光電傳感器在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用

黃勇超 鄧發(fā)云

摘 ?要：在自動(dòng)生產(chǎn)線的分析中，首先對(duì)PLC控制電路進(jìn)行了研究，探討了NPN、PNP型光電傳感器與三菱FX3U的漏、源型接入的一致性;然后，對(duì)光電傳感器在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了光電傳感器的漫反射、鏡反射、對(duì)射方式的非接觸工件檢測(cè)方式;最后，對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線的PLC編程進(jìn)行了研究，得出了可調(diào)式光電傳感器的受光開啟、遮光開啟檢測(cè)模式分別采用常開、常閉觸點(diǎn)表示，選用的觸點(diǎn)與檢測(cè)模式不一致會(huì)導(dǎo)致程序無法繼續(xù)運(yùn)行的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：光電傳感器;自動(dòng)生產(chǎn)線;檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP212;TP278 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）14-0162-04

Abstract： In the analysis of automatic production line， firstly， the PLC control circuit is studied， and the consistency of leakage pattern access and source pattern ?access between NPN， PNP photoelectric sensors and Mitsubishi FX3U is discussed; then， the application of photoelectric sensor in automatic production line is studied， and the non-contact work piece detection methods of diffuse reflection， mirror reflection and opposite reflection of photoelectric sensor are analyzed; finally， the PLC programming of the automatic production line is studied， and it is concluded that the light receiving opening and shading opening detection modes of the adjustable photoelectric sensor are represented by normally open and normally closed contacts respectively， and the inconsistency between the selected contacts and the detection mode will lead to the program cannot continue to run.

Keywords： photoelectric sensor; automatic production line; detection

0 ?引 ?言

智能制造是世界發(fā)達(dá)國(guó)家的國(guó)家戰(zhàn)略，它建立在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上。自動(dòng)生產(chǎn)線是智能制造實(shí)現(xiàn)的重要方式，傳感器技術(shù)是自動(dòng)生產(chǎn)線的“眼睛”，光電傳感器是一類重要傳感器，可以實(shí)現(xiàn)工件的非接觸檢測(cè)。

光電傳感器由光源、光學(xué)系統(tǒng)、光電器件和放大電路組成，利用光照射到光電器件上引起的光致電變現(xiàn)象，檢測(cè)光信號(hào)的變化從而感知被測(cè)對(duì)象，為自動(dòng)生產(chǎn)線的PLC模塊提供控制依據(jù)。光電傳感器與PLC模塊配合完成自動(dòng)生產(chǎn)線中工件定位、檢測(cè)、判斷、限位等的控制，有辨色、反應(yīng)快、可靠性高、適用范圍廣等特點(diǎn)[1]。因此，光電傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線。

1 ?PLC的輸入類型與光電傳感器的接線方式

我校自動(dòng)生產(chǎn)線ZY36809B2是機(jī)電一體化教學(xué)實(shí)訓(xùn)，年久失修且軟件不完善，長(zhǎng)期閑置。它的電控系統(tǒng)使用三菱第3代小型可編程控制器FX3U-48MR/ES-A，直流輸入和直流輸出各24點(diǎn)。光電傳感器將采集到的信號(hào)輸入FX3U中，F(xiàn)X3U根據(jù)裝載程序輸出信號(hào)，控制電磁換向閥或變頻器。

自動(dòng)生產(chǎn)線ZY36809B2中，光電傳感器用于轉(zhuǎn)盤電機(jī)、運(yùn)輸線送料到位的檢測(cè)，轉(zhuǎn)盤電機(jī)送料到位則機(jī)械手伸出抓取物料，運(yùn)輸線送料到位則變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)傳輸帶;光纖傳感器（光電傳感器的一種）用于傳輸帶上黑白工件的分揀。光電傳感器引出3根有色導(dǎo)線，通常采用棕色線接電源正極，藍(lán)色線接電源負(fù)極，黑色線接PLC的輸入信號(hào)線。可編程控制器FX3U的輸入側(cè)S/S端子有漏型（SINK）和源型（SOURCE）兩類接入方式。

FX3U漏型接入方式如圖1（a）所示，將直流電源DC的正極24V接入S/S端，負(fù)極0V接入COM端（共陰極公共端）。PLC輸入側(cè)的黑色信號(hào)線接入NPN型光電傳感器的NPN管集電極，電流從S/S端流入，輸入引出端流出（電流流出為“漏”）。三菱FX3N的源型接入方式與漏型接入方式相反。FX3U源型接入方式如圖1（b）所示，將直流電源DC的負(fù)極0V接入S/S端，正極24 V接入COM端（共陽極公共端）。PLC輸入側(cè)引出的黑色線接入PNP型光電傳感器的PNP管集電極，電流從輸入引出端流入（電流輸入為“源”），S/S端流出。

光電傳感器接通時(shí)，PLC輸入側(cè)該點(diǎn)位的顯示燈點(diǎn)亮，表明工件到達(dá)檢測(cè)位。在光電傳感器斷開時(shí)，信號(hào)線與零線間的電壓是24 V，則PLC外接NPN 型光電傳感器;反之，如果信號(hào)線與零線間的電壓是OV，則PLC外接PNP型光電傳感器。

PLC接入方式?jīng)Q定了光電傳感器的選用類型。光電傳感器接線前，務(wù)必讓光電傳感器類型與PLC接入方式一致，否則會(huì)造成PLC或光電傳感器電路燒毀等嚴(yán)重后果[2]。

2 ?光電傳感器在自動(dòng)生產(chǎn)線中的安裝與檢測(cè)

光電傳感器的檢測(cè)光源是可見光或不可見的近紅外線。在自動(dòng)生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)，投光部始終發(fā)射光線，受光部感受到由工件引起的光量變化，從而引起光電傳感器的通斷變化。因此，光電傳感器又稱為光電接近開關(guān)。

根據(jù)投光部、受光部的位置不同，光電傳感器分為漫反射型、鏡面反射型、對(duì)射型三大類。

2.1 ?漫反射型光電傳感器

漫反射型光電傳感器投光部與受光部在同一側(cè)，其檢測(cè)過程如圖2所示，當(dāng)一束平行的入射光線照射到工件的表面時(shí)，受光部能夠檢測(cè)到工件向四周漫反射的光線。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，漫反射型光電傳感器可分為光電接近開關(guān)、光電分揀開關(guān)、可調(diào)式光電接近開關(guān)三類。

光電接近開關(guān)靈敏度較高，凡進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的工件都能檢測(cè)。在我校的自動(dòng)生產(chǎn)線中，漫反射光電接近開關(guān)GY6-W2-3E1檢測(cè)進(jìn)入運(yùn)輸線的工件，以便啟動(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)輸帶。機(jī)器人的檢測(cè)中，漫反射型光電接近開關(guān)安裝在機(jī)器人的相應(yīng)部位，根據(jù)檢測(cè)到的光線強(qiáng)弱，使其具備人類的觸覺、視覺等功能[3]。

光電分揀開關(guān)依據(jù)漫反射信號(hào)的強(qiáng)弱分揀深色和淺色工件。相較淺色工件，深色工件對(duì)光線的吸收能力較好，反射能力較差。光纖傳感器屬于光電分揀開關(guān)。

可調(diào)式光電接近開關(guān)可自行設(shè)定檢測(cè)模式和檢測(cè)距離。檢測(cè)模式旋鈕用于設(shè)定受光開啟和遮光開啟兩種模式;檢測(cè)距離旋鈕用于調(diào)節(jié)兩種模式下的檢距，檢測(cè)旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)遠(yuǎn)檢距，檢測(cè)旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)近檢距。調(diào)節(jié)檢距最好用反射能力最差的黑色工件，保證檢測(cè)的可靠性。因此，可調(diào)式光電接近開關(guān)功能完善，可以替代光電接近開關(guān)和光電分揀開關(guān)。在我校的自動(dòng)生產(chǎn)線中，可調(diào)式光電接近開關(guān)OMRON E3Z-LS61檢測(cè)轉(zhuǎn)盤電機(jī)送料，以便啟動(dòng)機(jī)械手抓取物料的一系列動(dòng)作。

漫反射型光電傳感器常應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床加工過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及軸承系統(tǒng)等各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]。根據(jù)受光部接受光的強(qiáng)弱，還能檢測(cè)加工工件的表面光潔度、紙張白度等。

工件背景最好空曠或使用深色材料，避免漫反射干擾。如我校自動(dòng)生產(chǎn)線使用黑色運(yùn)輸帶。運(yùn)輸帶上，分揀黑色工件的光纖傳感器需要較高的靈敏度，往往在伸出活塞桿時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的接通信號(hào)，因此該光纖傳感器的靈敏度調(diào)節(jié)到的能夠檢測(cè)即可，可以避免誤接通。

2.2 ?鏡面反射型、對(duì)射型光電傳感器

鏡面反射型光電傳感器的投光部與受光部也在同一側(cè)，在對(duì)面安裝反射鏡，其檢測(cè)過程如圖3所示;返回的光線應(yīng)到達(dá)受光部，反射鏡面與投射光線不宜垂直，有較小的偏斜角度。

對(duì)射型光電傳感器投光部與受光部分開對(duì)面布置，用電纜連接并位于同一軸線，其檢測(cè)過程如圖4所示。投光部引出兩根線接電源正負(fù)極，受光部引出三根線接電源正負(fù)極和信號(hào)線。

鏡面反射型、對(duì)射型光電傳感器的受光部在被測(cè)工件完全或部分阻斷接收光線時(shí)產(chǎn)生通斷信號(hào)，常用于工件的計(jì)數(shù)。圖5是一種U字結(jié)構(gòu)的對(duì)射型光電傳感器，可用于并行結(jié)構(gòu)確定懸梁的位置[4];用于不透明檢測(cè)，如檢測(cè)不確定因素導(dǎo)致的帶材跑偏[5]、加工尺寸、位置等;用于半透明檢測(cè)，如檢測(cè)溶液透明度、濃度等。對(duì)射型光電傳感器通斷信號(hào)較強(qiáng)，分開的距離較遠(yuǎn)，環(huán)境要求不高。鏡面反射型光電傳感器應(yīng)保持鏡面的清潔。

光電傳感器應(yīng)避免電氣、光照干擾，敏感部位的油污通常采用硅油及超聲波加熱清洗，再用清水漂洗，完全去除殘留痕跡。

3 ?光電傳感器的PLC編程

3.1 ?可調(diào)式光電傳感器的調(diào)節(jié)模式與PLC編程

可調(diào)式光電傳感器檢測(cè)模式和距離可調(diào)，在自動(dòng)生產(chǎn)線中得到廣泛使用，其檢測(cè)模式與PLC程序選用的觸點(diǎn)密切相關(guān)。下面用OMRON E3Z-LS61進(jìn)行說明。

自動(dòng)生產(chǎn)線按照工藝順序循環(huán)運(yùn)行，采用順序功能圖（SFC）編程，圖6是可調(diào)式光電接近開關(guān)E3Z-LS61相關(guān)的SFC程序。圖6（a）是與E3Z-LS61有關(guān)的工步，E3Z-LS61選擇受光開啟模式，則轉(zhuǎn)換條件如圖6（b）所示，用常開觸點(diǎn)x002表示E3Z-LS61。一旦檢測(cè)到工件，E3Z-LS61立即通電，x002閉合，21步激活為當(dāng)前步，PLC輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥換向，氣動(dòng)活塞帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。E3Z-LS61選擇遮光開啟模式，則轉(zhuǎn)換條件如圖6（c）所示，用常閉觸點(diǎn)x002表示E3Z-LS61。該模式下工件未進(jìn)入檢測(cè)范圍時(shí)E3Z-LS61導(dǎo)通，常閉觸點(diǎn)x002斷開;工件一旦進(jìn)入檢測(cè)范圍E3Z-LS61立即斷電，x002閉合，21步激活。

3.2 ?光纖傳感器和其他光電傳感器的轉(zhuǎn)換條件

除可調(diào)式光電接近開關(guān)外，包括光電傳感器在內(nèi)的其他傳感器一般使用受光開啟檢測(cè)模式，用符合習(xí)慣思維的常開觸點(diǎn)編程。

圖7是與運(yùn)輸線分揀有關(guān)的工步。轉(zhuǎn)換條件12用常開觸點(diǎn)來表示漫反射光電接近開關(guān)，用于檢測(cè)運(yùn)輸線供料，啟動(dòng)變頻器運(yùn)行步29;轉(zhuǎn)換條件14用常開觸點(diǎn)表示光纖傳感器，用于檢測(cè)白色工件，啟動(dòng)分揀步32;轉(zhuǎn)換條件15用常開觸點(diǎn)表示光纖傳感器，用于檢測(cè)黑色工件，啟動(dòng)分揀步34。在PLC程序中，常開觸點(diǎn)用如圖6（b）中X002下的符號(hào)表示。

4 ?結(jié) ?論

自動(dòng)生產(chǎn)線中的PLC模塊接收光電及其他傳感器的檢測(cè)信號(hào)，通過裝入的順序功能圖SFC控制程序，輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁換向閥或變頻器。目前，自動(dòng)生產(chǎn)線ZY36809B2在機(jī)電一體化實(shí)踐教學(xué)中收到良好的實(shí)訓(xùn)效果。

光電傳感器以非接觸檢測(cè)、反應(yīng)快、可靠性高在自動(dòng)生產(chǎn)線的廣泛應(yīng)用使用，結(jié)合其他傳感器，有利于緩解技術(shù)工短缺、人力成本上漲等諸多困窘，必將有力地推動(dòng)智能制造，并在智能制造中大放異彩。

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作者簡(jiǎn)介：黃勇超（1968—），男，漢族，四川南充人，工程師，教師，碩士，主要研究方向：電路分析技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)。