本章要点
本章主要介绍物流自动化系统中常用的电器控制技术和接口技术。
首先介绍了物流自动化系统中常用的传感器的主要功能和性能，然后介绍了物流自动化系统中常用的低压电器和电机驱动装置，最后介绍了用于复杂物流自动化系统控制的PLC和嵌入式系统。
本章还介绍了一些物流自动化系统常用的电气接口和人机接口。
3.1 概述
物流自动化系统中的自动控制技术主要指对相关机械机构运动的控制。它包括两个概念：一个是运动控制，这是最基本、最简单的控制形式，包括对机械部分的定位、轨迹、速度、压力、角度等进行控制；另一个是逻辑控制，为了满足许多机电系统的复杂时序控制功能要求，通常是由开关控制电路按照一定的方式或次序组合起来实现的。
1.运动控制
电动机作为物流自动化系统中最重要的动力源和执行部件，实行开关式的控制是其最基本的控制形式，也是最简单的控制形式。物流自动化系统对电机的运行速度提出各种控制要求，有的系统需要精确传动和调速，有的系统需要精确控制电机旋转的角度位置。虽然在实际应用中更多的是直线位置的控制，但都是从电机的旋转运动转换而来的，所以其实质还是电机旋转的速度和角度的控制。于是就出现了速度控制系统和位置控制系统，它们的目的都是对机电系统的机械运动实行控制。所以，运动控制就是以电机与传动机构为控制对象，通过控制器和驱动装置，对机电系统的速度、加速度（转矩）、位置等运动量进行控制，以满足功能和性能的要求。因此，运动控制技术是物流自动化系统中控制技术的一大核心内容。
随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高要求，这就需要大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；进一步用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统的快速性、可靠性、经济性不断提高。
调速性能的不断提高促使直流调速系统被广泛应用。然而，由于直流电机具有电刷和换向器、制造工艺复杂且成本高、维护麻烦、使用环境受到限制等缺点，并且很难向高转速、高电压、大容量发展，因而逐渐显现出直流调速的弱点。
早就普遍应用于恒速运行场合的交流电机弥补了直流电机的不足，后因世界范围的能源短缺，人们又开始了新一轮的对交流调速的研究。仅对占传动总量1／3的风机、水泵设备而言，如果改恒速为调速的话，就可节电30%左右。近三四十年来，随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展，为交流调速产品的开发创造了有利的条件，使交流调速逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能，并实现了产品的系列化，从调速性能上完全可与直流调速系统相媲美。目前交流调速系统已占据主导地位。
运动控制的发展趋势有以下三点。
（1）高频化
在功率驱动装置中，低频的半控器件——晶闸管在中小功率范围将被高频的全控器件——大功率晶体管或IGBT所代替，这样既可以提高系统性能，又可以改善电网的功率因数。
（2）交流化
由于交流电机本身的优势，交流调速取代直流调速已成为一种不可逆转的趋势。随着交流调速系统成本的逐步降低，不仅现有的直流调速系统将被交流调速系统取代，而且大量原来恒速运行的交流传动系统将改为交流调速系统，原来直流调速所不能达到的高转速、大功率领域，也将采用交流调速系统。
（3）网络化
微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高，单机的控制系统越来越少，取而代之的是大规模的多机协同工作的高度自动化的复杂系统，这就需要通过计算机网络的支持，将传动设备及控制作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中的或分散的生产过程实时监控。
另外，借助于数字和网络技术，智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面，如模糊控制、神经网络控制、解耦控制等，各种观测器和辨识技术应用于运动控制系统中，大大地改善了控制系统的性能，为运动控制系统走向复杂的多层网络控制提供了可能。运动控制系统正在由简单的单机控制系统走向多机多种控制过程协调的系统集成阶段。
2.逻辑控制
逻辑控制的起源是从简单开关控制开始的，当初是通过手动开关直接控制电机的启、停，这样的控制方式称为手动开关控制。后来出现了自动控制器件，如继电器、接触器等，于是就可以实现自动开关控制。自动控制不仅能减轻操作人员的劳动强度、提高工作机械的生产率和产品质量，还可以实现手动控制难以完成的诸如远距离集中控制等。
然而，简单开关控制不能满足许多机电系统的复杂控制功能要求，往往需要把一些或许多简单开关控制电路结合起来，以达到实现复杂控制的功能要求。这种把简单开关控制电路按照一定的方式或次序组合起来，以实现某种控制作用的方式称为逻辑控制。
逻辑控制是以逻辑代数为理论基础的一种控制思想，它遵循一定的规律，可以有各种实现形式。按照次序实现的逻辑控制称为顺序逻辑控制，在实际应用中有两种典型的形式，一种是以时间为控制条件的时间顺序逻辑控制，另一种是以行程为控制条件的行程顺序逻辑控制。
值得注意的是，由于逻辑控制可以解决人们生产、生活中的许多控制问题，市场价值巨大。世界上许多大公司投入相当大的精力和财力，开发并推出了逻辑控制产品——可编程逻辑控制器（PLC），得到了普遍的推广应用。
物流自动化系统中常用的电气控制技术主要有常用传感器、低压控制电器、电动机驱动、可编程控制器、嵌入式系统和机电系统接口技术，我们将逐节简要介绍。
3.2 物流领域的常用传感器
传感器是一种能把特定的被测信号，按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件和装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制的要求。在我们的生活中，到处都在使用各种各样的传感器，比如冰箱、微波炉、空调等使用的温度传感器；煤气灶、热水器报警使用的气体传感器；照相机、摄像机等使用的光学传感器等。这些传感器的共同特点是利用各种物理、化学、生物效应实现对被测信号的测量。
物流自动化系统中的传感器主要被用于检测物流机械系统中的自身与作业对象、作业环境的状态，向控制器提供信息以决定系统的动作。传感器的精度、灵敏度和可靠性很大程度上决定了系统性能的好坏，因此它在物流自动化系统中占有非常重要的地位。
传统的常用传感器有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器等，但对于物流自动化系统而言一般并不适用。下面介绍几种广泛应用于物流自动化系统的新型传感器。
3.2.1 气敏和湿敏传感器
气敏和湿敏传感器主要用来检测特定环境下某些气体的含量或空气的湿度，往往应用在物流仓储和运输过程中。比如，烟草储运的过程中，对仓库的干燥通风具有较高的要求，一般需要通过一套配备了湿敏传感器的自动化系统来控制仓库的湿度。湿敏传感器能即时检测空气当中的湿度，当湿度高于特定的标准时，即启动空气干燥装置来去除空气中的水分，以防止烟草制品霉变。又比如，可以在仓库里安装烟雾气体传感器，一旦检测到超量的烟气，即启动消防装置。某些用于检测特定气体的气敏传感器还可以用来检测某些气体或液体是否泄漏。
这类传感器主要用于储运过程中的安全和环境保障，与物流运作的流程控制和决策没有直接的关系。下面介绍三种这个类型的传感器。
1.离子烟雾传感器
离子烟雾传感器是应用放射性同位素构成的火灾报警专用传感器，对空气中因起火产生的烟雾粉尘具有很高的敏感性。
离子烟雾传感器由两个电离室组成，外电离室与外界相通，内电离室是密封的。在普通情况下，内外电离室的空气成分基本相同，不会产生内外电离室的电压差。当空气中因火灾而产生的烟雾粉尘进入外电离室时，内外电离室的电压失去平衡，引起输出电信号的变化。
2.气敏式电阻传感器
气敏式电阻传感器是用于检测气体的浓度和成分的传感器，它能将某种气体的浓度和成分转换成相应的电阻值变化的传感器。它可以用于对特定气体进行监测、报警，以保证某些特定物资储运过程的安全，以便正常进行。
气敏电阻传感器的核心部分是气敏电阻，它是一种对气体特别敏感的半导体元件，主要成分一般是某些金属的氧化物，比如氧化锰、二氧化锡等。当气敏电阻接触到一些可燃气体的烟雾时，其表面的电荷会发生变化，导致输出信号随之改变。气敏电阻传感器主要用于检测和防范特定物资的火灾。
3.湿敏电阻式传感器
湿敏电阻式传感器主要用于测量环境中相对湿度变化的传感器。它的检测原理主要是利用水分子的偶极矩大，易吸附于固体表面并渗入固体内部的特性。当水分子渗透入湿敏电阻时，电阻的导电特性发生变化产生电信号，再经过放大电路形成输出信号。
湿敏电阻元件按其敏感层所用材料不同可以分为金属氧化陶瓷湿敏电阻、氯化锂湿敏电阻、碳酸钙湿敏电阻、氟化物湿敏电阻等。
3.2.2 光电式传感器
光电传感器是将光信号转换为电信号的器件。它可以广泛地用于物流系统中物料动作、位置和状态的检测。比如，在生产流水线上安装光电式的传感器，可以测量零配件、在制品或产品的作业数量，也可以在自动化仓库的货架和堆垛机上安装光电式传感器，以实现堆垛机的测址和寻址。
使用光电式传感器对物料进行监控必须经过两个步骤：一是将货物的状态的变化转化成光信号，二是将光信号转变成电信号。由于光电器件有速度快、可靠性高、精度高、非接触式、结构简单等特点，因此非常适合物流自动化系统的应用。
光电式传感器主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应，在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里面制成的。构成光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料。半导体的导电能力完全取决于半导体内载流子数量的多少。当光敏电阻受到光照时，半导体的导电性增强，电阻降低。光敏电阻具有灵敏度高、暗电流大、价格低廉的优点，主要使用在开关电路上，但其定量测量的能力比较差。
光敏二极管是将二极管的PN结构封装在透明管内接受光照的光电器件，当光照在二极管的PN结构上时，二极管的反向电流增加，以获得输出信号。光敏二极管具有灵敏度较高、频率特性好、光谱特性宽、稳定性好等特点。
光敏三极管类似于光敏二极管，将三极管的两个PN结安装在透明窗口内，当光线照射到PN结上时，光敏三极管产生类似的放大效应，电信号发生变化。光敏三极管由于具备放大效应，因此比光敏二极管灵敏度高许多倍，但其频率特性较差，光谱特性较窄。
光电池的工作原理是基于光生伏打效应，当光照射在光电池上时，可以直接输出电动势和光电流。光电池的种类很多，有硅、砷化镓、硒、锗、硫化镉等。光电池具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、耐高温、耐辐射和价格便宜等特点。
3.2.3 CCD图像传感器
图像传感器是利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为相应的电信号。图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，再转换成可用电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比，固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功率低、寿命长、价格低等特点。固态图像传感器是一种高度集成的光电传感器，在一个器件上可以完成光电信号转换、信息存储、传输和处理。固态图像传感器的核心是电荷转移器件，常用的电荷转移器件是CCD电荷耦合器件。
CCD图像传感器的基本原理是将很多微小的光敏元件按一定的方法摆列起来。当光敏元件阵列进行曝光后，光敏元件会产生电荷，在转移栅作用下将电荷耦合到各自对应的CCD移位寄存器中，然后光敏元件进入下一次光积分周期，同时在时钟作用下，从CCD移位寄存器中依次输出各位信息，形成需要的图形输出信号。
