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第22章 物流自动化相关电气控制技术(2)

CCD图像传感器在物流领域的使用范围十分广泛。首先,CCD图像传感器是CCD条码扫描器的核心部件。条码扫描器能够精确识别条码标签上“条”和“空”相间的图像信息,然后将其转变为相应的电信号,以实现条码的正确识别。条码扫描器分为光笔、CCD扫描器、激光扫描器三种。CCD扫描器是利用光电耦合(CCD)原理,先对条码印刷图案进行成像,然后再译码。它的优势是无转轴、无马达、使用寿命长、价格便宜。选择CCD扫描器时,最重要的是两个参数。一是景深,由于CCD的成像原理类似于照相机,如果要加大景深,则相应地要加大透镜,从而使CCD体积过大,不便操作。优秀的CCD应无须紧贴条码即可识读,而且体积适中,操作舒适。二是分辨率,如果要提高CCD分辨率,必须增加成像处光敏元件的单位元素。低价CCD一般是5像素(pixel),识读EAN、UPC等商业码已经足够,对于别的码制识读就会困难一些。中档CCD以1024像素为多,有些甚至达到2048像素,能分辨最窄单位元素为0.1毫米的条码。

其次,使用线列阵CCD图像传感器可以测量物体的外观尺寸。在物流运作的某些领域,比如航空货运领域,货物的体积大小是物流运作中的重要因素。货物的计量和计价不仅取决于货物的重量,而且取决于货物的体积。在作业过程中,往往需要对货物体积进行快速的测量。使用CCD图像传感器可以在比较高的精度要求下实现货物尺寸测量。

3.3 低压控制电器

低压控制电器是一种根据外界的信号和要求,手动或自动地接通或断开电路,断续或连续地改变电路参数,以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节所采用的电气设备。低压电器一般在交流电压1500伏、直流电压1200伏以下工作。

低压控制电器的种类很多,物流自动化系统中可能用到的有接触器、继电器、熔断器、断路器、主令电器等。

3.3.1 接触器

接触器是用来接通或切断电动机或其他负载主电路的一种控制器。通常分为交流接触器与直流接触器。接触器的基本参数有主触点的额定电流、主触点允许切断电流、触点数、线圈电压、操作频率、动作时间、机械寿命和电寿命等。

现代生产的接触器,其额定电流最大可达2500安,允许接通次数为150~1500次/小时,电寿命为50~100万次,机械寿命为500~1000万次。

一般接触器都由下列几个部分组成:电磁机构、主触点和灭弧装置、辅助触点、释放弹簧机构或缓冲装置、支架与底座。现就其主要部分介绍如下。

触点用来接通或断开被控制的电路,它的结构形式很多,按其接触形式可分为三种:点接触、线接触和面接触。点接触的触点由两个半球形触点或一个半球形与一个平面形触点构成。它常用于小电流的电器中,如接触器的辅助触点或继电器触点。线接触指两个带弧面的矩形触点相接触,它的接触区域是一条直线。触点在通断过程中是滚动接触,这样可以自动清除触点表面的氧化膜,而且长期工作的位置不是在易烧灼的接触点,从而保证了触点的良好接触。这种滚动线接触多用于中等容量的触点,如接触器的主触点。面接触指两个平面触点相接触,它可允许通过较大的电流。这种触点一般在接触表面上镶有合金,以减小触点接触电阻和提高耐磨性,多用作较大容量接触器的主触点。

由于触点表面的不平与氧化层的存在,两个触点的接触处有一定的电阻。为了减小此接触电阻,需在触点间加一定压力。当动触点与静触点接触时,由于安装时弹簧被预先压缩了一段,因而产生一个初压力。触点闭合后由于弹簧在超行程内继续变形而产生一个终压力。弹簧压缩的距离称为触点的超行程,即从静、动触点开始接触到触点压紧,整个触点系统向前压紧的距离。有了超行程,在触点磨损情况下,仍具有一定压力。磨损严重时应予更换。

接触器触点切断电路时,当电路中电压超过10~12伏、电流超过80~100毫安时,在拉开的两个触点之间将出现强烈火花,这实际上是一种气体放电现象,通常称为“电弧”。电弧对于设备磨损和生产安全是一个较大的威胁,应当尽量避免。

根据上述电弧产生的物理过程可知,欲使电弧熄灭,应设法降低电弧温度和电场强度,以加强消电离作用,当电离速度低于消电离速度时,则电弧熄灭。常用的灭弧装置有磁吹式灭弧装置、灭弧栅、灭弧罩和多断电灭弧等。

电磁机构是接触器的主要组成部分之一,它将电磁能转换成机械能,带动触点使之闭合或断开。电磁机构由吸引线圈和磁路两部分组成。磁路包括铁心、衔铁、铁轭和空气隙。电磁机构按衔铁的运动方式可分为衔铁绕棱角转动、衔铁绕轴转动、衔铁直线运动三种;按磁系统形状可分为U形和E形;按线圈的连结方式可分为并联(电压线圈)和串联(电流线圈)两种;按吸引线圈的种类可分为直流线圈和交流线圈两种。

电磁机构的工作情况常用吸力特性与反力特性来表征。电磁机构的吸力与气隙的关系曲线称为吸力特性。它随着磁电流种类(交流或直流)、线圈连结方式(串联或并联)的不同而有所差异。电磁机构转动部分的静阻力与气隙的关系曲线称为反力特性。阻力的大小与作用弹簧、摩擦阻力以及衔铁重量有关。

接触器有交流接触器和直流接触器两种,以交流接触器最为普遍。我国生产的交流接触器系列较多,常用的交流接触器有CJ12、CJ20等,近年来从德国引进的产品中,西门子公司的3TB系列和CJX1系列应用广泛。3TB型产品技术经济指标优越,结构紧凑、机械寿命和电气寿命长、外形尺寸小、安装方便,符合VDE、IEC标准要求。它与我国现有的交流接触器相比较,具有以下优点:额定工作电压可到600伏;可用于50~60赫兹的交流电路和直流电路,通用性强;产品规格齐全,便于经济合理选用;可提供多种标准和非标准电压线圈,便于用户选择;技术经济指标高、体积小、重量轻、能耗低、材料省、安装面积小、有多种附件供应、易于安装、能扩大使用功能;安装、接线、维修、使用均甚方便;安全可靠性高;等等。因此,目前国内应用比较广泛。

3.3.2 继电器

继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动控制电器。它与接触器不同,主要用于反应控制信号,其触点通常接在控制电路中。继电器的种类很多,分类的方法也很多,常用的分类方法有:按输入量的物理性质分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器、温度继电器等;按动作原理分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等;按动作时间分为快速继电器、延时继电器、一般继电器;按执行环节作用原理分为有触点继电器、无触点继电器;按用途分为电器控制系统用继电器、电力系统用继电器。这里主要介绍电器控制系统用的电磁式(电压、电流、中间)继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等。

1.电磁式继电器

常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器和时间继电器。中间继电器实际上也是一种电压继电器,只是它具有数量较多、容量较大的触点,起到中间放大(触点数量及容量)的作用。

电磁式继电器与接触器类似,也是由铁心、衔铁、线圈、释放弹簧和触点等部分组成。

电流继电器与电压继电器在结构上的区别主要是线圈不同。电流继电器的线圈与负载串联以反应负载电流,故它的线圈匝数少而导线粗,从而通过电流时的压降很小,不会影响负载电路的电流。因导线粗,即使电流大时仍可获得重要的磁动势;电压继电器的线圈与负载并联以反应负载电压,其线圈匝数多而导线细。

电流继电器与电压继电器根据其用途不同又可分为过电流(或过电压)继电器、欠电流(或欠电压)继电器。前者电流(或电压)超过规定值则铁心吸合,后者电流(或电压)低于规定值则铁心释放。

2.磁电式继电器

磁电式继电器的结构原理与磁电式仪表基本相同,所不同的只是在原指针式小杆上多加了一对触点。触点通常用白金或镍合金制成,接触压力很小,仅3~15毫牛。小杆是固定在活动线圈上的。因为永久磁铁在动圈之外,故也称外磁式。反之,若将永久磁铁放在动圈之内,则称为内磁式。

当动圈通入电流后,在永久磁铁的作用下,动圈将旋转。电流到达某值,动圈旋转到特定角度时,静动触点闭合,从而接通被控制的电路。当动圈中电流减小至某定值时,动圈在游丝弹簧的作用下返回,触点断开。电流减至零时,动圈恢复原位。当通入反向电流时,动圈反转,另一对静动触点接通。

因为触点接触压力很小,磁电式继电器所需的控制功率很小(仅0.1~2瓦左右),因而灵敏度高,几乎可与电子式继电器相比拟,其返回系数也很高,最高可达0.99,而且它能反映输入信号的极性,即能反映电流方向,故能作为极化继电器使用,但比极化继电器更灵敏。它还具有足够的稳定性,但可动部分不能承受冲击负载。

3.舌簧继电器

舌簧继电器包括干簧继电器、水银湿式舌簧继电器、铁氧体剩磁式舌簧继电器,通常泛指的舌簧继电器是指干簧继电器。干簧继电器的触点是密封的,舌簧片由铁镍合金(坡莫合金)做成,舌片的接触部分通常镀以贵金属,如金、铑、钯等,其接触良好,具有很好的导电性能。触点密封在充有氮气等惰性气体的玻璃管中与外界隔绝,因而有效地防止了尘埃的污染,减小了触点的电腐蚀,提高了工作可靠性。

当线圈通电后,管中两舌簧片的自由端分别被磁化成N极与S极而相互吸引,因而接通了被控制的电路。线圈断电后,舌簧片在本身的弹力作用下分开并复位,控制电路亦被切断。

舌(干)簧继电器的主要特点如下:

①吸合功率小,灵敏度高。一般舌簧继电器吸合与释放时间均在0.5~2毫秒以内,小型的甚至小于1毫秒,与电子电路的动作速度相近。

②由于触点密封,触点寿命长,一般可达108次左右。

③结构简单,体积小。

④价格低廉,维修方便。

舌(干)簧继电器由于有上述的优点,故可以方便地反映电压、电流、功率等各种物理量。由于它的“灵敏”与“小巧”,特别适用于晶体管电路,目前应用日趋广泛,在检测、通信、自动控制等许多领域中得到应用。不足之处是触点易冷焊粘住,过载能力低,触点开距小,耐压低,断开瞬间触点易抖动。

4.时间继电器

时间继电器是在敏感元件获得信号后,执行元件要延迟一段时间才动作的继电器。

这里指的延时区别于一般电磁继电器从线圈得到电信号到触点闭合的固有动作时间。

时间继电器种类很多,常用的有直流电磁式、空气阻尼式、电动机式、半导体式等各式时间继电器。

(1)直流电磁式时间继电器

这种继电器和直流电磁式电压继电器相比只是在铁心上增加了一个阻尼铜(铝)套。

由电磁感应定律可知,在继电器通断电过程中铜套内将产生涡流,它将阻止穿过铜(铝)套的磁通变化,因而对原吸合磁通起了阻尼作用。

当继电器吸合时,由于衔铁处于释放位置,气隙大、磁阻大、磁通小、铜(铝)套阻尼作用相对也小,因此铁心闭合时的延时不显着。而当继电器断电时磁通变化量大、铜套阻尼作用也大,因此这种继电器仅用作断电延时。相应的,其延时触点也只有常开触点延时打开、常闭触点延时闭合两种。

这种延时继电器的延时较短,JT系列最长不超过5秒,而且准确度较低,一般只用于要求不高的场合,如电动机的延时启动。影响延时准确度的原因,一是环境温度变化会影响铜(铝)套电阻值。解决的办法是铜套采用电阻值较低的电解铜制成,这样可以增大时间常数。同时将铜(铝)套和线圈分别套在不同铁心柱上,使它们离开一段距离以减少线圈发热对铜(铝)套的影响。二是易受电源电压波动的影响,当电压下降时,磁通减少、磁通变化量减少、铜(铝)套阻尼作用减小,其延时减小。通常在设计时,使铁心工作于饱和区,尽量减少这种影响。

(2)空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式时间继电器又称气囊式时间继电器。它的延时范围宽(0.4~180秒),可用作断电延时,也可以方便地改变电磁机构位置获得通电延时,因此可以用在常开触点延时断开、常闭触点延时闭合,或者常开触点延时闭合、常闭触点延时断开。上述各种触点形式被广泛地直接用在交流控制电路中。

(3)电动机式时间继电器

电动机式时间继电器延时范围很宽,可以由几秒到几小时,而且有通电延时和断电延时两种类型。其优点是准确度高,调节方便;缺点是结构复杂,价格较贵。其工作原理是:当继电器内的同步电动机通电后,通过减速齿轮带动动触点经一定延时与静触点闭合并送出信号。

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