光纤传感器工作原理及在机电设备中的使用注意事项

1．光纤传感器工作原理

    光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质，它是由高折射率的纤芯和包层所组成。包层的折射率小于纤芯的折射率，直径大致为0.1mm～0.2mm。当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射，光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播且只有很小的衰减。光纤式传感器就是把发射器发出的光线用光导纤维引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到接收器来实现检测的。按动作方式的不同，光纤式传感也可分为对射式、漫反射式等多种类型。光纤式传感器可以实现被检测物体在较远区域的检测。由于光纤损耗和光纤色散的存在,在长距离光纤传输系统中,必须在线路适当位置设立中级放大器,以对衰减和失真的光脉冲信号进行处理及放大。

2．光纤传感器 在机电设备中的使用注意事项

1）不能安装在以下场所：阳光直射处，湿度高、可能会结霜处，有腐蚀性气体处，对本体有直接振动或冲击影响处；

2）电力线、动力线与光电开关使用同一配线管或者配线槽时，会由于感应引起误动作或者产品损坏，原则上请分开配线或者使用屏蔽线。

3）导线的延长请使用0.3mm以上的线，并控制在100m以下；

4）电源接通后，经过200ms以上才可以进行检测，负载与光纤传感器的电源分开时，请一定要先接通光纤传感器的电源；

5）在切断电源时会发生输出脉冲情况，所以要先切断负载或负载线的电源；

6）使用接插件式时，为了防止触电或短路，请在不使用的连接电源端子上贴上保护用贴片；

7）放大器拆卸和安装时请一定要切断电源；

8）请不要在光纤单元固定于放大器单元的状态下施加拉伸、压缩等动作；

9）在使用时一定要确保保护罩已盖好；

10）不要使用香蕉水、汽油、丙酮、灯油类进行清洁。

梯形图的编程规则

尽管梯形图与继电器电路图在结构形式、元件符号及逻辑控制功能等方面相类似，但它们又有许多不同之处，梯形图具有自己的编程规则。

1）每一逻辑行总是起于左母线，然后是触点的连接，**后终止于线圈或右母线（右母线可以不画出）。注意：左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间则不能有任何触点。

2）梯形图中的触点可以任意串联或并联，但继电器线圈只能并联而不能串联。

3）触点的使用次数不受限制。

4）一般情况下，在梯形图中同一线圈只能出现一次。如果在程序中，同一线圈使用了两次或多次，称为“双线圈输出”。对于“双线圈输出”，有些PLC将其视为语法错误，**不允许；有些PLC则将前面的输出视为无效，只有**后一次输出有效；而有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。

5）对于不可编程梯形图必须 经过等效变换，变成可编程梯形图。PLC之家，www.plc100.com

6）有几个串联电路相并联时，应将串联触点多的回路放在上方，如图5-2a所示。在有几个并联电路相串联时，应将并联触点多的回路放在左方，如图5-2b所示。这样所编制的程序简洁明了，语句较少。

图5-2 梯形图

另外，在设计梯形图时输入继电器的触点状态**按输入设备全部为常开进行设计更为合适，不易出错。建议用户尽可能用输入设备的常开触点与PLC输入端连接，如果某些信号只能用常闭输入，可先按输入设备为常开来设计，然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反（常开改成常闭、常闭改成常开）。

组合机床液压滑台进给运动功能表图绘制举例

某组合机床液压滑台进给运动示意图如图1所示，其工作过程分成原位、快进、工进、快退四步，相应的转换条件为SB、SQ1、SQ2、SQ3。液压滑台系统各液压元件动作情况如表5-1所示。根据上述功能表图的绘制方法，液压滑台系统的功能表图如图2a所示。

图1 某组合机床液压滑台进给运动示意图

表1  液压元件动作表

图2  液压滑台系统的功能表图

如果PLC已经确定，可直接用编程元件M300～M303（FX系列）来代表这四步，设输入/输出设备与PLC的I/O点对应关系如表2所示，则可直接画出如图2b所示的功能表图接线图，图中M8002为FX系列PLC的产生初始化脉冲的特殊辅助继电器。

表2  输入/输出设备与PLC I/O对应关系

多个定时器组合的延时程序的PLC梯形图

一般PLC的一个定时器的延时时间都较短，如FX系列PLC中一个0.1s定时器的定时范围为0.1～3276.7s，如果需要延时时间更长的定时器，可采用多个定时器串级使用来实现长时间延时。定时器串级使用时，其总的定时时间为各定时器定时时间之和。

如图5-10所示为定时时间为1h的梯形图及时序图，辅助继电器M1用于定时启停控制，采用两个0.1s定时器T14和T15串级使用。当T14开始定时后，经1800s延时，T14的常开触点闭合，使T15再开始定时，又经1800s的延时，T15的常开触点闭合，Y4线圈接通。从X14接通，到Y4输出，其延时时间为1800s+1800s=3600s=1h。

图5-10  用定时器串级的长延时程序

a）梯形图      b）时序图 SHAPE  \* MERGEFORMAT

可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）简要介绍

可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。

1．中央处理单元（CPU） 

CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有以下一些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。 

2．存储器（RAM、ROM）

 存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。

 3．输入输出单元（I/O单元） 

I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。  

4．电源  

PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。 

5．编程器  

编程器是PLC的**外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。

日时钟中断（OB10） ——西门子S7-300PLC组织块OB及其应用

OB10可按下列间隔运行：

Once（一次）：只在特定日期和时间执行一次。

Every minute：从特定日期和时间开始，每分钟执行一次。

Hourly：从某一特定日期和时间开始，每小时执行一次。

Daily：从某一特定日期和时间开始，每天执行一次。

Weekly：从某一特定日期和时间开始，每周执行一次。

Monthly：从某一特定日期和时间开始，每月执行一次。

Annually：从某一特定日期和时间开始，每年执行一次。

OB10的起始时刻和间隔时间设置：

1. 过定义OB10执行的起始时刻（日期和/或时间）和间隔时间对OB10进行配置。

2. 通过S7组态工具配置CPU的日时钟的中断参数或者在程序中调用SFC28（SET-TINT）设置时间。

3. 通过S7组态工具在CPU的日时钟中断参数块中选择激活项，

4. 在程序中调用SFC30（ACT-TINT）来激活OB10。

由调用SFC 32启动．调用SFC 32时要提供实参。

OB-NR 延时中断OB的号码

DTIME 延时长度（1至60000ms）

SIGN 延时OB被调用时进入OB的启动信息标志器

RET-VAL OB 执行过程中发生错误时的错误代码

处理延时中断的SFC

SFC32     SRT_TINT    启动延时中断   

SFC33     CAN_DINT    取消延时中断

SFC34     QRY_TINT    查询延时中断

S7-200PLC的输入继电器使用简介

输入继电器用来接受外部传感器或开关元件发来的信号，是专设的输入过程映像寄存器。它只能由外部信号驱动程序驱动。在每次扫描周期的开始，CPU总对物理输入进行采样，并将采样值写入输入过程映像寄存器中。输入继电器一般采用八进制编号，一个端子占用一个点。它有4种寻址方式即可以按位、字节、字或双字来存取输入过程映像寄存器中的数据。

    位：            I〔字节地址］．［位地址〕 如：I0.1

    字节、字或双字： I［长度］［起始字节地址］  如：IB3    IW4    ID0

  二代S7-200（CPU22x）系列也分几个主要的硬件版本。6ES721x-xxx21-xxxx是21版；6ES721x-xxx22-xxxx是22版。22版与21版相比，硬件、软件都有改进。22版向下兼容21版的功能。22版与21的主要区别是：21版CPU的自由口通讯速率300、600被22版的57600、115200所取代，22版不再支持300和600波特率 ，22版不再有智能模块位置的限制 

 在逻辑运算中通常需要一些存储中间操作信息的元件，它们并不直接驱动外部负载，只起中间状态的暂存作用，类似于继电器接触系统中的中间继电器。在S7-200系列PLC 中，可以用位存储器作为控制继电器来存储中间操作状态和控制信息。一般以位为单位使用。

     位存储区有4种寻址方式即可以按位、字节、字或双字来存取位存储器中的数据。

    位：           M〔字节地址］．［位地址] 如：M0.3

    字节、字或双字：M 长度］［起始字节地址］ 如：MB4 MW10 MD4

使用继电器电路或PLC的梯形图实现开关量的逻辑运算

 使用继电器电路或PLC的梯形图可以实现开关量的逻辑运算。图1—4的上面是PLC的梯形图，梯形图中某些编程元件(如输出继电器和辅助继电器)的线圈“通电”时，其常开触点闭合，常闭触点断开，称该编程元件为1状态。当它们的线圈“断电"时，其常开触点断开，常闭触点闭合，称该编程元件为0状态。

        图1—4中的A，B为输入逻辑变量，M为输出逻辑变量，它们之间的“与”、“或”、“非”逻辑运算关系如表1．1所示。用继电器电路或梯形图可以实现基本逻辑运算，触点的串联可实现“与”运算，触点的并联可实现“或”运算，用常闭触点控制线圈可实现“非”运算(见图1-4)。多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算，例如图l-3中的继电器电路实现的逻辑运算可用逻辑代数表达式表示为

KM=(SBI+KM)·SB2·FR

式中的加号表示逻辑或，乘号表示逻辑与，上画线表示“非”运算。

 PLC有两种基本的工作模式，即运行(RUN)模式与停止(STOP)模式。在运行模式，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。

除了执行用户程序外，在每次循环过程中， PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（见图1-5）。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。

在内部处理阶段，PLC检查CPU．模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其它内部工作。

在通信服务阶段，PLC与其它的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

  当PLC处于停止(STOP)模式时，只执行以上的操作。PLC处于运行(RUN)模式时，还要完成另外三个阶段的操作。

    在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。PLC梯形图中的其他编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。

   在输入处理阶段，PLC把所有外部输入电路的接通，断开状态读入输入映像寄存器。 外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为l状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。

    某一编程元件对应的映像寄存器为l状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为0状态时，称该编程元件为OFF。

    在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。

   PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从**条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0／1状态读来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器(输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。

    在输出处理阶段，CP／7将输出映像寄存器的0／1状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。

    若梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为0状态，在输出处理阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。