4.1.3 供料单元电气控制线路连接与调试
1.任务引入
本任务主要是了解相关传感器在智能生产线中的实际使用和调节方法，完成供料单元传感器检测部件的安装和调整，分配系统输入/输出信号，并进行传感器、电磁阀、按钮/指示灯等的电气连接与调试。
2.任务目标
1）知识目标
了解相关传感器在智能生产线中的实际使用和调节方法。
2）技能目标
按照电气连接工艺要求完成供料单元传感器检测部件的安装和调整。
3）素养目标
3.任务分析
供料单元的电气连接工艺要求如下。
1）电气接线工艺规范
根据绘制的电气原理图进行接线，接线之前首先确保设备电源已经断开，放置好要用的工具，预先制作好长度适中的导线，所有导线的两端都要装上冷压端子，且要压接牢靠，不掉头。接线时要遵循一定的原则，应符合国家职业标准的规定，每一端子连接的导线不超过两根，不要交叉连接。
一般传感器的引出线有0.5 m、2 m、3 m、5 m等，长度一般都足够，无须剪短，为了便于区分，把装上冷压端子的所有元器件的引出线整理好。
如果条件允许，接到端子排的所有导线应套上号码管，号码管长度和方向一致，在号码管上标上编号，要求字迹清晰、规范，容易识别，如果字迹潦草或不编号、不套号码管，则很容易出错。
2）电气元件与PLC的连接方式
传感器、电磁阀与PLC的接线原理如图4-9所示。使用的传感器均为NPN型，PLC采用漏型输入接法，如果传感器为PNP型，则采用源型输入接法。电感传感器的接线方式与光电传感器一样。光电传感器和电感传感器有3根引出线，分别为褐色、黑色和蓝色，褐色接+24 V，蓝色接0 V和PLC的公共端（COM0），黑色接PLC的输入端（X）。磁性开关是二线制，有2根引出线，分别为褐色和蓝色，褐色接PLC的输入端（X），蓝色接PLC的公共端（COM0）。电磁阀的1脚接PLC的输出端（Y），2脚接0 V，PLC输出端的COM1接+24 V。由于使用的是继电器输出型PLC，输出电路的接线也可以是：电磁阀的1脚接+24 V，2脚接PLC的输出端（Y），而此时PLC的公共端COM0则必须接0 V。
4.相关知识
生产线设备上的所有工作单元的电气控制都是集成形式，主要包括：PLC、开关电源、PLC侧的接线端子排和按钮/指示灯控制模块。PLC使用的是三菱公司的FX3U系列PLC，其为继电器输出型。
PLC作为各工作单元控制系统中的核心器件，输入信号包括：按钮指示灯模块上的按钮、开关和急停信号，还有设备上的传感器信号。输出控制信号包括按钮指示灯模块上黄、绿、红三色指示灯信号和设备上的电磁阀信号。
图4-9 传感器、电磁阀与PLC的接线原理
传感器的电源和信号都是连接到装置侧的接线排上，然后通过25针电缆连接到PLC侧的接线端子排上实现与PLC的通信，所用的传感器应该采用电缆连接方式，安装在相应的传感器支架上。
1）供料单元的电气元件
各类传感器的使用场合在前面章节中已经介绍过，这里不再赘述，只介绍供料单元使用的传感器。
（1）工件检测。
工件检测传感器主要包括料仓的物料状态检测传感器、料台有无物料的检测传感器和工件材质的检测传感器。这里使用的都是漫射式光电传感器。光电传感器有NPN和PNP型两种，都是利用三极管的导通和截止输出“1”和“0”两个信号。如果是NPN型，当有输出时，信号线与0 V接通；如果是PNP型，当有输出时，信号线与VCC接通。光电传感器的电源这里提供的是直流24 V左右，也就是VCC为+24 V，选用的传感器的输出类型要与PLC一致，因此，若PLC的输入电路采用漏型接法，应选择NPN型传感器；若PLC的输入电路为源型接法，则应选择PNP型传感器。这里以漏型输入电路接法为例。
①料仓工件检测。
在供料单元中，料仓工件检测只需检测工件存在与否，考虑到检测距离的限制（被测工件距离传感器25 mm左右）和料仓的透明材质，可以使用灵敏度不是很高的可见光区的距离可调式漫射式光电传感器，其只可检测非透明物体。这里使用的传感器是细小光点放大器内置型光电传感器，如SUNX公司的CX-441型和OMRON公司的E3Z-LS61型，这两种传感器不仅性能相似，外形结构也很相似，都有稳定工作指示灯（绿色）、动作指示灯（橙色）、距离设定旋钮（5回转调节器）及遮光动作（D）和受光动作（L）的切换开关。
②动作方式选择。
在传感器的操作面板上可以选择受光动作或遮光动作模式，即当切换开关按顺时针方向充分旋转时（L侧），则进入检测“-ON”模式；当切换开关按逆时针方向充分旋转时（D侧），则进入检测“-OFF”模式。
③距离设定方法。
距离设定旋钮是5回转调节器，调整距离时应注意逐步轻微旋转，否则若充分旋转调节器会空转。调整的方法是，首先按逆时针方向将调节器充分旋到最小检测距离（E3Z-L61设定到min，约20 mm；CX-441设定到near，约2 mm），然后根据要求距离放置检测物体，按顺时针方向逐步旋转调节器，找到传感器进入检测条件的点；拉开检测物体距离，按顺时针方向进一步旋转调节器，找到传感器再次进入检测状态，一旦进入检测状态，即向后旋转调节器直到传感器回到非检测状态的点。两点之间的中点为稳定检测物体的最佳位置，如图4-10所示。
图4-10 光电传感器检测距离调节示意
（2）物料台工件检测。
物料台通过挡块固定位置，物料台中间有一个空心圆，用来感应物料台上是否有工件，传感器安装在物料台的下面，工作时向上发出光线。因此，用来检测物料台上有无工件的光电传感器使用一个圆柱形漫射式光电传感器，光线透过小孔检测是否有工件存在。
2）金属工件检测
金属工件的材质判别一般使用电感传感器。在选用和安装电感传感器时，除了要考虑工作电源和输出类型以外，还要认真考虑检测距离、设定距离，保证其在生产线上动作可靠。
电感传感器的检测距离一般很小，如上述两种型号的传感器的检测距离只有4 mm，因此，在安装电感传感器时一定要注意安装距离，其安装距离注意说明如图4-11所示。
图4-11 电感传感器安装距离注意说明
（a）检测距离；（b）设定距离
3）气缸状态检测
气缸状态检测一般使用磁性开关，磁性开关分为有触点式和无触点式。有触点式磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件，因此又叫作干簧管磁性开关，在开关内部还集成了动作指示灯、过电压保护电路。内置磁环的气缸一般常选用有触点式磁性开关，即干簧管磁性开关。
（1）磁性开关的工作原理。
通常内置磁环的气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。气缸运动时磁环跟随气缸杆一起动作，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。而安装在气缸外侧的磁性开关则在该磁场的作用下动作，从而确定气缸活塞的位置，即检测活塞的运动行程。
当气缸中随活塞移动的磁环靠近磁性开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开磁性开关后，簧片失磁，触点断开。触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断气缸的运动状态或活塞杆所处的位置。
用磁性开关来检测活塞的位置，从设计、安装到调试等都比较方便，磁性开关的触点电阻小，一般为50～200 mΩ，响应速度快，
其动作时间为1.2 ms，通用型磁性开关能检测的活塞运行速度在500 mm/s以内，磁性开关的过载能力较差，只适合低压电路。
（2）磁性开关的选择。
选择磁性开关时，根据使用的气缸品牌和型号，通常选用相同品牌的磁性开关，供料单元的推料气缸和顶料气缸是SMC公司的迷你型笔形气缸。SMC公司的磁性开关有两种，一种是D系列通用型的二线制磁性开关，有无触点式和有触点式两种可供选择；另一种是D-K系列带微调的磁性开关。这里使用通用型即可。在选择磁性开关时，还应注意以下几点。
①气缸的型号（如CJ2、CA2等）；
②负载电压（直流24 V、交流200 V等）；
③线制（二线制、三线制）；(https://www.daowen.com)
④适合负载（继电器、PLC、集成电路）；
⑤安装形式（直接安装、轨道安装、环带安装、拉杆安装）。
根据需要先从有触点式或无触点式开始选择，可以省略很多步骤，因为有触点式磁性开关多为二线制。根据其他条件进行选择，例如，CJ2系列气缸要选择合适的磁性开关，第一，找到适合CJ2系列气缸的环带安装方式的磁性开关的型号：D-C73、D-A73、D-A76H、D-C76、D-A72、D-A73C。这样的安装方式还要考虑到气缸的缸径，即BM2-020、BM2-025、BM2-040，代表缸径分别为20 mm、25 mm、40 mm。还有就是线长，无记号表示0.5 m，L表示3 m，Z表示5 m。第二，考虑负载电压，要求为直流24 V，可以确定为D-C73、D-A73、D-A76H、D-A73C。第三，要求用PLC，选择适合PLC的磁性开关，则为D-C73、D-A73、D-A76H、D-A73C。这里选用的是D-C73型号的磁性开关，其实物和内部电路如图4-12所示。
（3）磁性开关的安装。
磁性开关的安装方式常见的有环带安装、导轨安装、直接安装和拉杆安装。磁性开关可以安装在行程末端，也可以安装在行程中间的任意位置上。当将磁性开关安装在行程末端时，为了保证将磁性开关安装在最高灵敏度位置，不同气缸的样本上都已经标出离侧端盖和无杆侧端盖的距离。YL-33 B设备上的磁性开关都是安装在行程末端。
图4-12 D-C73型号的磁性开关实物和内部电路
（a）实物；（b）内部电路
不同安装方式的安装过程如下。
①环带安装。
先将固定环带安装到气缸上，在环带内侧有一层胶抗滑层；然后将磁性开关用螺钉固定到环带上，通过螺钉将磁性开关锁紧在外侧的正确位置上，此固定方法安全，但紧固力不能过大，以防止拉长环带反而不能固定，甚至拉断环带。安装环带时不要倾斜，否则环带受冲击返回至正常位置时便会松动。首次安装时，可先不拧紧螺钉，待位置调整好后再固定。
②导轨安装。
磁性开关壳体上有一带孔的夹片，导轨中有一可滑动的安装螺母，将安装螺钉穿过夹片孔，对准安装螺母拧紧，则开关便紧固在导轨上。这种安装方式通常用于中小型气缸及带安装平面的气缸。
③直接安装。
直接安装即将磁性开关插入导轨槽，用止动螺钉固定，或通过安装件用止动螺钉固定。
④拉杆安装。
磁性开关壳体上有带孔夹片或带孔凸缘。安装时先将安装件用止动螺钉固定在拉杆上，再将磁性开关固定在安装件上。
供料单元气缸上的磁性开关多采用环带安装方式。安装了磁性开关的气缸如图4-13所示。调整磁性开关位置的方法是：松开它的止动螺钉，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧止动螺钉。
图4-13 安装了磁性开关的气缸
（4）磁性开关的使用与维护。
磁性开关有蓝色和褐色两根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC的公共端，褐色引出线应连接到PLC的输入端。磁性开关不能直接接到电源上，必须串接负载，且负载绝不能短路，以免烧坏磁性开关。对于带指示灯的磁性开关，当电流超过最大电流时，发光二极管将损坏，若电流在规定范围以内，发光二极管的光会变暗或不亮。
磁性开关在运行过程中，要定期检查导线有无损伤，导线损伤会造成绝缘不良或导线断路。如果发现导线破损，应更换磁性开关或修复导线。
5.任务准备
1）清理安装平台
安装前，先确认安装平台己放置平衡，安装平台下的滚轮己锁紧，安装平台上的安装槽内没有遗留的螺母、小配件或其他杂物，然后用软毛刷将安装平台清扫干净。
2）准备器材和工具
整理并检测供料单元所需的传感器及配件，见表4-7。参考相关传感器的使用说明书，了解其功能和使用方法，并检查器材是否齐全，是否完好无损，如有损坏，应及时更换。清点好后，将其放置到合适的位置。供料单元电气连接所需的工具清单见表4-8。
表4-7 供料单元所需的传感器及配件清单
表4-8 供料单元电气连接所需的工具清单
续表
6.任务实施
1）供料单元传感器的安装
将传感器安装到需要检测的位置。安装传感器时，先将传感器安装到传感器支架上，然后将已安装有传感器的支架固定到设备的相应位置。
所有传感器安装好，待电气接线完成后，需上电调整传感器的灵敏度，保障检测信号正确，且能够传送到PLC上。
2）I/O地址分配
供料单元的装置侧信号主要有传感器和电磁阀，因此首先将元器件的引出线连接到装置侧边上的端子排上。PLC侧的电气控制部分，以PLC为核心，有按钮与指示灯的信号和端子排上连接的装置侧设备信号。装置侧与PLC侧的端子排之间是通过25针和15针的缆线实现机电分离的，以便于调试。根据供料单元的工作过程和信号分布，分配供料单元的I/O地址。
3）电气接线
PLC与传感器、电磁阀的信号传输是通过两边的端子排来实现的，设备侧端子排第一排对应PLC侧端子排第二排的左半边；装置侧端子排第二排与PLC侧端子排第一排反向一一对应；装置侧端子排第三排对应PLC侧端子排第二排的右半边。
（1）装置侧的传感器接线。
将三线制的传感器褐色引出线接装置侧端子排第一排，黑色引出线接端子排第二排，蓝色引出线接端子排第三排。二线制的磁性开关，则只需将褐色引出线连接端子排的中间，蓝色引出线连接第三排。所有传感器的接线要一一对应，不要交叉接线，接信号线时从左往右连接。
（2）装置侧的电磁阀接线。
电磁阀的红色引出线连接到输出端子排第一排，蓝色引出线连接到端子排的。
所有元器件连接时以元器件为单位，从端子排的一端开始顺序连接，不用跳格。PLC侧的端子排接信号线时则需从右往左一一连接到PLC的输入端，这样才能和装置侧信号保持一一对应。端子排的电源接线，只需将开关电源的直流24 V经过熔断器后连接到PLC侧端子排第二排，分别是左半边接+24 V，右半边接0 V和PLC的输入端。连接时，尽量从两侧开始使用，以免中间有空点，导致电源不能正常送到设备上。其他如按钮、指示灯，按照电路图连接即可。
4）电路调试
电气线路连接好后，插上连接电缆，接通装置侧和PLC侧的信号，然后接通供料单元PLC和供料单元开关电源模块的电源，进行设备调试。调试时，遵循安全原则，不带电插拔、修改线路，正确使用万用表。
输入回路检测好后，利用GX软件的监控功能，输出控制信号，查看相应的元器件是否动作，如果不动作，则需检查输出回路并核对I/O地址表，直到I/O回路全部检测正确、所有元器件功能全部合理后，将所有导线整理好塞入线槽。设备上的元器件引出线需要进行绑扎，绑扎间距与绑扎带的剪切要求和绑扎气管时要求一致。设备上的走线要紧贴设备，且不影响设备的运行。整理好后，盖上线槽盖，注意线槽盖不要翘起。
注意：一定要在指导教师检查无误后方可通电检查、调试，通电后，一旦发现任何问题，应立即切断电源。需要检查电路时，要选择合适的万用表挡位。
7.任务评价
任务评价见表4-9。
表4-9 任务评价
