施南
南京地铁运营有限责任公司 江苏南京 210012
摘要：接近开关是一种无需与运动物体直接接触就可以动作的位置开关，当物体运行至接近开关的感应区域内，不需要机械接触或施加任何压力即可使开关动作，给控制装置（PLC）提供信号从而驱动执行机构。本文介绍了接近开关的工作原理和接线方式，并对接近开关在地铁列车清洗机中的具体应用进行探讨研究。
关键词：地铁、列车清洗机、接近开关、检测
地铁列车清洗机主要用于地铁车辆的车体外表面的清洗。这套设备在洗车线上通过各个刷组自动对列车两侧（包括车门和窗户）、车头及车尾进行洗刷的作业方式，清除车辆外表面的灰尘、油污和其他污垢。
1. 列车清洗机的工作流程
图1 结构示意图
列车通过入库光电G01后，系统启动自动清洗程序，喷淋装置G03G04工作喷水，侧刷洗G05G06工位刷组推出、旋转，列车到达前端洗G07工位后，进行前端洗。前端洗结束后，侧刷洗G11至G14工位刷组推出旋转，各喷淋工位工作喷水。当车尾到达后端洗G09工位时进行后端洗，后端洗结束后，列车继续前进，各侧刷组工位经断电延时相继复位，停止旋转。车尾通过出库光电G18后，自动洗车结束,出库端信号灯变绿，通知列车司机出库。
2. 接近开关的工作原理
接近开关是代替限位开关等接触式检测方式，以无须接触检测对象进行检测为目的的传感器总称。它将检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号，在自动控制系统中可用于限位、定位、计数、测速和自动保护等环节。
按照工作原理的不同，一般可将接近开关分为以下几种常见的类型：
1）电感式接近开关，它由振荡器、开关电路和放大输出电路三大部分组成。振荡器产生一个交变磁场，当有金属物体靠近感应区域时，金属物体内部产生涡流，从而导致震荡衰减，以至停振。振荡的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式的检测目的。检测的物体必须是金属物体。
2）电容式接近开关，此接近开关的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是被测物体的本身。当物体移向接近开关时，物体和接近开关之间的介电常数发生变化，开关内部的电路状态也随之发生变化，由此控制接近开关的通断。检测对象不限于导体，可以是绝缘的固体、液体或粉状物等。
3）霍尔接近开关，它是利用霍尔元件做成的开关。当磁性物体接近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件产生霍尔效应，因而使开关内部电路状态发生变化，由此控制开关的通断。检测对象必须是磁性物体。
4）光电接近开关，通过把光强度信号的变化转换成电信号的变化来实现控制。它一般由发送器、接收器和检测电路三部分组成。当有检测物体接近时，光电接收器接收到反射光后便有信号输出，由此来检测被测物体。检测物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。
此外，还有利用多普勒效应制成的超声波接近开关、微波接近开关，利用温度变化制成的热释电式接近开关等等。
3. 接近开关的接线方式
接近开关有两线、三线和四线之分。两线根据工作电源的不同分为交流型和直流型。三线根据输出晶体管的不同分为NPN型和PNP型，工作电源一般为直流24V。四线是在三线的基础上增加一个常闭信号端口(白色线)。
两线的接法为接近开关串联负载直接接电源，直流电源情况下需注意红黑线分别接正负极，交流电源不用。对于三线和四线，棕色线接电源正极，蓝色线接负极，黑线和白线接负载。负载可以是继电器线圈、信号灯或是PLC的数字输入端。接负载时，对于NPN型接近开关，由于导通时信号端输出的是低电平，所以负载的另一端应接到电源的正极，这样开关导通时负载两端有电压，才能正常工作。如果是PNP型接近开关则相反，负载的另一端要接电源负极。
在数量不多的情况下，可以将接近开关直接接到PLC的输入模块，但要特别注意接近开关型号的选择。对于漏型PLC（如三菱），公共输入端为电源负极，电流从输入模块流出，此时一定要选用NPN型开关；对于源型PLC（如西门子），公共输入端为电源正极，电流流入输入模块，此时一定要选用PNP型开关。
两线和三线的接线方式如下图所示：
图2 接近开关接线图
4.接近开关在地铁列车清洗机中的应用
4.1 接近开关的选型
两线制接近开关的信号线和电源线是一起的，容易受电源杂波干扰，且与负载串联使用，导通时开关本身产生一定的压降，截止时又有一定的剩余电流流过，选用时应多方面考虑。
三线制接近开关多了一根电源零线，电流产生的磁场相互抵消，抗干扰能力强，而且不受剩余电流和压降之类不利因素的困扰，因此工作更为稳定可靠。实际中一般常用NPN型的接近开关，即高电平为有效状态，PNP型接近开关则较少使用。
根据以上特点以及工作用途的不同，本设备选用光电式(型号E3Z-T61)和电感式（E2G系列）三线NPN型接近开关。具体型号和参数如下：
表1. 接近开关型号和参数
4.2 接近开关的组成
光电式接近开关共有8对，分别用来检测列车进库、出库和前后端洗的位置，以及检测列车自动清洗时的速度。
进库光电开关用来检测列车车头进库，控制自动洗车的开始；出库光电开关检测列车车尾出库，控制自动洗车的结束；前后端洗光电开关控制列车前后端洗的自动开始。
测速光电开关安装于进库和出库信号柱的底部，各有2对。当列车经过2个相邻的光电信号柱时，车轮会遮挡住光电开关，光电开关于是发生动作给控制系统发出信号。控制系统根据接收到的时间间隔与2对光电开关之间的距离，计算出列车当前的行驶速度，并将此速度信息显示在控制台的数字显示表上。洗车速度应保持在3-5公里每小时，以达到最佳的清洗效果。
电感式接近开关共有54个，用于检测侧面刷组和端洗刷组的位置。侧面刷组用来清洗列车侧面，共有6组，每组分左右两侧，单侧有2个接近开关，用以检测刷组处于休息位置还是工作位置。接近开关将位置信息发送给控制系统，进而控制刷组的推出、复位和旋转。
端洗刷组用来清洗列车车头和车尾，可以上下、左右行走，使用接近开关作限位、定位和计数作用。计数接近开关用来对行走电机计数，控制端洗时行走电机的走行距离。单侧端刷有15个接近开关。
各工位的位置信息通过接近开关存入PLC中，可以在监控组态画面上看到实时状态。当某工位发生故障不工作时，通过监控画面可以迅速判断出故障位置。
4.3 接近开关在PLC控制系统的外部接线图
电控系统中，接近开关的电源采用外部供电的方式（直流24V），负载都是额定电流为37.5mA的中间继电器线圈（型号MY2N-J），继电器的常开点再接进PLC的数字量输入端口。当接近开关动作时，中间继电器线圈得电，其常开辅助触点闭合，PLC的输入端便得到信号，从而执行程序输出。具体接线如下图所示（接线图一致，选右横刷水平起点和终点作为示例），
图3 接近开关与PLC的连接
5. 结束语
接近开关在地铁列车清洗机中起到了限位、测速、计数、组态监控、安全保护等作用。接近开关性能稳定，频率响应快，动作可靠，抗干扰能力强，使用寿命长，并具有防水、防震、耐腐蚀等特点，因此在机床、轻纺、化工、冶金和印刷等行业得到广泛地应用。
参考文献：
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论文作者:施南
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/29
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