序的檢查和檢驗(yàn):一旦程序有錯(cuò)，立即報(bào)警并停止執(zhí)行。對程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備:停電后，利用后備電池供電，有關(guān)狀態(tài)及信息就不會因此而丟失。這樣，PLC的可靠性、抗干擾能力大大提高。例如美國通用電氣公司制成的PC控制模塊平均無故障率可達(dá)1千萬小時(shí)之多，組成系統(tǒng)后的平均無故障率可達(dá)4至5千萬小時(shí)。（2）編程簡單，使用方便這是PLC優(yōu)于微機(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)

22、。目前大多數(shù)PLC采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”，即有傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又適合電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和微機(jī)應(yīng)用水平，易于接受，與常用的匯編語言相比，更受歡迎。這了進(jìn)一步簡化編程，當(dāng)今的PLC還針對具體問題設(shè)計(jì)了諸如步進(jìn)梯形指令、功能指令等。PLC是為車間操作人員而設(shè)計(jì)的，一般只要很短時(shí)間的訓(xùn)練即能學(xué)會使用。而微電腦控制系統(tǒng)則要求具有一定知識的人員操作。當(dāng)然，PLC的功能開發(fā)，需要有軟件專家的幫助。（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。所以PLC取代繼電器控制，而且具有繼電器所不具備的無可比擬

23、的優(yōu)點(diǎn)。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。（4）功能完善現(xiàn)代PLC具有數(shù)字和模擬量輸入輸出、邏輯和算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制、功率驅(qū)動(dòng)、通信、人機(jī)對話、自檢、記錄和顯示功能，使用設(shè)備水平大提高。 （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)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了一些小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。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，系統(tǒng)的模塊和功能

24、可根據(jù)用戶的需要自行組合。（6）減少了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工的工作量由于PLC采用軟件編程來達(dá)到控制功能，而不同于繼電器控制采用接線來達(dá)到控制功能，同時(shí)PLC又能率先進(jìn)行模擬調(diào)試，并且操作化功能和監(jiān)視化功能很強(qiáng)，這些都減少了許多的工作量。（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，存儲器等）外，還有豐富的I/O接口模塊。對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號（交流或直流，開關(guān)量或模擬量，電壓或電流，脈沖或電位，強(qiáng)電或弱電），設(shè)計(jì)有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接。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

25、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。由于PLC具備了以上特點(diǎn)，它把微計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器控制技術(shù)很好地融合在一起，最新發(fā)展的PLC產(chǎn)品，還把直接數(shù)字控制（DDC）技術(shù)加進(jìn)去，并具有監(jiān)控計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的功能。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。Keyene的PLC是基于工業(yè)自動(dòng)化的生產(chǎn)要求，專業(yè)對應(yīng)生產(chǎn)需要而研發(fā)的PLC。它的每一款產(chǎn)品都對應(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。Keyence是從傳感

26、器和光學(xué)元件起家，在軟件研發(fā)上的投入非常大，因此它的PLC在數(shù)據(jù)采集處理，通信連接，自動(dòng)化管理上非常突出，而且使用性能可靠。針對一些特殊的生產(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)充變得很簡單。2.1.3 設(shè)計(jì)PLC基本原則設(shè)計(jì)PLC控制時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則(1) 最大限度地滿足被控對象的控制要求充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場的資料，收集相關(guān)先進(jìn)的國內(nèi)、國外資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員

27、緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問題和疑難問題。(2) 保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、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)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。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。(3) 力求簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。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

28、，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。(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。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。實(shí)際上PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按照國外發(fā)達(dá)國家的標(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

29、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。(5) PLC的應(yīng)用由于PLC自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，PLC已經(jīng)在工業(yè)控制中得到大量廣泛的應(yīng)用，包括機(jī)械，冶金，化工，電力，建筑等，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。PLC的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面。1. 邏輯控制邏輯控制是PLC最基本的應(yīng)用，它可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，可實(shí)現(xiàn)組合邏輯控制，定時(shí)控制和順序邏輯控制等功能。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使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，可對直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置，速度和加速度進(jìn)行控制，實(shí)

30、現(xiàn)單軸，雙軸和多軸位置控制，并使順序控制和運(yùn)動(dòng)控制有機(jī)結(jié)合在一起。3. 閉環(huán)過程控制過程控制是指對溫度，壓力，流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過其模擬量I/O模塊，及數(shù)據(jù)處理運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)對模擬量的閉環(huán)控制?，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玫腜ID模塊進(jìn)行控制。 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算，數(shù)據(jù)傳送轉(zhuǎn)換排序和查表功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集分析處理等操作。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值進(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?. 通信網(wǎng)絡(luò)PLC的通信包過主機(jī)與遠(yuǎn)程I/O之間的通信，多臺PLC之間的通信，PLC與其他智

31、能設(shè)備之間的通信。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)。2.1.4 PLC的選擇S7200PLC的選擇包括對PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。S7-200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。早些時(shí)候稱為CPU21X，其后的改進(jìn)型稱為CPU22X。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。S7-22X系列PLC可提供5種不同的基本單元和多種規(guī)格的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成除基本單元、擴(kuò)展單元外，還有編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。表2-1給出了22X系列CPU的基本配置。從表中可以看出，

32、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。此外，S7-200系列PLC允許在程序中立即讀寫輸入、輸出口，允許在程序中使用中斷，允許設(shè)定通訊任務(wù)的處理時(shí)間，允許設(shè)置停止模式數(shù)字量輸出狀態(tài)，可以由用戶自己定義存儲器的掉電保護(hù)區(qū)，可以允許數(shù)字量時(shí)間，允許設(shè)置停止模式數(shù)字量輸出狀態(tài)，可以由用戶自己定義存儲器的掉電保護(hù)區(qū)，可以允許數(shù)字量及模擬量輸入加濾波器，還具有窄脈沖捕捉功能，為復(fù)雜的工業(yè)控制提供了方便。 表2-1 22X系列CPU的基本配置特性CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM外型尺寸/mmmmmm90806

33、2908062806219080621908062程序存儲區(qū)2048字2048字4096字4096字8192字?jǐn)?shù)據(jù)存儲區(qū)1024字1024字2560字2560字5120字掉電保持時(shí)間/h5050190190190本機(jī)I/O6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02777高速計(jì)數(shù)器單相雙相4路30KHZ2路20KHZ4路30KHZ2路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ脈沖輸出（DC）2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ模擬電位器11222實(shí)時(shí)時(shí)鐘配置時(shí)鐘卡配置時(shí)鐘卡內(nèi)

34、置內(nèi)置內(nèi)置通訊口1RS-4851RS-4851RS-4852RS-4852RS-485 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S7-200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)。結(jié)構(gòu)描述：S7-200 CPU將一個(gè)微處理器、一個(gè)集成電源和數(shù)字量I/O點(diǎn)集成在一個(gè)緊湊的封裝中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的小型可編程邏輯控制器。CPU結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：2.2 電機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)M1型號為Y132M-4，額定電壓為交流380V，額定電流為15A，頻率為50HZ，功率為7.5KW，轉(zhuǎn)速為1440

35、r/min。銘牌：型號：Y132M-4 功率：7.5KW 頻率：50HZ 電壓：380V 電流：16.4A 接法： 轉(zhuǎn)速：1440r/min 電機(jī)上一般有這樣的銘牌，用來表示電機(jī)參數(shù)。介紹一下Y132M-4，Y表示三相異步電動(dòng)機(jī)；132表示機(jī)座中心高；M機(jī)座長度代號（分為SML短中長），4為磁極個(gè)數(shù)（2P磁極對數(shù)）。如表2-2所示表2-2 電機(jī)磁極個(gè)數(shù)及轉(zhuǎn)速磁極個(gè)數(shù)2極4極6極8極P（磁極對數(shù)）1234轉(zhuǎn)速300015001000750 p電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。（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)磁場的轉(zhuǎn)速）銘牌所標(biāo)的為磁極個(gè)數(shù)，即幾極電機(jī)，對應(yīng)對數(shù)和轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的公式

36、n=60f/p上式中n電機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；60每分鐘（秒）；f電源頻率（HZ）；在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)公式n=60f/p可知：改變頻率f就可改變轉(zhuǎn)速降低頻率f，轉(zhuǎn)速就變?。杭?60 f / p = n增加頻率f，轉(zhuǎn)速就加大： 即 60 f / p = n表2-3 物理量與單位物理量符號基本單位單位符號公式功W焦耳（焦）JW=Fs=Pt功率P瓦特（瓦）WP=W/t=Fv電流I安培（安)AI=U/R=W/R電壓U伏特（伏）VU=IR 電阻R歐姆（歐）R=U/I=W/II 電功W焦耳（焦）JW=UIt=Wt電功率P瓦特（瓦）WP=W/t=UI=IIR 電動(dòng)機(jī)M2型號為Y90S-4，額定電壓為交流3

37、80V，額定電流為2.8A，頻率為50HZ，功率為1.1KW，轉(zhuǎn)速為1440r/min。電動(dòng)機(jī)M3選與電動(dòng)機(jī)M2一樣的型號即可。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要盡量小，設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速為盡量小，綜合考慮到工作環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)效益方面，暫選電動(dòng)機(jī)為Y90S-4.轉(zhuǎn)速1400r/min ,效率為78%，功率1.1kw，質(zhì)量23kg.我們采用三角形的接法，接法如圖2-2所示2.4 傳感器的選擇本設(shè)計(jì)需要用多個(gè)傳感器，有檢測空瓶的光電傳感器，檢測產(chǎn)品質(zhì)量的壓力傳感器與檢測飲料罐液位的液位傳感器。2.4.1 光電傳感器光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖6，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信

38、號的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.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.光電檢測方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛. 圖7 光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達(dá)到測量目的的，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)定性直接影響到測量的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種： 1、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。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成

39、電路相匹配。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。 2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，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。 光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路，如圖9所示。由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級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。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時(shí)承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個(gè)電阻?；蛘呦髨D9（b）所示

40、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0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10（c）所示。 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。硅光敏二極管通過集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如圖11（a）所示。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。圖11（b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 由光通量對光電元件的作用原理

41、不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測控系統(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量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(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物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計(jì)等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計(jì)和光照度計(jì)等;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量

42、經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)，如振動(dòng)測量、工件尺寸測量；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，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。 光電傳感器的原理：光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無

43、光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很?。ˋ），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。在外電場的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。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。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級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。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)

44、正偏。在無光照時(shí)管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+）Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還??；當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度光電傳感器應(yīng)用：光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化。早期的用來檢測物體有無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。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈做為光源。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。LED（發(fā)光

45、二極管）發(fā)光二極管最早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管做為指示燈來用。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)，它會發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長傳感器的使用壽命。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。不象白熾燈那樣，LED抗震動(dòng)抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。（激光二極管除外，它與普通LED的原理相同，但能產(chǎn)生幾倍的光能，并能達(dá)到更遠(yuǎn)的檢測距離）。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

46、或白光。經(jīng)調(diào)制的LED傳感器：1970年，人們發(fā)現(xiàn)LED還有一個(gè)比壽命長更好的優(yōu)點(diǎn)，就是它能夠以非?？斓乃俣葋黹_關(guān)，開關(guān)速度可達(dá)到KHz。將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率，那么它就只能對以此頻率振動(dòng)的光信號進(jìn)行放大。我們可以將光波的調(diào)制比喻成無線電波的傳送和接收。將收音機(jī)調(diào)到某臺，就可以忽略其他的無線電波信號。經(jīng)過調(diào)制的LED發(fā)射器就類似于無線電波發(fā)射器，其接收器就相當(dāng)于收音機(jī)。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很強(qiáng)。經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長無太大關(guān)系。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。一個(gè)

47、未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機(jī)械屏蔽手段，使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光，才能使其能量變得很高。相比之下，經(jīng)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光，只對自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應(yīng)。未經(jīng)調(diào)制的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的輻射，如剛出爐的紅熱瓶子，在這種應(yīng)用場合如果使用其它的傳感器，可能會有誤動(dòng)作。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到。周圍光源接收器也可以用來檢測室外光。但是并不是說經(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)就會有問題。例如，未經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器，當(dāng)把它直接指向陽光時(shí)，它能正常動(dòng)作。我們每個(gè)人都知

48、道，用一塊有放大作用的玻璃將陽光聚集在一張紙上時(shí)，很容易就會把紙點(diǎn)燃。設(shè)想將玻璃替換成傳感器的鏡頭，將紙?zhí)鎿Q成光電三極管，這樣我們就很容易理解為什么將調(diào)制的接收器指向陽光時(shí)它就不能工作了，這是周圍光源使其飽和了。調(diào)制的LED改進(jìn)了光電傳感器的設(shè)計(jì)，增大了檢測距離，擴(kuò)展了光束的角度，人們逐漸接受了這種可靠易于對準(zhǔn)的光束。到1980年，非調(diào)制的光電傳感器逐步就退出了歷史舞臺。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。但是有些傳感器需要用來區(qū)分顏色（如色標(biāo)檢測），這就需要用可見光源。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，直到后來發(fā)明了高效的可見光LED。

49、現(xiàn)在，多數(shù)的色標(biāo)傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見光LED發(fā)射器。經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應(yīng)速度以獲取更長的檢測距離，這是因?yàn)闄z測距離是一個(gè)非常重要的參數(shù)。未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來檢測小的物體或動(dòng)作非?？斓奈矬w，這些場合要求的響應(yīng)速度都非?？?。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)的檢測應(yīng)用。超聲波傳感器：聲波傳感器所發(fā)射和接收的聲波，其振動(dòng)頻率都超過了人耳所能聽到的范圍。它是通過計(jì)算聲波從發(fā)射，經(jīng)被測物反射回到接收器所需要的時(shí)間，來判斷物體的位置。對于對射式超聲波傳感器，如果物體擋住了從發(fā)射器到接收器的聲波，則傳感器就會檢測到物體。與光電傳感器不同，超聲波傳感

50、器不受被測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合就不適合使用光電傳感器來檢測。光纖：安裝空間非常有限或使用環(huán)境非常惡劣的情況下，我們可以考慮使用光纖。光纖與傳感器配套使用，是無源元件，另外，光纖不受任何電磁信號的干擾，并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一層金屬外皮。這層金屬外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在這兩種材料的邊界處（入射角在一定范圍內(nèi)，），被全部反射回來。根據(jù)光學(xué)原理，所有光束都可以由光纖來傳輸。兩條入射光束（入射角在接受角以內(nèi)）沿光纖長度方向經(jīng)多次反射后，從另一端射出。另一條入射角超出接受角范圍的入射光

51、，損失在金屬外皮內(nèi)。這個(gè)接受角比兩倍的最大入射角略大，這是因?yàn)楣饫w在從空氣射入密度較大的光纖材料中時(shí)會有輕微的折射。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）。大多數(shù)光纖是可彎曲的，很容易安裝在狹小的空間。玻璃光纖：玻璃光纖由一束非常細(xì)（直徑約50m）的玻璃纖維絲組成。典型的光纜由幾百根單獨(dú)的帶金屬外皮玻璃光纖組成，光纜外部有一層護(hù)套保護(hù)。光纜的端部有各種尺寸和外形，并且澆注了堅(jiān)固的透明樹脂。檢測面經(jīng)過光學(xué)打磨，非常平滑。這道精心的打磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率。玻璃光纖內(nèi)的光纖束可以是緊湊布置的，也可隨意布置。緊湊布置的玻璃光纖通常用在醫(yī)療設(shè)備或管道鏡上

52、。每一根光纖從一端到另一端都需要精心布置，這樣才能在另一端得到非常清晰的圖像。由于這種光纖費(fèi)用非常昂貴并且多數(shù)的光纖應(yīng)用場合并不需要得到一個(gè)非常清晰的圖像，所以多數(shù)的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的，這種光纖就非常便宜了，當(dāng)然其所得到的圖像也只是一些光。玻璃光纖外部的保護(hù)層通常是柔性的不銹鋼護(hù)套，也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纖可用于特殊的空間或環(huán)境，其檢測頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測要求。玻璃光纖堅(jiān)固并且性能可靠，可使用在高溫和有化學(xué)成分的環(huán)境中，它可以傳輸可見光和紅外光。常見的問題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過小而導(dǎo)致玻璃絲折斷，對于這種應(yīng)用場合，我們推薦使用塑料光纖。塑料

53、光纖：塑料光纖由單根的光纖束（典型光束直徑為0.25到1.5mm）構(gòu)成，通常有PVC外皮。它能安裝在狹小的空間并且能彎成很小的角度。多數(shù)的塑料光纖其檢測頭都做成探針形或帶螺紋的圓柱形，另一端未做加工以方便客戶根據(jù)使用將其剪短。邦納公司的塑料光纖都配有一個(gè)光纖刀。不像玻璃光纖，塑料光纖具有較高的柔性，帶防護(hù)外皮的塑料光纖適于安裝在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上。塑料光纖吸收一定波長的光波，包括紅外光，因而塑料光纖只能傳輸可見光。與玻璃光纖相比，塑料光纖易受高溫，化學(xué)物質(zhì)和溶劑的影響。對射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有“單根的”對射式，也有“分叉的”直反式。單根光纖可以將光從發(fā)射器傳輸?shù)綑z測區(qū)域，或從

54、檢測區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?。分叉式的光纖有兩個(gè)明顯的分支，可分別傳輸發(fā)射光和接收光，使傳感器既可以通過一個(gè)分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z測區(qū)域，同時(shí)又通過另一個(gè)分支將反射光傳輸回接收器。直反式的玻璃光纖，其檢測頭處的光纖束是隨意布置的。直反式的塑料光纖，其光纖束是沿光纖長度方向一根挨一根布置。光纖的特殊應(yīng)用：由于光纖受使用環(huán)境影響小并且抗電磁干擾，因而能被用在一些特殊的場合，如：適用于真空環(huán)境下的真空傳導(dǎo)光纖（VFT）和適用于爆炸環(huán)境下的光纖。在這兩個(gè)應(yīng)用中，特制的光纖安裝在特殊的環(huán)境中，經(jīng)一個(gè)法蘭引出來接到外面的傳感器上，光纖和法蘭的尺寸多種多樣。本安型傳感器，如NAMUR型的傳感器，可直接用在特殊或有爆炸性危險(xiǎn)的環(huán)境中TCRT5000傳感器的工作原理