基于PLC的自助洗车机设计.docx

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基于PLC的自助洗车机设计

摘要

随着我国汽车保有量的迅速提高，汽车清洗行业迎来了一个重要的发展机遇，自助洗车机作为洗车工作必不可少的设备，其清洗效果，清洗速度，清洗成本以及对节水和环境保护的要求，成为其开发和生产必须要考虑的内容。

本文主要通过对自助洗车机功能要求和运行分析，确定了自助洗车机的总体设计方案。

并主要进行了自助洗车机的驱动和控制系统的设计，针对自助洗车机的特点，采用自助投币，喷水，洗刷，喷洒清洗剂和风干等过程，应用了可编程控制技术对自助洗车机PLC控制系统进行了硬件设计和软件编程。

PLC采用梯形图编程语言，并应用了组态王软件，对其运行过程实行监控，最终达到了实现自助洗车机的传动和控制要求。

关键词：

可编程控制器；自助洗车机；控制

3.自动洗车控制系统设计思想……………………………………………3

3.1自动洗车控制系统分析……………………………………………………………………4

3.2自动洗车控制系统流程图…………………………………………………………………4

3.3软件设计……………………………………………………………………………9

1绪论

当今的社会汽车行业发展迅猛，汽车维修保养行业竞争更是愈演愈烈，洗车机由此得以广泛应用。

自助洗车机分为龙门往复式和隧道式两种机型，通过对毛刷，水泵，机体行走机构和风机等部件的驱动控制，全自动完成对车辆的刷洗和风干。

龙门往复式洗一辆车仅耗时1.5min~4min，隧道式满负荷运行时每辆车仅耗时1.5min左右，避免了手工洗车用水的随意性。

洗车机配备专用的水处理设备后，可对洗车污水进行回收净化循环利用，可以节约水资源，是一个很有发展前景的符合现代化建设需要的机电一体化产品。

PLC可靠性高，编程简单且易维护，用作自助洗车机控制系统的核心，更能体现它的这些完美品质。

以下是自助洗车机的优点：

（1）使用自助洗车机效率高，能大大减少劳动力、降低劳动强度，节省成本。

（2）一般使用新科技研发的自助洗车机清洗与人员手洗比起来更容易吸引客户，在提高整体形象的同时，又能大幅度提高的经济收入。

（3）自助洗车机完全可以采用循环水设备，水用量在原有上可减少1/3，更可有效的合理利用水资源，节能环保。

本次的总体设计选用西门子PLC控制，洗车机洗车过程中自助投币，喷水，洗刷，喷洒清洗剂和风干等过程的全面监控。

2.1PLC简介

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低等特点。

广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

2.2PLC的分类

世界上PLC产品可按地域分成三大流派：

一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。

美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。

而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。

美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。

本次课设综合实验台及其性能指标，最后决定采用西门子PLCS7-200系列。

以下为西门子PLC系列产品简介：

西门子PLC主要产品是S5、S7系列。

在S5系列中，S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式PLC，最多可配置到256个I/O点；S5-115U是中型PLC，最多可配置到1024个I/O点；S5-115UH是中型机，它是由两台SS－115U组成的双机冗余系统；S5-155U为大型机，最多可配置到4096个I/O点，模拟量可达300多路；SS－155H是大型机，它是由两台S5-155U组成的双机冗余系统。

而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300

系列属于中小型PLC、S7-400系列属于中高性能的大型PLC。

2.3编程元件地址分配

根据要求，本次课程设计投币100元自助洗车机。

有3个投币孔，分别为5元、10元及50元3种，当投币合计100元时，按启动开关洗车机开始动作，启动灯亮起。

洗车机动作流程：

1）按下启动开关之后，洗车机开始往右移，喷水设备开始喷水，刷子开始洗刷。

2）洗车机右移到达右极限开关后，开始往左移，喷水机及刷子继续动作。

3）洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，喷水机及刷子停止动作，清洁剂设备开始动作——喷洒清洁剂。

4）洗车机右移到达右极限开关后，开始往左移，继续喷洒清洁剂。

5）洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，清洁剂停止喷洒，当洗车机往朽移3s后停止，刷子开始洗刷。

6）刷子洗刷5s后停止，洗车机继续往右移，右移3s后，洗车机停止，刷子又开始洗刷5s后停止，洗车机继续往右移，到达右极限开关停止，然后往左移。

7）洗车机往左移3s后停止，刷子开始洗刷5s后停止，洗车机继续往左移3s后停止，刷子开始洗刷5s后停止，洗车机继续往左移，直到碰到左极限开关后停止，然后往右移。

8）洗车机开始往右移，并喷洒清水与洗刷动作，将车洗干净，当碰到右极限开关时，洗车机停止前进并往左移，喷洒清水及刷子洗刷继续动作，直到碰到左极限开关后停止，并开始往右移。

9）洗车机往右移，风扇设备动作将车吹干，碰到右极限开关时，洗车机停止并往左移，风扇继续吹干动作，直到碰到左极限开关，则洗车整个流程完成，启动灯熄灭。

表1I/O分配表

输入信号

信号元件及作用

I0.0

左极限开关

I0.1

投币5元按钮

I0.2

投币10元按钮

I0.3

投币50元按钮

I0.4

启动开关

I0.5

投钱复位按钮

I0.6

右极限开关

I0.7

复位按钮

Q0.0

右移

Q0.1

左移

Q0.2

喷水

Q0.3

刷子洗刷

Q0.4

喷洒清洁剂

Q0.5

风扇吹干

Q0.6

复位灯

3.自动洗车控制系统设计思想

3.1自动洗车控制系统分析

洗车机的主运动是左右循环运动由左右行程开关控制，同时不同循环次序伴随不同的其它动作，如喷水、刷洗、喷洒清洁剂及风扇吹干动作等。

系统还采用了复位设计，如在洗车过程中由其它原因使洗车停止在非原点的其它位置，则需要手动对其进行复位，到位时复位灯亮，此时才可以启动，否则启动无效，洗车机经启动后可自动完成洗车动作后自行停止，也可在需要时手动停止。

洗车机第一次右移时有喷水及刷洗动作，到达右极限使右极限开关动作从而控制洗车机左移，而喷水及刷洗继续，直到碰到左极限开关。

洗车机第二次右移时，喷水停止、刷子动作及清洁剂开始喷洒，直到右极限行程开关动作，洗车机左移清洁剂继续喷洒，直到使左极限开关动作。

洗车机第三次右移时，洗车机右移3s停止，刷子刷洗5s，连续两次后继续右移，直到碰到右极限开关，其中，洗车机右移及刷子刷洗由接通延时计时器T37和T38形成的震荡电路控制，直到碰到右极限开关后通过互锁使刷子动作电路断开，刷子停止工作。

此时洗车机左移，进行和上次右移时同样的动作，直到碰到左极限行程开关。

洗车机第四次右移，喷洒清水及刷子动作，直到碰到右极限开关。

洗车左移同时喷水刷洗继续直到喷到左极限开关喷水刷洗停止。

洗车机第五次右移，风扇开始动作，直到碰到右极限开关，洗车机左移风扇继续动作。

洗车机左移直到碰到左极限开关，控制整个设备停止，洗车机完成洗车。

3.2自动洗车控制系统流程图

3.3软件设计

第一部分：

投币程序（网络1~网络6）

将MW10中的总钱数与100元比较，大于100元，按启动开关，启动灯亮

第二部分：

洗车程序（网络7~网络40）

复位程序（网络41~网络43）

4调试过程

 为了准确发现系统存在的问题，需要进行系统调试，调试的顺序按照先硬件后软件，先局部后整体的顺序来完成。

（一）硬件调试

系统的硬件安装过程及针对各单元模块的硬件电路调试，检验其是否符合设计初衷，能否达到相应指标。

硬件调试主要包括按键电路的调试、驱动电路的调试、电源部分的调试几部分。

为保证整个系统能够正常工作，首先要保证电源系统正常工作。

其次是驱动电路的调试，这一部分调试主要是I/O口的检查。

调试的关键在于确定数码管电路连接是否正确。

再次是按键电路的调试，这一部分主要是按钮是否对应好，接线是否正常，特别是相关复位按钮。

最后是洗车部分的调试，这一部分占了设备的绝大部分。

（二）软件调试

  本部分主要介绍了自助洗车机控制系统的软件调试过程，检验其是否符合设计初衷，能否达到相应的指标。

 首先是投币子程序的调试，这一部分的调试的关键是投币时程序是否能得到信号，在满足条件的情况下能否得到响应等。

最后是主程序的调试，通过假定输入一定的初值看看程序运行是否正常。

（三） 整机调试

   整个系统调试顺序按照先硬件后软件，先局部后全部的顺序调试，当软件与硬件都调试无误之后，就可以整机调试，整机调试也就是整个系统设计的功能测试。

第四章变频器部分

为了控制交流电梯，提高电能利用率，使自动电梯的运行更加安全稳定，须配合变频器对自动电梯进行控制。

变频器是通过轻负载降压实现节能的，安装变频器的电动机所带的机械负载，如风机、水泵并不是经常工作在满载情况下，当系统要求机械负载不在额定负载运行时，可以通过变频调节电动机的转速，使得电动机输出的功率能满足系统的要求，而不必通过风机的动叶、水泵出口的调节门的节流进行调节，降低了系统的节流损失

。

另外，变频器可以改变电动机的无功损耗，改善启动条件，提高功率因素，可以降低无功功率传递而引起的有功损耗，这对节能也是存在一定意义的。

1、变频器原理

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型、电流型。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

2、变频器的控制方式

（1）非智能控制方式

[1]V/f控制

V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。

V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。

[2]转差频率控制

转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。

这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。

[3]矢量控制

矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。

通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。

例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。

目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。

基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。

因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。

但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。

无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。

这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。

[

4]直接转矩控制

直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。

即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩。

[5]最优控制

最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。

例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。

[6]其他非智能控制方式

实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。

（2）智能控制方式

智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统和学习控制等，目前智能控制方式在变频调速控制系统中的具体应用中取得一些成功经验。

6课设总结

通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。

既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。

在本次设计中，还学习到了大量以前没有学到过的知识。

在查阅资料的过程中，我懂得了要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中使我查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。

在平时，我所学习的知识是有限的，在以后的工作中肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我受益非浅。

在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。

有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。

自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。

为以后的工作积累了经验，增强了信心。

参考文献

[1]赵相宾.可编程控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社，2002

[2]廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社，2005

[3]胡学林.可编程控制器原理及应用.电子工业出版社，2007

[4]苗常初.PLC编程及应用.机械工业出版社，2003

[5]易传禄.可编程控制器应用指南.上海科普出版社，2002

[6]王兆义.可编程控制器教程.上海交通大学出版社，2006

温馨提示：

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