基于PLC的自動洗車控制系統設計摘要：采用西門子公司的S7-200系列PLC為控制器，設計了自動洗車控制系統。該系統具有手動和自動運行兩種工作模式。汽車到達指定位置后，對汽車進行清洗、刷洗、沖洗和風干等操作。實現洗車的自動控制。該系統操作方便，定位準確，提高了洗車的效率。關鍵詞：自動洗車；S7-200PLC；光電傳感器隨著整個社會的生活水平不斷提高，汽車已經逐漸走進千家萬戶，汽車的數量不斷增加。隨著汽車相關效勞行業的與日俱增，洗車行業悄然興起。但是現在市面上的洗車方式大多還是以人力為主，人工對汽車進行涂抹泡沫、擦洗，然后利用高壓水泵進行沖洗，再在自然條件下風干。這種洗車方式存在著許多缺點，如洗車過程長、投入的勞動力大等。本設計采用S7-200系列PLC為控制器，以電磁閥、電動機為執行器，實現洗車過程的自動化。該系統清洗速度快、本錢低，而且節約水資源，符合當代建設節約型社會的時代需要[1]。1自動洗車系統自動洗車系統結構自動洗車系統主要由檢測機構、清洗機構和風干機構三局部構成，其結構圖如圖1所示。圖1自動洗車系統結構圖1.1.1檢測機構檢測機構的任務是檢測小車是否到達指定位置，由紅外傳感器組成。該傳感器不與物體直接接觸，當檢測到小車到達指定位置時，迅速將信號傳出，靈敏度高，反響快。1.1.2清洗機構清洗機構主要由蓄水箱、清潔劑罐、洗滌刷、電磁閥和直流電機等組成。水和清潔劑的噴灑由直流電磁閥控制。直流電磁閥由金屬材料制成，通電時電磁線圈產生磁力動作〔提起關閉件〕，翻開閥門，斷電時，電磁力消失閥門關閉。直流電磁閥可工作在真空、負壓下，實現水流的自動通斷要求。噴頭和洗滌刷的全方位移動，以直流電動機作為動力局部，主要是為了對車身進行全面清潔，直流電動機結構密封，保護性能好。電機定子、轉子上的多相繞組采用永磁材料，其特點是性能穩定、維護方便和易于安裝[2]。1.1.3風干機構風干機構由帶葉片的直流電機組成，當對小車完成清洗后，風干機構開始工作，直流電動機帶動葉片轉動，使車身快速風干，防止自然風干時，空氣中的粉塵遇水使車身變臟。1.2自動洗車系統工作過程自動洗車系統要完成對小車的清洗、刷洗和風干等任務，具體工作過程如下：〔1〕等待狀態檢測機構沒有檢測到小車到達指定位置，此時所有閥門關閉，所有電機停止運行，洗車狀態指示燈熄滅。〔2〕工作狀態當檢測機構的光電傳感器檢測到小車到達指定位置后，洗車狀態指示燈點亮，接下來按以下過程進行。①清洗翻開電磁閥MB1，啟動電機MA1，電機帶動噴頭1噴灑清水，清洗小車外表，前后噴灑一遍后，關閉電磁閥MB1，停止電機MA1。②噴灑清潔劑翻開電磁閥MB2，啟動電機MA2，電機帶動噴頭2噴灑清潔劑，前后噴灑一遍后，關閉電磁閥MB2，停止電機MA2。③洗滌翻開洗滌刷電機MA3，同時洗滌刷前后移電機MA4、洗滌刷左右移電機MA5配合實現洗滌刷前后左右移動，完成對小車的全面洗刷，洗刷次數為2次。④沖洗翻開電磁閥MB1，啟動電機MA1，與洗滌刷電機MA3、洗滌刷前后移電機MA4、洗滌刷左右移電機MA5配合進行小車外表清潔劑的沖洗，沖洗次數為3次。沖洗完成后，關閉電磁閥MB1，停止電動機MA1、MA3、MA4和MA5。⑤風干翻開風扇電機MA6，對小車進行風干，2min后關閉電機MA6，洗車完畢，洗車狀態指示燈熄滅，小車可以駛離指定位置。自動洗車過程中，如遇特殊情況可按停止按鈕使系統停止工作。2自動洗車控制系統的硬件設計系統控制任務分析為了使系統操作更加靈活，需設計兩種工作模式，即手動運行模式和自動運行模式。該控制系統工作模式如下：〔1〕手動運行模式選擇手動運行模式后，按下“啟動〞按鈕，系統即進入預工作狀態，按下各單步操作按鈕，控制系統實現相應的功能，當按下“停止〞按鈕后，整個系統停止運行[3]。〔2〕自動運行模式選擇自動運行模式后，按下“啟動〞按鈕，系統進入自動運行狀態。當檢測機構的光電傳感器檢測到小車到達指定位置后，洗車狀態指示燈點亮，系統自動完成清洗、噴灑清潔劑、洗滌、沖洗和風干等任務，洗車過程完成后，洗車狀態指示燈熄滅，下一輛車可以駛入清洗。自動洗車過程中，如遇緊急情況可按停止按鈕使系統停止工作[4]。PLC選型PLC的特點PLC即可編程控制器，是一種進行數字運算的電子系統，專門為工業環境的應用而設計的。它具有較高的抗干擾的能力以及廣泛的應用范圍。這是其與一般的微處理器主要的區別之一。PLC最初是為了取代繼電器控制系統而被研發的。由于其在工業應用上顯著的優點，因此，功能不斷加強，使PLC的應用領域也不斷地擴大和延伸，應用方式也更加豐富[5]。本系統以PLC為核心控制器，其優點如下：〔1〕抗干擾能力強、可靠性高PLC所有的I/O接口電路都采用了光電隔離，可以使工業現場的外電路與PLC內部電路之間實現電氣上的隔離，從而提高了PLC的抗干擾能力和可靠性。PLC各輸入端均裝有RC濾波器。可以有效防止輻射干擾影響PLC的性能。PLC采用抗干擾性能優良的開關電源，也大大提高了PLC的抗干擾能力和可靠性[6]。〔2〕豐富的I/O接口模塊PLC可以根據不同的現場信號制定相應的I/O地址模塊，并且能夠實現工業現場設備的直接連接。另外PLC還具有多種人機對話接口模塊，有效提高了PLC的操作性能；并且PLC有多種通訊聯網接口模塊，能夠組成工業的局部網絡。〔3〕配套齊全、功能完善、適用性強PLC不僅具有邏輯處理的能力，大多數還具有完善的運算數據能力，另外它還擁有各種各樣的功能單元，使其不斷開展壯大，并逐步滲透到了CNC、溫度控制、位置控制等各種控制場合中。由于PLC通信能力的增強和人機界面技術的不斷開展，目前大多數PLC都可以非常容易地組成各種控制系統。〔4〕系統的設計工作量小、容易改造、維護方便PLC接口結構簡單，插拔比擬容易；編程語言簡單易懂，且梯形圖的圖形符號和表達方式與繼電器電路圖的圖形符號和表達方式都非常接近。PLC的硬件可靠性高、軟件程序編寫簡單，并且可以根據控制需求隨時更改，外部接線方式多種多樣且靈活多變，這些特點使PLC具有了系統的設計工作量小、易于改造并且維護方便等多種優異性能[7]。〔5〕使用方便，編程簡單 PLC編程使用的是梯形圖編程語言，系統的開發周期短，現場調試也比擬容易。并且可以在線修改程序，即在不拆動硬件的情況下改變控制方案。〔6〕重量輕、體積小、能耗低超小型的PLC重量小于150g、底部尺寸小于100mm、能耗僅為數瓦。由于PLC體積小的優勢，可以很容易的裝入機械內部，是實現機電一體化的理想設備。2.2.2PLC的選取由控制任務可知，該控制系統需要21個數字量輸入和13個數字量輸出。因此選用西門子S7-200系列PLC的CPU226CN，它具有24個數字量輸入和16個數字量輸出，可以滿足此設計的需求。西門子S7-200PLC系統主要由主機單元，擴展單元，特殊功能模塊和相關設備等組成，其系統組成如圖2所示。圖2S7-200系列PLC系統組成I/O地址分配自動洗車控制系統共有21個數字量輸入和13個數字量輸出。其I/O地址分配如表1所示。表1I/O地址分配表輸入名稱地址名稱地址自動按鈕〔SF1〕手動噴頭2前移按鈕〔SF11〕手動按鈕〔SF2〕手動噴頭2后移按鈕〔SF12〕啟動按鈕〔SF3〕手動洗滌刷電機啟動按鈕〔SF13〕停止按鈕〔SF4〕手動洗滌刷電機停止按鈕〔SF14〕光電開關〔KF1〕手動洗滌刷前移按鈕〔SF15〕手動電磁閥MB1翻開按鈕〔SF5〕手動洗滌刷后移按鈕〔SF16〕手動電磁閥MB1關閉按鈕〔SF6〕手動洗滌刷左移按鈕〔SF17〕手動電磁閥MB2翻開按鈕〔SF7〕手動洗滌刷右移按鈕〔SF18〕手動電磁閥MB2關閉按鈕〔SF8〕風扇電機啟動按鈕〔SF19〕手動噴頭1前移按鈕〔SF9〕風扇電機停止按鈕〔SF20〕手動噴頭1后移按鈕〔SF10〕輸出名稱地址名稱地址洗車狀態指示燈〔PG1〕洗滌刷電機接觸器〔QA5〕噴頭電磁閥〔MB1〕洗滌刷前移接觸器〔QA6〕清潔劑電磁閥〔MB2〕洗滌刷后移接觸器〔QA7〕噴頭1前移接觸器〔QA1〕洗滌刷左移接觸器〔QA8〕噴頭1后移接觸器〔QA2〕洗滌刷右移接觸器〔QA9〕噴頭2前移接觸器〔QA3〕風扇電機接觸器〔QA10〕噴頭2后移接觸器〔QA4〕控制系統的硬件接線圖控制系統共有21個數字量輸入和13個數字量輸出，其中輸入端連接硬件電路中的光電傳感器和按鈕，接收送來的數字信號。輸出端連接到硬件電路中的輸出控制電路，用于驅動電磁閥和電機等電器，從而執行相應的功能。在硬件接線方面要注意防止接線短路，確定所使用負載的額定電壓，防止誤操作使負載燒毀[8]。自動洗車控制系統的硬件接線圖如圖3所示。3自動洗車控制系統的軟件設計系統控制要求該自動洗車控制系統有兩種運行模式，即手動運行模式和自動運行模式。具體要求如下：〔1〕手動運行模式按下“手動〞按鈕后，即進入手動運行模式。再按下“啟圖3自動洗車控制系統硬件接線圖動〞按鈕，系統開始運行，控制按鈕可實現的功能有16種，即各電磁閥的翻開、關閉，各電動機的啟動、停止。按下不同的按鈕可實現不同的控制任務。〔2〕自動運行模式按下“自動〞按鈕后，即進入自動運行模式。再按下“啟動〞按鈕，系統開始運行，檢測機構的光電傳感器檢測到小車到達指定位置后送出信號，洗車狀態指示燈點亮，接下來按以下過程進行：①清洗翻開電磁閥MB1，啟動電機MA1，電機帶動噴頭1前移噴灑清水，5秒后開始后移，再5秒后電機MA1停止，電磁閥MB1關閉。②噴灑清潔劑翻開電磁閥MB2，啟動電機MA2，電機帶動噴頭2前移噴灑清潔劑，5秒后開始后移，再5秒后電機MA2停止，電磁閥MB2關閉。③洗滌翻開洗滌刷電機MA3，同時啟動洗滌刷前后移電機MA4，電機MA4帶動洗滌刷前移刷洗小車外表，5秒后洗滌刷左右移電機MA5帶動洗滌刷右移，過3秒后電機MA4帶動洗滌刷后移，再過5秒后電機MA5帶動洗滌刷左移，再過3秒后電機MA4帶動洗滌刷再次前移，如此循環，實現對小車車身的2次全面洗刷。④沖洗刷洗兩次之后，電動機MA3繼續運行，電機MA4帶動洗滌刷前移，此時翻開電磁閥MB1，并啟動電機MA1，噴頭1前移，當洗滌刷后移時電機MA1帶動噴頭1后移，配合洗滌刷共同完成對小車的沖洗，沖洗次數為3次。沖洗完成后，電磁閥MB1關閉，電動機MA1、MA3、MA4和MA5全部停止。⑤風干翻開風扇電機MA6，對小車進行風干，2min后關閉電機MA6，洗車過程完成，洗車狀態指示燈熄滅，小車可以駛離指定位置。當系統在自動運行模式下發生故障后，整個系統會立即停止運行。主程序流程圖自動洗車控制系統主要由兩大功能組成，即系統的手動運行功能和自動運行功能。不同的運行模式下，執行不同的操作，可以實現相應的功能。自動洗車控制系統主程序流程圖如圖4所示。圖4主程序流程圖3.3子程序流程圖.1手動運行子程序流程圖手動運行模式可實現16種功能，分別為：噴頭電磁閥、洗潔劑電磁閥、洗滌刷電機、噴頭前移、噴頭后移、洗滌刷前移、洗滌刷后移、洗滌刷左移、洗滌刷右移、風扇電機的動作。其流程圖如圖5所示，具體程序參見附錄。圖5手動運行子程序流程圖3.3.2自動運行子程序流程圖自動運行是根據程序進行工作的，PLC的工作方式是串行，噴頭電磁閥、清潔劑電磁閥、洗滌刷電機、風扇電機等的動作按照程序的執行依次進行的。其流程圖如圖6所示，具體程序參見附錄。圖6自動運行子程序流程圖4系統調試4.1調試前的準備通過PLC系統和自動洗車控制系統的實物模型配合完本錢控制系統的調試。自動洗車控制系統使用STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件，程序選擇梯形圖進行編寫。調試之前先要對PLC與電腦進行聯機通信，在通信正常情況下將預先編譯好的程序下載到PLC中。再根據硬件接線圖將自動洗車控制系統實物模型與PLC進行連線，PLC的24V直流電源給直流電動機和直流電磁閥提供工作電源。最后通電調試。4.2系統的調試自動洗車控制系統調試步驟：〔1〕檢查硬件，完成外接電路接線，翻開電腦上的STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件，對PLC和電腦進行通信，確保其通信正常。〔2〕將已經編譯好的程序下載到PLC中，并使PLC處于運行狀態。〔3〕檢查手動運行模式是否正常，選擇手動運行模式后，按下“啟動〞按鈕，再按下其他各個功能按鈕，觀察其能否實現相應的功能，如果不能實現，再進行程序修改和硬件方面的檢查。〔4〕檢查自動運行模式是否正常，選擇自動運行模式后，按下“啟動〞按鈕，觀察系統整體運行狀態，假設不能實現預期的功能，再進行程序修改和硬件方面的檢查。〔5〕人為設置故障，檢查控制系統是否具有發生故障后自我保護的功能。假設出現故障PLC能夠自動停機，那么預期功能實現。調試結果通過反復調試，觀察系統的整個運行過程，以確定控制系統的可靠性和穩定性。得出最終的結論，該控制系統能夠實現自動洗車的控制要求，在自動運行過程中，該系統可以實現預設的各種功能。當洗車過程中遇到故障時，自動洗車控制系統能及時停機，能夠起到平安保護的作用。通過屢次調試，本設計預期功能均能實現。5結論以西門子公司S7-200系列PLC為控制器，設計了洗車的自動控制系統。在自動運行模