光电控制系统的设计分析

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摘要

摘 要

随着数字控制和数字通信技术的发展，光电控制器，传感器越来越广泛

的应用于科技，教育，国防，环保等领域。特别是近年来随着纳米技术，计

算机控制技术和光机电一体化技术的突飞猛进，带动了光电控制领域的进步。

可以说，光电控制已经成为国民经济中不可或缺的前沿科技。

本文从光电控制技术出发，详细阐述了系统的结构特点和物理原理，较

为深入的探究了相关领域的实际应用，并对该行业在未来能源和环保领域的

发展做出了展望。相信随着技术的进步，光电控制必将以其低碳节能，高效

运转，易于控制的优点更好的服务人民，造福社会。

关键词：光电控制 位置检测 电机驱动 可编程控制器 光电传感器

光电控制系统的设计分析

ABSTRACT

ABSTRACT With the digital control and digital communication technology, optical controllers,

sensors more and more widely used in science and technology, education, defense, environmental protection and other fields. Especially in recent years with the nano-technology, computer control technology and electromechanical integration and technology, promote progress in the field of photoelectric control. It can be said optical control has become a cutting-edge technology essential to the national economy.

This optical control technology from the start, detailed structural features of the system, the physical principle, teamwork and practical application. Believe that as technology advances, photoelectric control is bound to its low-carbon energy, high efficiency operation, the advantages of easy control and better serve the people, for the benefit of the community.

Keywords: photoelectric control position detection motor drive PLC

photoelectric sensor

光电控制系统的设计分析

目 录 i

目 录

第一章 光电控制系统的组成...................................................................................... 1

1.1 光电控制系统概况 .............................................. 1

1.2 光电控制系统结构 .............................................. 4

1.3 光电控制系统功能 .............................................. 7

第二章 光电控制传感器 .............................................................................................. 9

2.1 物体检测传感器 ................................................ 9

2.2 位置检测传感器 ............................................... 10

2.3 位移传感器 ................................................... 11

2.4 光电编码器的工作原理 ......................................... 12

第三章 光电控制器与驱动机构 ............................................................................... 15

3.1 可编程控制器（PLC） .......................................... 16

3.2 电机光电控制系统 ............................................. 16

3.2.1 电机驱动器 ............................................... 18

3.2.2 直流电机PWM调速 ......................................... 19

3.2.3 硬件实现PWM的方法 ....................................... 19

3.3 控制器与传感器系统组成 ....................................... 21

第四章 西门子光电控制系统概述 ........................................................................... 23

4.1 西门子光电传感器 ............................................. 23

4.1.1光电传感器SIMATIC PXO100 M18S ............................ 23

4.1.2.光电传感器SIMATIC PXO200 C40 ............................ 24

4.2 西门子逻辑控制器 ............................................. 24

4.2.1. SIMATIC S7-200 CN系列 .................................. 25

4.2.2. SIMATIC S7-300 CN系列 .................................. 26

第五章 太阳光电跟踪控制系统应用 ....................................................................... 27

5.1 太阳光电跟踪控制系统组成 ..................................... 27

5.1.1 视日运动轨迹跟踪 ......................................... 28

5.1.2光电跟踪 ................................................. 28

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ii 目录

5.1.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 ........................ 29

5.2 太阳跟踪控制系统的传感器 .................................... 30

5.2.1.跟踪控制系统部件选择 .................................... 30

5.2.2.传感器原理与跟踪可行性分析 .............................. 31

5.2.3 太阳跟踪系统配置与设计 .................................. 33

第六章 总结 ................................................................................................................ 37

致谢 .............................................................................................................................. 39

参考文献 ...................................................................................................................... 41

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第一章 光电控制系统的组成 1

第一章 光电控制系统的组成

进入21世纪以来，光电控制技术正在迅速取代常规电气控制技术，从而在动

控制、工程监控系统等领域得到广泛的应用。光电传感器由于具有相应速度快，无接触，低耗能，体积小，安装简便等优点而被广泛用于自动化系统；可编程控制器由于编程方便，适应性强，抗干扰，可进行网络通信等，已经奠定了在控制系统应用中的主导地位，随着控制技术的发展和更新，了解和掌握光电控制技术与系统的原理，结构和应用是非常必要的。

1.1 光电控制系统概况

在光电生产和工程应用过程中，常对产品、部件或对象进行检测与控制。检

测与控制的条件通常可以是产品的处理装置、部件运动的速度或对象的位移，有时也可能是对象的形状和特征等。例如，瓶装生产线的饮料加注控制。通常是根据饮料瓶的位置是否对准加注管口来进行控制的。在高速公路的监控工程中，常对车辆的速度、高度和重量进行监控。无论选择哪些变量进行监控。都可以采用光电控制系统来实现。由于光电传感器具有体积小，容易安装且测量精确度高，速度快和无接触的特点，可编程控制器具有数字控制与通信和抗干扰能力强的优点，使得光电控制技术被越来越广泛地应用。光电控制技术已经在航空航天工程、能源工程、机器人系统、生产流水线、制造过程、交通车辆控制、工程测量系统、安全监控系统中得到了广泛的应用。

光电控制系统的发展依赖于光电测试技术的发展和广泛应用。光电测试技术的反战与新型光源、新型光电器件、微电子技术、计算机技术的发展密不可分。自从1960年第一台红宝石激光器与氦-氖激光器问世以来，由于激光光源的单色性、方向性、相干性和稳定性极好，人们在很短时间内就研制出各种激光干涉仪、激光测距仪、激光准直仪、激光跟踪仪、激光雷达等，大大推动了光电测试技术的发展。自从1970年在贝尔实验室研制出第一个固体摄像器件（CCD）问世以来，由于CCD的小巧，坚固，低功耗，失真小，工作电压低，重量轻，抗震性好，动态范围大和光谱范围宽等特点，使视觉检测进入一个新的阶段，它不仅可以完成人的视觉触及区域的图像测量，而且使人眼无法涉及的红外波段和紫外波

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2 光电控制系统的设计分析

段的图像测量也变成了现实，从而把光学测量的主观性（靠人眼瞄准与测量）发展成为客观的光电图像测量。光导纤维从20世纪60年代问世以来，在传递图像和检测技术方面又发展出一个新的天地，光纤通信已经风靡全球，而光纤传感几乎可以测量各种物理量，尤其在一些强电磁干扰，危及人的生命安全的场合可以安全地工作，并且具有高精度、高速度、非接触测量等特点。可以说一个新的光源，一个新的光电器件的发明都大大推动了科学技术的发展。

近几十年来，工程领域的加工精度已达到0.1um或0.01um的水平，它对测

量技术提出了更高的要求，迫切需要开拓新的手段，因此先后出现了各种纳米测量显微镜，如1982年隧道显微镜问世，它用测量电荷密度的方法测量分子和原子级的微小尺寸，但它只能用于测量导体表面。1986年原子力显微镜研制成功，它用测量触针与被测物体之间的原子力和离子力的方法来测量微小尺寸，因此它可用于导体和非导体的测量，但它的缺点是针尖与样品接触容易使样品表面划伤。根据原子力显微镜的思路，利用被测表面的不同物理性质对受迫振动悬臂梁的影响，通过测量其共振频率的变化测量被测表面，相继开发出激光力显微镜、静电力显微镜等。这些仪器都可以达到纳米甚至亚纳米级的分辨力。它们的分辨力大都是用驱动探针的压电陶瓷的电压与位移关系得到的，但是压电陶瓷的滞后特性和蠕变使其测量结果并不可信。为了准确测出这些纳米尺度测量显微镜的精度，还必须溯源到光的波长上，因此迫切需要研制精度达到纳米甚至亚纳米级的干涉仪来实现纳米尺度的测量和标定，因而又相继出现了精度可达到0.1nm的激光外差干涉仪和精度可达到0.01nm的X光干涉仪。在纳米和亚纳米级的光电测量系统中，为保证系统的稳定可靠，对环境的要求是很高的，如环境温度不稳定、振动、光源波动的影响等，都会使纳米尺度的测量精度荡然无存。因此系统中机械传动或光学调节往往需要闭环控制，而机械支撑使用无间隙、无摩擦的柔性铰链是一个很好的办法。

微电子技术的问世，不仅使计算机技术突飞猛进，也使光电测量技术有了更

为广阔的应用空间。当前人们在生物、医学、航天、灵巧武器、数字通信等许多领域越来越多地要求微系统，因此微机电系统成为当前研究的一个热点。而微机电系统要求有微型测量装置，这样，微型光、机、电测试系统也就毫无疑问地成为了重要研究方向。科学技术的进步推动了光电测试技术的发展，而新型光电测试系统的出现无疑又给科学技术的发展注入了新鲜血液。因此，光电测试技术的

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第一章 光电控制系统的组成 3 发展趋势是：

●发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。

●发展小型的、快速的微型光、机、电测试系统。

●非接触、快速在线测量，以满足快速增长的商品经济的需要。

●向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。

●发展闭环控制的光电测试系统，实现光电测量与光电控制一体化。

●向人们无法触及的领域发展。

发展光电跟踪和光电扫描技术，如远距离的遥控、测试技术，激光制导，飞

行物自动跟踪，复杂形体自动扫描测量等。光电测试技术将光学技术与电子技术相结合，实现对各种量的测量，它具有如下特点：

1、高精度

光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。例如，用激光干涉法测

量长度的精度可达0.05um/m；光栅莫尔法条纹法测角可达到0.04’’；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。

2、高速度

光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，因而用光学的方

法获取和传递信息的速度是最快的。

3、远距离与大量程

光是最便于远距离传播的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电

跟踪、电视遥测等。

4、非接触测量

到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，

是各种测量方法中效率最高的一种。

5、寿命长

在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做的好，可以永久地使用。

6、强信息处理能力

光电测试技术具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用

光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化等。光电测试技术是现代科学，国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是机、光、电、计算机相结合的新技术，是最具有潜力的信息技术

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4 光电控制系统的设计分析

之一。

光电控制技术依赖于数字控制和数字通信技术的发展而发展。可编程逻辑控

制器的大量应用，嵌入式仪表数字控制器和计算机网络服务器的广泛应用，使控制器和控制系统能够处理复杂光电脉冲和数字信号，现场总线控制网络的数字通信技术，进一步实现了光电检测脉冲和大批量数字信号的传输。现场总线是应用在工业和工程现场，在嵌入式测量仪表与控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的网络系统。现场总线控制系统是具有开放链接和多点数字传输能力的底层控制网络。近几年来，它迅速在制造工业、流程工业、交通工程、建筑工程和民用与环境工程方面的自动化系统中实现了成功应用，并向更广阔的应用范围发展。现场总线技术把微控制器和通信控制器嵌入传统的测量控制仪表，这些仪表传感器可在本地进行传感器信号处理，而执行器有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线作为串行数据通信总线，把每个测量控制传感器、执行器、PLC和上级计算机连接成的网络系统，构成全分布式的网络控制系统。按现场总线通信协议，位于工业或工程现场的每个嵌入式传感器、测量仪表、控制设备、专用数据存储设备和远程监控计算机都通过一条现场总线在任意单元之间进行数据传输与信息交换，按实际应用需要实现不同地点、不同回路的自动控制系统。现场总线把单个分散的测量控制设备变成网络节点，由一条总线连接成可以相互交换信息，共同完成控制、优化和管理任务的控管一体化系统。现场总线使自动控制系统的结构大大简化，分散化的设备都具有通信能力和控制信息处理能力，提高了控制系统的可靠性和整体性能水平。因此，光电数字控制网络系统具有非接触精确测量，快速控制响应，高可靠性，高度集成，分散控制，信息处理能力强等优点，正在大量替代传统机械传感器和控制技术，随着社会经济发展和生产技术水平的提高而得到广泛的应用。

1.2 光电控制系统结构

光电控制系统是集测控对象、光电传感器检测、数字控制器、通信系统和控

制执行（驱动）机构于一体的综合测控系统，基本结构如图1-1所示。

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第一章 光电控制系统的组成 5

图1-1 光电控制系统基本结构图

光电开关是一种位置检测装置，通常分为发射器和接收器两部分。工作状态

下，发射器发出调制光，受到待检测物体的发射或阻断时，会造成接收器入射光强度的变化，从而引起输入电流的变化，经信号处理改变输出开关状态即可达到检测目的。光电开关属于无接触式位置传感器，其输入和输出之间没有电磁联系。相对于接触式测量，光电开关具有抗电磁干扰能力强和寿命长的优点。按照封装方式，光电开关可以分为自包含式、光纤式、远距离式；按扫描方式，光电开关可分为对射式、漫反射式、镜反射式、槽式、光纤式和远距式。光电开关早期主要在工业自动化中用于检测物体是否存在，近年来应用范围扩大到物位检测、液位控制、宽度判别、孔洞识别、安全警戒、远程供电、信息传递等。先进制造技术的广泛应用对光电开关的性能提出了新的要求，主要是检测距离远，精度高，抗干扰能力强且成本低。

1、光源

光电开关最早使用白炽灯作为光源，后采用LED。LED为非相干性光源，照

射到10~20m处时，光斑直径大到20cm以上，能量已经非常分散，故现在倾向于采用激光作为光源。激光的能量非常集中，投射到500m外，光斑直径只有100mm。使用激光作为光源的开关除了具有一般光电开关的功能外，还有以下特点。

（1）检测距离可达数千米。

可实现高精度定位控制和高速运动微小目标的检测。

有多种波长的激光可以使用，适应不同的工作要求。当前使用的激光二极管体积、阈值电流和工作电流越来越小，已经进入实际应用阶段。国外的西门子，欧姆龙等公司已有成熟的系列产品。

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6 光电控制系统的设计分析

（2）集成度

目前，光电开关倾向于采用专用集成电路（ASIC）以提高集成度。采用ASIC

的光电开关反应速度快，可达到10kHz，抗冲击和振动能力强，符合EMC标准，并能满足小型化，低成本和规模化生产的要求。但光电开关的维护，参数设置仍然需要手动进行，一旦更换，还要重新手动设置、校准。因而光电开关通常安装在易于操作的位置，但却不是最佳位置，且安装空间不能太小，这就制约了机器结构、外形、体积的最优化设计。现场总线（Field bus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要用来解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备和高级控制系统之间的信息传递问题，代表了工业控制中信息传递和交换的趋势。现场总线的发展要求光电开关能够远程非手动控制，传统光电开关无法满足这一要求。传统光电开关不能直接应用于现场总线，必须通过AS-I等接口或者I/O模块等接入现场总线。控制系统只能单纯地了解光电开关的状态信息，不能对光电开关进行参数配置、故障诊断等。如果光电开关改进成全电子器件，就可通过一个HUB直接应用于现场总线，如图1-2所示，与控制系统双向通信，并通过远程控制室实现观察与联系，可以操作交换数据、设置参数等，从而使光电开关的安装、调试、运行和维护更利于进行。

图1-2 接入总线的传感器

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第一章 光电控制系统的组成 7

1.3 光电控制系统功能

如图1-3所示，是一台自动堆垛机光电系统，利用它向有许多格子的货架堆

放物品。光电开关的作用是，当格子为空时，光路不会被物体阻碍，接收器接收不到物体反射的光信号，自动堆垛机向格子内堆放物品。如果接收器收到物体反射的光信号，则堆垛机停止向货架格子堆放物品。

然而实际使用中存在两个问题：

（1）格子为空时，光电开关却认为格子中有物品

（2）当自动堆垛机需要处理形状，体积差异很大的物品时，每一次都要对光

电开关进行参数的手工修改校准，浪费时间。

图1-3 自动堆垛机光电系统

研究发现，建造货架时不同的供货商会提供不同的货架材料，如电镀刚或其

他类型的金属。光可能以不同的角度漫反射，导致光电开关错误的工作。针对这

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8 光电控制系统的设计分析

个问题，可以用信息型光电开关的可调背景遮蔽功能替代原有产品，所有检测范围外的高反射率金属器件都被电子屏蔽，这样就消除了可能导致误操作的因素。同时，若检测物体体积和尺寸发生变化，可在线配置参数和调准，减少了机器的停工时间，从而有效解决了这个问题。信息型光电开关还可用于晶片清洗，无需将清洗液晾干后再进行调节，因而节省了大量的时间和资源。

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第二章 光电控制传感器 9

第二章 光电控制传感器

光电控制传感器采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的光变化转变为

信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换为电信号。光点检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且外界对它的干扰非常小。控制系统可选用对射式光电传感器、镜面反射型光电传感器作为通道进入检测传感器。

2.1 物体检测传感器

光电传感器的选择除了要考虑检测对象的性质之外，还要考虑传感器的安装

位置与被检测产品之间的关系。例如，安装在生产线一侧的光电传感器可以考虑对射型的或镜面反射型的；若光电传感器从生产线上方安装而生产线不能透光，考虑采用产品反射型的光电传感器；如果光电传感器不处于检测产品的位置，而是用于产品加工或处理参数，如产品尺寸，可考虑采用位移、测距、速度或者透光型尺寸测量传感器。

如图2-1，对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器

和接收器。发射器发射的光束来源于发光二极管。接收器由光学器件、光敏元件、处理电路等组成。

图2-1 对射式光电开关

发射器发出的光束经光路进入接收器。当光路中没有障碍物时，接收器的光

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10 光电控制系统的设计分析

敏元件（如广电三极管）能够接收到光，光敏元件处于导通状态，经后面的处理电路处理，输出一种状态（如继电器节点闭合）。

当光路中有障碍物时，在障碍物的尺寸大于接收器的直径时，接收器的光敏

元件不能够接收到光，光敏元件处于截止状态，经过后面的处理电路处理，输出另一种状态（如继电器节点断开）。

发射器发出的光是经过调制的，经过调制的LED发射器发射一定频率的红外

光，接收器的放大器只对该频率的信号响应，这样就有效地排除了背景光等干扰因素。

2.2 位置检测传感器

运动的限位可以通过光电接近开关和霍尔开关来控制，通过它们保证物体移

动到位后自动停止。

如图2-2，漫反射型光电接近开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器。

当漫反射型光电开关传感器发射光速时，使目标产生漫反射。当在有效距离范围内有被检测物体时，发射器发射的足够量的光线被反射到接收器，传输器输出一种状态（如继电器节点断开）；当在有效距离范围内没有被检测物体时，没有光线漫反射到接收器，传感器则输出另一种状态（如继电器节点闭合）。

图2-2 漫反射型光电开关