基于PLC的自动洗车控制系统设计.docx

1、基于PLC的自动洗车控制系统设计1 基于PLC 的自动洗车控制系统设计 摘 要:采用西门子公司的S7-200系列PLC 为控制器,设计了自动洗车控制系统。该系统具有手动和自动运行两种工作模式。汽车到达指定位置后,对汽车进行清洗、刷洗、冲洗和风干等操作。实现洗车的自动控制。该系统操作方便,定位准确,提高了洗车的效率。 关键词:自动洗车;S7-200 PLC ;光电传感器 随着整个社会的生活水平不断提高,汽车已经逐渐走进千家万户,汽车的数量不断增加。随着汽车相关服务行业的与日俱增,洗车行业悄然兴起。但是现在市面上的洗车方式大多还是以人力为主,人工对汽车进行涂抹泡沫、擦洗,然后利用高压水泵进行冲洗,

2、再在自然条件下风干。这种洗车方式存在着许多缺点,如洗车过程长、投入的劳动力大等。本设计采用S7-200系列PLC 为控制器,以电磁阀、电动机为执行器,实现洗车过程的自动化。该系统清洗速度快、成本低,而且节约水资源,符合当代建设节约型社会的时代需要1。 1 自动洗车系统 1.1 自动洗车系统结构 自动洗车系统主要由检测机构、清洗机构和风干机构三部分构成,其结构图如图1所示。 清 洁 剂 罐水箱电磁阀 MB1喷头1 电磁阀MB2 喷头2 图1 自动洗车系统结构图 1.1.1 检测机构 检测机构的任务是检测小车是否到达指定位置,由红外传感器组成。该传感器不与物体直接接触,当检测到小车到达指定位置时,

3、迅速将信号传出,灵敏度高,反应快。 1.1.2 清洗机构 清洗机构主要由蓄水箱、清洁剂罐、洗涤刷、电磁阀和直流电机等组成。 水和清洁剂的喷洒由直流电磁阀控制。直流电磁阀由金属材料制成,通电时电磁线圈产生磁力动作(提起关闭件),打开阀门,断电时,电磁力消失阀门关闭。直流电磁阀可工作在真空、负压下,实现水流的自动通断要求。 喷头和洗涤刷的全方位移动,以直流电动机作为动力部分,主要是为了对车身进行全面清洁,直流电动机结构密封,保护性能好。电机定子、转子上的多相绕组采用永磁材料,其特点是性能稳定、维护方便和易于安装2。 1.1.3 风干机构 风干机构由带叶片的直流电机组成,当对小车完成清洗后,风干机构

4、开始工作,直流电动机带动叶片转动,使车身快速风干,避免自然风干时,空气中的粉尘遇水使车身变脏。 1.2 自动洗车系统工作过程 自动洗车系统要完成对小车的清洗、刷洗和风干等任务,具体工作过程如下: (1)等待状态 检测机构没有检测到小车到达指定位置,此时所有阀门关闭,所有电机停止运行,洗车状态指示灯熄灭。 (2)工作状态 当检测机构的光电传感器检测到小车到达指定位置后,洗车状态指示灯点亮,接下来按以下过程进行。 清洗打开电磁阀MB1,启动电机MA1,电机带动喷头1喷洒清水,清洗小车表面,前后喷洒一遍后,关闭电磁阀MB1,停止电机MA1。 喷洒清洁剂打开电磁阀MB2,启动电机MA2,电机带动喷头2

5、喷洒清洁剂,前后喷洒一遍后,关闭电磁阀MB2,停止电机MA2。 洗涤打开洗涤刷电机MA3,同时洗涤刷前后移电机MA4、洗涤刷左右移电机MA5配合实现洗涤刷前后左右移动,完成对小车的全面洗刷,洗刷次数为2次。 冲洗打开电磁阀MB1,启动电机MA1,与洗涤刷电机MA3、洗涤刷前后移电机MA4、洗涤刷左右移电机MA5配合进行小车表面清洁剂的冲洗,冲洗次数为3次。冲洗完成后,关闭电磁阀MB1,停止电动机MA1、MA3、MA4和MA5。 风干打开风扇电机MA6,对小车进行风干,2min后关闭电机MA6,洗车完毕,洗车状态指示灯熄灭,小车可以驶离指定位置。 自动洗车过程中,如遇特殊情况可按停止按钮使系统停

6、止工作。 2 自动洗车控制系统的硬件设计 2.1 系统控制任务分析 为了使系统操作更加灵活,需设计两种工作模式,即手动运行模式和自动运行模式。该控制系统工作模式如下: (1)手动运行模式 选择手动运行模式后,按下“启动”按钮,系统即进入预工作状态,按下各单步操作按钮,控制系统实现相应的功能,当按下“停止”按钮后,整个系统停止运行3。 (2)自动运行模式 选择自动运行模式后,按下“启动”按钮,系统进入自动运行状态。当检测机构的光电传感器检测到小车到达指定位置后,洗车状态指示灯点亮,系统自动完成清洗、喷洒清洁剂、洗涤、冲洗和风干等任务,洗车过程完成后,洗车状态指示灯熄灭,下一辆车可以驶入清洗。自动

7、洗车过程中,如遇紧急情况可按停止按钮使系统停止工作4。 2.2 PLC选型 2.2.1 PLC的特点 PLC即可编程控制器,是一种进行数字运算的电子系统,专门为工业环境的应用而设计的。它具有较高的抗干扰的能力以及广泛的应用范围。这是其与一般的微处理器主要的区别之一。PLC最初是为了取代继电器控制系统而被研发的。由于其在工业应用上显著的优点,因此,功能不断加强,使PLC的应用领域也不断地扩大和延伸,应用方式也更加丰富5。 本系统以PLC为核心控制器,其优点如下: (1)抗干扰能力强、可靠性高 PLC所有的I/O接口电路都采用了光电隔离,可以使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间实现电气上的隔离

8、,从而提高了PLC的抗干扰能力和可靠性。PLC 各输入端均装有RC滤波器。可以有效防止辐射干扰影响PLC的性能。PLC采用抗干扰性能优良的开关电源,也大大提高了PLC的抗干扰能力和可靠性6。 (2)丰富的I/O接口模块 PLC可以根据不同的现场信号制定相应的I/O地址模块,并且能够实现工业现场设备的直接连接。另外PLC还具有多种人机对话接口模块,有效提高了PLC的操作性能;并且PLC有多种通讯联网接口模块,能够组成工业的局部网络。 (3)配套齐全、功能完善、适用性强 PLC不仅具有逻辑处理的能力,大多数还具有完善的运算数据能力,另外它还拥有各种各样的功能单元,使其不断发展壮大,并逐步渗透到了C

9、NC、温度控 制、位置控制等各种控制场合中。由于PLC 通信能力的增强和人机界面技术的不断发展,目前大多数PLC 都可以非常容易地组成各种控制系统。 (4)系统的设计工作量小、容易改造、维护方便 PLC 接口结构简单,插拔比较容易;编程语言简单易懂,且梯形图的图形符号和表达方式与继电器电路图的图形符号和表达方式都非常接近。PLC 的硬件可靠性高、软件程序编写简单,并且可以根据控制需求随时更改,外部接线方式多种多样且灵活多变,这些特点使PLC 具有了系统的设计工作量小、易于改造并且维护方便等多种优异性能7。 (5)使用方便,编程简单 PLC 编程使用的是梯形图编程语言,系统的开发周期短,现场调试

10、也比较容易。并且可以在线修改程序,即在不拆动硬件的情况下改变控制方案。 (6)重量轻、体积小、能耗低 超小型的PLC 重量小于150g 、底部尺寸小于100mm 、能耗仅为数瓦。由于PLC 体积小的优势,可以很容易的装入机械内部,是实现机电一体化的理想设备。 2.2.2 PLC 的选取 由控制任务可知,该控制系统需要21个数字量输入和13个数字量输出。因此选用西门子S7-200系列PLC 的CPU 226 CN ,它具有24个数字量输入和16个数字量输出,可以满足此设计的需求。 西门子S7-200 PLC 系统主要由主机单元,扩展单元,特殊功能模块和相关设备等组成,其系统组成如图2所示。 I

11、0.0I 0.2I 0.1I 0.3CO M SF 1 Q 0.0Q 0.5 Q 0.4Q 0.3Q 0.2Q 0.1KF2KF4 KF 3MB1 KF1CPU 226 CN 1L DC DC MB 2SF 2SP 14SF SF 5SF 6SF 7SF 8SF 9SF10I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1SF11SF12SF13SF14SF15 I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6 图2 S7-200系列PLC 系统组成 2.3 I/O 地址分配 自动洗车控制系统共有21个数字量输入和13个数字量输出。其I/O 地址分配如表1所示。 表1 I/O 地址分配表 输入 名称 地

12、址 名称 地址 自动按钮(SF1)I0.0 手动喷头2前移按钮(SF11)I1.3 手动按钮(SF2)I0.1 手动喷头2后移按钮(SF12)I1.4 启动按钮(SF3)I0.2 手动洗涤刷电机启动按钮(SF13)I1.5 停止按钮(SF4)I0.3 手动洗涤刷电机停止按钮(SF14)I1.6 光电开关(KF1)I0.4 手动洗涤刷前移按钮(SF15)I1.7 手动电磁阀MB1打开按钮(SF5)I0.5 手动洗涤刷后移按钮(SF16)I2.0 手动电磁阀MB1关闭按钮(SF6)I0.6 手动洗涤刷左移按钮(SF17)I2.1 手动电磁阀MB2打开按钮(SF7)I0.7 手动洗涤刷右移按钮(SF

13、18)I2.2 手动电磁阀MB2关闭按钮(SF8)I1.0 风扇电机启动按钮(SF19)I2.3 手动喷头1前移按钮(SF9)I1.1 风扇电机停止按钮(SF20)I2.4 手动喷头1后移按钮(SF10)I1.2 输出 名称地址名称地址洗车状态指示灯(PG1)Q0.0 洗涤刷电机接触器(QA5)Q0.7 喷头电磁阀(MB1)Q0.1 洗涤刷前移接触器(QA6)Q1.0 清洁剂电磁阀(MB2)Q0.2 洗涤刷后移接触器(QA7)Q1.1 喷头1前移接触器(QA1)Q0.3 洗涤刷左移接触器(QA8)Q1.2 喷头1后移接触器(QA2)Q0.4 洗涤刷右移接触器(QA9)Q1.3 喷头2前移接触器

14、(QA3)Q0.5 风扇电机接触器(QA10)Q1.4 喷头2后移接触器(QA4)Q0.6 2.4 控制系统的硬件接线图 控制系统共有21个数字量输入和13个数字量输出,其中输入端连接硬件电路中的光电传感器和按钮,接收送来的数字信号。输出端连接到硬件电路中的输出控制电路,用于驱动电磁阀和电机等电器,从而执行相应的功能。在硬件接线方面要注意防止接线短路,确定所使用负载的额定电压,防止误操作使负载烧毁8。自动洗车控制系统的硬件接线图如图3所示。 3 自动洗车控制系统的软件设计 3.1 系统控制要求 该自动洗车控制系统有两种运行模式,即手动运行模式和自动运行模式。具体要求如下: (1)手动运行模式按

15、下“手动”按钮后,即进入手动运行模式。再按下“启 I0.0COM SF1 SF2SF3SF4SF7SF6SF5KF1SF8SF14SF9SF12SF13SF11SF10Q0.0QA1QA3QA2PG1MB1MB2CPU 226 CN L 24V DC SF15SF16SF17SF18SF19SF20QA4QA5QA6QA7QA8QA9QA10 24V DC I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4 Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1 Q1

16、.2Q1.3Q1.4 图3 自动洗车控制系统硬件接线图 动”按钮,系统开始运行,控制按钮可实现的功能有16种,即各电磁阀的打开、关闭,各电动机的启动、停止。按下不同的按钮可实现不同的控制任务。 (2)自动运行模式 按下“自动”按钮后,即进入自动运行模式。再按下“启动”按钮,系统开始运行,检测机构的光电传感器检测到小车到达指定位置后送出信号,洗车状态指示灯点亮,接下来按以下过程进行: 清洗 打开电磁阀MB1,启动电机MA1,电机带动喷头1前移喷洒清水,5秒后开始后移,再5秒后电机MA1停止,电磁阀MB1关闭。 喷洒清洁剂 打开电磁阀MB2,启动电机MA2,电机带动喷头2前移喷洒清洁剂,5秒后开始

17、后移,再5秒后电机MA2停止,电磁阀MB2关闭。 洗涤 打开洗涤刷电机MA3,同时启动洗涤刷前后移电机MA4,电机MA4带动洗涤刷前移刷洗小车表面,5秒后洗涤刷左右移电机MA5带动洗涤刷右移,过3秒后电机MA4带动洗涤刷后移,再过5秒后电机MA5带动洗涤刷左移,再过3秒后电机MA4带动洗涤刷再次前移,如此循环,实现对小车车身的2次全面洗刷。 冲洗 刷洗两次之后,电动机MA3继续运行,电机MA4带动洗涤刷前移,此时打开电磁阀MB1,并启动电机MA1,喷头1前移,当洗涤刷后移时电机MA1带动喷头1后移,配合洗涤刷共同完成对小车的冲洗,冲洗次数为3次。冲洗完成后,电磁阀MB1关闭,电动机MA1、MA

18、3、MA4和MA5全部停止。 风干 打开风扇电机MA6,对小车进行风干,2min 后关闭电机MA6,洗车过程完成,洗车状态指示灯熄灭,小车可以驶离指定位置。 当系统在自动运行模式下发生故障后,整个系统会立即停止运行。 3.2 主程序流程图 自动洗车控制系统主要由两大功能组成,即系统的手动运行功能和自动运行功能。不同的运行模式下,执行不同的操作,可以实现相应的功能。自动洗车控制系统主程序流程图如图4所示。 开始 工作方式选择 手动运行自动运行 调试单步检测全自动 图4 主程序流程图 3.3 子程序流程图 3.3.1 手动运行子程序流程图 手动运行模式可实现16种功能,分别为:喷头电磁阀、洗洁剂电

19、磁阀、洗涤刷电机、喷头前移、喷头后移、洗涤刷前移、洗涤刷后移、洗涤刷左移、洗涤刷右移、风扇电机的动作。其流程图如图5所示,具体程序参见附录。 启动 开始 喷头1前后移结束 清洁剂电磁阀喷头电磁阀 喷头2前后移洗涤刷电机洗涤刷前后移洗涤刷左右移 风扇电机 手动运行 图5 手动运行子程序流程图 3.3.2 自动运行子程序流程图 自动运行是根据程序进行工作的,PLC的工作方式是串行,喷头电磁阀、清洁剂电磁阀、洗涤刷电机、风扇电机等的动作按照程序的执行依次进行的。其流程图如图6所示,具体程序参见附录。 启动 开始 到指定位置? 喷头前进电机开 到5s? 喷头电磁阀开 喷头前进电机关喷头后退电机开 到5

20、s? 喷头后退电机关喷头电磁阀关清洁剂电磁阀开清洁剂喷头前移开 到5s?清洁剂喷头前移关 清洁剂喷头后移开 到5s? Y 清洁剂喷头后移关 清洁剂电磁阀关 洗涤刷电机开 洗涤刷前移电机开 到5s? 洗涤刷前移电机关 洗涤刷右移电机开 到3s? 洗涤刷右移电机关 洗涤刷后移电机开 到5s? 洗涤刷后移电机关 洗涤刷左移电机开 到3s? 洗涤刷左移电机关 洗涤遍数=2? 喷头电磁阀开 洗涤刷前移电机开 喷头前移电机开 到5s? 洗涤刷前移电机关 喷头前移电机关 洗涤刷后移电机开 喷头后移电机开 到5s? 洗涤刷后移电机关 喷头后移电机关 冲洗遍数=3? 喷头电磁阀关 风扇电机开 到120s? 状态

21、指示灯熄灭 结束 洗涤刷右移电机开 到3s? 洗涤刷右移电机关 洗涤刷左移电机开 到3s? 洗涤刷左移电机关 N Y Y N Y N N Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N 状态指示灯点亮 Y Y 洗涤刷电机关 风扇电机关 图6 自动运行子程序流程图 4 系统调试 4.1 调试前的准备 通过PLC系统和自动洗车控制系统的实物模型配合完成本控制系统的调试。自动洗车控制系统使用STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件,程序选择梯形图进行编 写。调试之前先要对PLC与电脑进行联机通信,在通信正常情况下将预先编译好的程序下载到PLC中。再根据

22、硬件接线图将自动洗车控制系统实物模型与PLC进行连线,PLC的24V直流电源给直流电动机和直流电磁阀提供工作电源。最后通电调试。 4.2 系统的调试 自动洗车控制系统调试步骤: (1)检查硬件,完成外接电路接线,打开电脑上的STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件,对PLC和电脑进行通信,确保其通信正常。 (2)将已经编译好的程序下载到PLC中,并使PLC处于运行状态。 (3)检查手动运行模式是否正常,选择手动运行模式后,按下“启动”按钮,再按下其他各个功能按钮,观察其能否实现相应的功能,如果不能实现,再进行程序修改和硬件方面的检查。 (4)检查自动运行模式是否正常,选择自动运行模式后

23、,按下“启动”按钮,观察系统整体运行状态,若不能实现预期的功能,再进行程序修改和硬件方面的检查。 (5)人为设置故障,检查控制系统是否具有发生故障后自我保护的功能。若出现故障PLC能够自动停机,则预期功能实现。 4.3 调试结果 通过反复调试,观察系统的整个运行过程,以确定控制系统的可靠性和稳定性。得出最终的结论,该控制系统能够实现自动洗车的控制要求,在自动运行过程中,该系统可以实现预设的各种功能。当洗车过程中遇到故障时,自动洗车控制系统能及时停机,能够起到安全保护的作用。通过多次调试,本设计预期功能均能实现。 5 结论 以西门子公司S7-200系列PLC为控制器,设计了洗车的自动控制系统。在

24、自动运行模式中,系统能够自动完成清洗、刷洗、冲洗和风干等任务;手动运行模式中,按下操作按钮,各部分单步运行,完成相应功能。在出现故障时,系统启动保护措施,可以立即停机,实现系统的自我保护功能。经过调试,自动洗车系统可以完成预期的控制任务。由于时间仓促,该系统的许多其它功能还没有考虑到,今后可对其进一步完善。 参考文献: 1 荣盘祥,何志军.步进电机数字控制系统设计J.电机与控制学报,2009,13(2):72-75. 2 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2008.98-105. 3 郭和伟.电器与PLC控制技术M.北京:清华大学出版社,2007.112-1

25、15. 4 王慧英.PLC在自动洗车控制系统中的应用J.机电工程,2009,(03):12-15. 5 齐占庆,王振臣.电气控制技术M.北京:机械工业出版社,2008.104-113. 6 李凤阁,佟为明.电气控制与可编程控制器应用技术M.北京:机械工业出版社,2007.56-60. 7 阎俊荣,郭进喜.PLC在自动洗车系统中的应用J.电气时代,2004,(06):3-6. 8 马红旗.PLC在自动洗车机中的应用J.机电一体化,2004,(01).6-10. Design of Automatic control System for Car Washing Based on PLC LU Y

26、an-gang (Class 1, Grade 2012, Electrical Engineering and Automation, School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University) Abstract: The automatic control system for car washing is designed by using Siemens S7-200 series PLC as the controller. The system has automatic and manual two kinds of

27、working mode. When a car arrives at the specified location, it would be cleaned, scrubbed, flushed and dried, implementing automatic control of the car washing. The system is easy to operate, accurate to orientate and prominent to improve the efficiency of washing the car. Keywords: automatic car washing; S7-200 PLC; photoelectric sensor 11