PLC控制的自动化立体仓库毕业设计报告.docx

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PLC控制的自动化立体仓库毕业设计报告

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PLC控制的自动化立体仓库毕业设计报告

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第一章概述

本文所介绍的立体仓库设计运用到了运动控制功能，通过对FX2N-48MR型可编程控制器端口设置，实现将货物自动运行到指定位置进行摆放，此设计不仅操作方便，可靠性高，更能有效的运用空间，节省大量费用。

自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下，自动地完成物料仓储和取出的系统，它以高成套搬运设备为基础，是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量储蓄机构。

PLC 作为一种工业控制计算机, 具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能, 是目前广泛应用的控制装置之一。

自动化立体仓库的出现, 实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变

计算机自控技术的飞速发展为现代物流管理提供了重要的技术，而立体仓库便是自控技术应用于物流管的成功体现。

本控制系统通过PLC编程，使数码显示智能化，丰富了其控制内涵，更加直观的指导用户操作，加之传感器信号采集，从而实现了对步进电动机，直流电机较复杂的位置控制及时序逻辑控制功能，调试成功后，其运行稳定可靠。

1．1  自动化立体仓库的发展

立体仓库的自动存取系统AS/RS（Automatic Storage& Retrieval System），是一种用高层立体货架（托盘系统）储存物资，用电子计算机控制管理和用自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。

使用自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。

它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统（AS/RS）,加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。

自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。

同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。

自动化立体仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。

1963年美国首先在仓库业务中采用计算机控制，建立了第一座计算机控制的立体仓库。

我国的立体仓库起源于上世纪七十年代末，1980年我国自行研制的第一座自动化立体仓库投入使用。

近几年来立体仓库在我国得到了迅速的发展，大型的自动化程度很高的仓库不断建成，主要应用于汽车（如东风汽车）、家电（海尔）、烟草（红塔集团）、印刷，化工（仪征化纤）等行业。

自动化立体仓库通常有以下几种分类方式，按建筑形式可以分为整体式和分离式；按自动化仓库与生产连接的紧密程度可分为独立型（也称离线型）、半紧密型和紧密型仓库（在线型）；按货物存取形式可以分为单元货架式、拣选货架式；按照在生产流通中的作用可以分为生产性仓库和流通性仓库；按货架的结构形式可以分为单元货格式、贯通式、水平循环式和垂直循环式，其中以单元货格式仓库使用最广。

自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。

它主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大系统所组成。

货物存储系统由立体货架（托盘或货箱）组成，货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统；货物存取和传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、装卸机械等组成；自动化立体仓库视情况不同采取不同的控制方式：

有的仓库只采取对存取堆垛机、出入库输送机的单台PLC控制，机与机无联系；有的仓库对各单台机械进行联网控制。

更高级的自动化立体仓库的控制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和堆垛机、出入库输送等直接控制的可编程序控制器组成控制系统。

近几年出现的智能自动化仓储技术还处于初级发展阶段，在二十一世纪仓储技术的智能化将具有广阔的应用前景。

1.2本课题研究的任务和目的

立体仓库是现代社会存储系统中迅速发展的一个重要组成部分，它具有节约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高物流效率等诸多优点。

本课题研究的任务：

根据自动化立体仓库运行的基本原理，通过大学阶段所学的知识设计一套基于PLC的自动化立体仓库运动的控制系统，具有根据用户的输入，三个坐标方向电机能够准确移动、定位以实现物品的正确存放功能。

本课题研究的目的：

通过对仓库模型控制系统的设计研究，能够对自动化立体仓库设计的基本工作原理有一定的认识，并且对大学阶段所学知识能够进一步的深化，对理论知识和实际应用之间的相互转化有更具体的理解，特别是对PLC技术、机电一体化技术有了更进一步的认识。

以及PLC的程序设计有了更认真地学习和运用。

另外，通过对此课题的学习研究，还可以培养自己独立解决实际问题的能力，为以后的学习打下基础。

第二章可编程控制器介绍

2.1可编程控制器的产生

可编程控制器的产生和发展与继电器有很大的关系。

继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，虽有上百年的历史，但在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花大量时间，严重的影响生产。

如果工艺要求发生变化，就得重新设计线路连线安装，不利于产品的更新换代。

显然，需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更可靠、更容易维护、更能适应经常变动的工艺条件。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）对于用来取代继电器控制系统的新的电气控制装置所提出的10项指标，研制出世界第一台可编程控制器并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动化控制。

此后日本、德国等相继引入可编程控制器，使之迅速发展起来。

这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（ProgrammableLogicController）。

20世纪70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，可编程逻辑控制器更多地具有了计算机的功能，不仅用逻辑编程取代硬件连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。

这种采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程控制器，简称PC（ProgrammableController），但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，所以人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。

我国从1974年开始研制可编程控制器，1977年应用于工业。

如今，可编程控制器已经大量应用在引进设备和国产设备中，我国不少厂家引进或研制了一批可编程控制器，各行各业也涌现出大批应用可编程控制器作为控制装置。

了解可编程控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。

2.2可编程控制器的特点

可编程控制器之所以能高速发展，除了顺应工业自动化的客观需求外，还由于其具有许多适应工业控制的独特优点，它较好地解决了工业控制领域中普遍关系的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，其主要特点如下。

1.可靠性高，抗干扰性能强

可靠性指的是可编程控制器平均无故障工作时间。

可靠性既反映了用户的要

求，又是可编程控制器生产厂家竭力追求的技术指标。

目前各生产厂家的PLC平均无故障安全运行时间都远大于国际电工委员会（IEC）规定的10万小时的标准。

同时可编程控制器从硬件和软件两方面采取一系列的抗干扰措施。

在硬件方面，隔离是抗干扰的主要手段之一。

在CPU与I/O模块之间采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时还可以防止外部高电压进入CPU。

滤波是抗干扰的又一主要措施。

此外对有些模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。

在软件方面，应用者可编写并输入外围器件的鼓掌自诊断程序，使PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间，检测系统硬件是否正常，同时具有状态信息保护功能，当出现故障时，立即把重要的当前状态信息存入指定存储器，用软硬件配合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉。

实验测试表明，一般PLC产品可抗1KV，1μs的脉冲干扰。

2.编程简单，操作方便

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，它提供了多种面向用户的语言，如常用的梯形图LAD（LadderDiagram）、指令语句表STL（StatementList）和控制系统流程图CSF（ControlSystemFlowchart）等。

考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的读图习惯和应用微机的实际水平，目前大多数的PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式；这是一种面向生产、面向用户的编程方式，它以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，直观易懂，与常用的微机语言相比更容易被现场电气工程技术人员所并掌握。

现在的PLC编程器大都采用个人计算机或手持式编程器两种形式。

手持式编程器有键盘、显示功能，通过电缆线与PLC相连，具有体积小、中立轻、便于携带、易于现场调试等优点。

用户也可以利用计算机对PLC编程，进行系统仿真调试，监控运行。

目前在国内，各场家都开发了适用于计算机使用的编程软件，同时编程软件的汉化界面更有利于对PLC的学习和推广应用。

3.系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便

PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。

同时PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试，用模拟试验开关代替输入信号，其输出状态可通过PLC上的发光二极管指示出来。

模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场，进行联机调试；这样既安全，又快捷方便。

PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。

当故障发生时，可根据可编程控制器的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查找故障原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

4.体积小，能耗低

可编程控制器体积小，重量轻。

由于体积小，很容易装在机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

对于复杂的控制系统，使用可编程控制器后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，而可编程控制器的体积又仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2-1/10，由于减少了线圈用电，从而也是能耗降低。

可编程控制器的配线比继电器控制系统的配线少很多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。

2.3可编程控制器的工作原理

可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态，其中运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。

在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断的重复执行，直至可编程控制器停机或切换到停止工作状态。

可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期。

扫描周期又由输入状态、程序执行和输出状态组成。

1.输入状态

在PLC的存储器中，有一个专门存放输入信号状态的区域，称为输入映像寄存器和输出影响寄存器，可编程控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。

可编程控制器把所有外部输入电路的接通/段开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。

外界的输入接触映像寄存器为“1”，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。

外接的输入节电电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。

2.程序执行

可编程控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。

在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。

在执行指令时，从输入映像寄存器或元件映像寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

3.输出状态

CPU将输出映像寄存器的“0”/“1”状态传送到输出锁存器。

梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。

信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。

若梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。

某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。

2.4控制器的内部器件

编控制器在其系统软件的管理下，将用户程序存储划分出若干个区，并将这些区赋予不同的功能，由此组成了各种内部器件。

PLC内部器件的种类和数量因不同厂家、不同系列、不同规格而异，内部器件的种类及数量越多，其功能就越强。

这些内部器件沿用了传统继电器控制线路中继电器的名称，并根据其功能，分别称为输入继电器、输出继电器、内部继电器、保持继电器、定时器、技数器、数据继存器等等。

在可编程控制器内部，并不真正存在这些实际的物理器件，与其对应的只是存储器中的某些存储单元。

一个继电器对应一个基本单元（即1位），多个继电器将占有多个基本单元；8个基本单元形成一个8位2进制数，通常称为一个字节，它正好占用普通存储器的一个存储单元，连续两个存储单元构成一个16位的二进制数，通常又称为一个字节，或一个通道。

连续的两个通道还能构成所谓的双字。

各种内部器件，实质上就是对相应的存储内容以位、以字节、以通道（或字）的形式进行存取。

为了区别各种内部器件，就必须知道各个内部器件在出产中的地址分配，这就是内部器件的寻址即内部器件的编号问题。

目前，内部器件的编号通常采用两种形式：

一种是采用纯数字编号，另一种是采用标识符加数字编号。

无论采用哪种形式编号，都要反映出该继电器的通道（或通道类型）和位号。

不同产品、不同机型的PLC，其内部器件的编号方法是不同的。

所以在选定机型后，首要的工作就是要弄清各个内部器件的编号及其范围，否则，是无法进行编程的。

可编程控制器的基本内部器件如下：

1输入继电器

输入继电器是PLC的数据存储区中与外部输入端子（输入点）有着明确对应关系的基本单元，它由现场送来的输入信号驱动，使它为“1”或为“0”。

CPU一般按位来读取一个继电器的状态，也可以按字（通道）来读取相邻一组继电器（16个）的状态。

我们在介绍PLC的等效工作电路时已强调过，不能通过编程的方式改变输入继电器的状态。

但是我们可以在编程时，通过使用输入继电器的触点，无限地使用输入继电器的状态。

在输入端子上未接输入器件的输入继电器只能空着，不能挪作它用。

2输出继电器

输出继电器是PLC的数据存储区中与外部输出端子（输出点）有着明确对应关系的基本单元，它可以由输入继电器的触点、其它内部器件的触点来驱动，即它完全由编程的方式来决定其状态。

我们也可以像使用输入继电器触电那样，通过使用输出继电器的触点，无限制的使用输出继电器的状态。

输出继电器与其他内部器件的一个显著不同在于点它有一个，且仅有一个实实在在的物理动和触点，用来接通负载。

这个动合触点可以是有触点的（继电器输出型），或者是无触点的（晶体管输出型或双向晶闸管输出型）。

没有使用的输出继电器，可当作内部继电器使用，但一般不推荐这种用法，这种用法可能引起不必要的误解。

3内部继电器

内部继电器是PLC内部的一种辅助继电器，它的功能与传统的继电器控制线路中的中间继电器相同。

内部继电器与外部没有任何关系，没一个内部继电器对应着数据存储区的一个基本单元，它可以由所有的内部器件的触点（当然包括它自己的触点）来驱动。

它的状态同样可以无限制地使用。

借助于内部继电器的编程，可使输入输出之间建立复杂的逻辑关系和联锁关系，以满足不同的控制要求。

根据内部继电器的状态在断电后能否保持，可分为中间继电器和断电保持继电器。

中间继电器的状态在断电时被复位，而断电保持继电器在断电后靠锂电池或大电容供电，使其状态保持不变。

等恢复供电后，从断电前的状态继续工作。

4特殊继电器

在数据存储中，还有一种内部器件，称为特殊继电器（或专用继电器）这些继电器的功能和状态是由系统软件决定的，与输入继电器一样，我们不能通过编程的方式改变其状态，只能通过使用其触点来使用它的状态。

5定时器

定时器用来完成定时操作，定时时间的设定值可以是十进制常数，也可以是地址（通道号、存储号），在用该地址的内容作为设定值。

定时器有一个启动输出端，当这一端为ON时，启动定时器工作，等达到设定时间，定时器动作（其动合触点闭合，其动断触点断开）。

每种定时器都有规定的时钟周期，如0.01S\0.1S\1S等。

定时器的定时值由设定值给定，如果使用0.1S时钟周期的定时器，想定时10S，设定值应为10/0.1=100。

可编程控制器的定时器一般都是ON延时型的，即通电延时型的，若要求OFF延时，即断电延时型，要用编程的方法解决。

PLC的定时控制是靠程序运行实现的，由于受输入延时及周期性扫描工作方式的影响，定时控制不是十分精确的，可能与设定值相差一个扫描周期。

但是与继电器控制电路中的延时继电器比较起来，其精度还是高的很多。

6计数器

计数器用来实现技术操作。

使用计数器时要事先给出计数的预置值（也称设定值，即要进行计数的脉冲数）。

有些机型配有高速计数器（有的是可选配的高速计数模板）。

以满足对高频脉冲信号的要求。

计数器的预置值和定时器的设定值，一般不仅可以用程序设定，也可以通过PLC外部的拨码开关，方便、直观地随时修改。

7数据寄存器

PLC在进行模拟量输入/输出、位置控制，以及与定时值有关的控制时，常常要作数据处理和数值运算，所以，一般PLC都安排有专门存储数据或参数的区域，构成数据寄存器。

每个寄存器一般都存16位二进制数，即一个字，处理双字时用相邻编号的两个寄存器。

在一个寄存器内，也可以存4位BCD码或4位十六进制数。

位操作时，一般不能用数据寄存器。

数据寄存器也分为普通型和断电保护型。

2.5FX2N-48MR型可编程控制器介绍

X2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。

由于FX2n系列具备如下特点：

最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I/O，高速计数器。

定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。

对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模网络和数据通信连接到世界上最流行的开放式网络CC-Link，ProfibusDp和DeviceNet或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要。

时钟功能和小时表功能NPLC中都有实时时钟标准。

时间设置和令易于操作。

小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息应用范围：

供电子设备、通讯设备、电子计算机控制设备、自动化控制装置等动作切换电路及扩大控制范围之用.参数说明：

控制点数：

16至256点（主单元：

48）●超高速的运算速度（0.08μs/步）●内置8000步RAM可扩充至16000步●可使用FX系列组件●可8台主机联机●辅助继电器：

3072点，计时器：

256点，计数器：

235点，数据寄存器：

8000点。

FX2N-48MR型可编程控制器属于FX2N系列，是有48个I/O点的基本单元，继电器输出型可编程控制器。

2.5.1FX2N系列型号的含义

FX2N系列可编程控制器的型号格式如下：

FX2N—

其中：

1表示输入输出的总点数：

范围从16到128；

2表示单元类型：

M为基本单元，E为输入输出混合扩展单元与扩展模块，EX为输入专用扩展模块，EY为输出专用扩展模块；

3表示输出形式：

R为继电器输出，T为晶体管输出，S为双向可控硅输出。

2.5.2FX2N系列可编程控制器的编程元件介绍

1.输入继电器X

输入继电器与PLC的输入端相连，是PLC接受外部开关型号的接口。

与输入端子连接的输入继电器式光电隔离的电子继电器，其线圈、常开接点与传统硬继电器表示方法一样。

这里可提供无数个常开接点、常闭接点供编程时使用。

FX2N系列的输入继电器采用八进制地址编号。

2.输出继电器Y

输出继电器的输出端是PLC向外部传送信号的接口。

外部信号无法直接驱动输出继电器，它只能在程序内部由指令驱动。

输出接点接到PLC的输出端子，输出接点的通和断取决于输出线圈的通和断状态。

每个输出继电器有无数对常开和常闭结点共编程使用。

输出继电器的地址编号也是八进制的，Y0-Y267,最多可达184点。

3.辅助继电器M

PLC内部有很多辅助继电器，和输出继电器一样，只能由程序驱动，每个辅助继电器也有无数对常开、常闭接点供编程使用。

其作用相当于继电器控制线路中的中间继电器。

辅助继电器的接点在PLC内部编程时可以任意使用，但它不能之间驱动负载，外部负载必须由输出继电器的输出接点来驱动。

4.状态继电器S

状态继电器S是构成状态转移图的重要软元件，它与后续的步进梯形指令配合使用。

通常状态继电器软元件有5种类型：

初始状态继电器、回零状态继电器、通用状态继电器、停电保持状态器、报警用状态继电器。

5.定时器T

定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器。

定时器累计PLC内的1ms、10ms、100ms等的时钟脉冲，当达到设定值时，输出接点动作。

定时器可以使用用户程序存储器内的常数K作为设定值。

第三章光电传感器

3.1光电传感器的工作原理

光电传感器的构成

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：

发送器，接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的反射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

光纤（又称光导纤维LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。

它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。

它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案，分类和工作方式：

1.槽开光电开关

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

发光