基于PLC的自动洗车控制系统.docx
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基于PLC的自动洗车控制系统
第1章引言
1.1设计汽车自动清洗装置的目的和意义
自从19世纪第一辆汽车诞生以来，汽车行业随着现代科技技术的发展有了质的的飞跃，随着时代的发展，人们生活水平的提高，人们对汽车的需求量也逐渐加大，随之而来的便是汽车的保养，其中汽车的清洗便是不可缺少的内容。
目前，国内的汽车清洗由传统的人工完成。
对于当今社会，高科技的发展实现了各行各业的自动化控制，但是在汽车清洗行业，大部分仍是靠人工来完成。
传统的洗车业通常由人工完成，利用人力资源，对汽车进行涂抹泡沫，然后采用高压水泵，利用水泵对汽车进行冲洗，再在自然光及风等自然条件下，让清洗的汽车进行自动风干。
虽然可以达到清洗汽车的目的，但过分依赖于劳动力，操作时间长，洗车过程慢，并且浪费了大量的水资源，经济性差，不适合和洗车业的发展需求。
目前比较大型的汽车美容公司，虽然实现了汽车的清洗、打蜡、喷漆等自动化工程，但成本比较高，其自动控制系统不是适合小型的、专门的汽车清洗行业，因此，相对于中小型城市，汽车清洗业有着巨大的发展潜力。
如何实现高效、高质量并且适用于小型工厂的汽车自动清洗装置，就成了汽车清洗行业发展的必然要求。
因此，本次设计就是采用PLC控制，利用定时器，通过线路的通断来实现汽车自动及手动清洗流程。
它可以最大限度的节省洗车的人力、物力资源，并且满足不同的客户需求，同时它可以高效、准确的完成洗车任务，为客户提供便利，而且极大限度的节约水资源，符合当代建设节约型社会的时代需要。
并且本次汽车清洗自动系统结构简单，成本低，适合不同场合的需求，尤其是中小型公司。
本论文由汽车清洗装置设计方案、PLC间的比较以及运行程序等部分组成。
市场上常见的汽车自动清洗机简介
它改变传统高压水枪单相流、单一介质的清洗原理。
采用高速气流配合水硬雾冲洗的新技术（两相流清洗）。
水被微粒化利用，几十倍提高水的利用率，达到节水90％以上，并且集清洗、喷清洁剂、吹干等多功能于一身。
小巧手持、随意移动，任何环境均可工作。
最大限度的提高单位水量的利用率，并具备一定的冲力和温度，极有效地清除和溶解车身及所有缝隙的灰尘和油污。
（汽车的门边、门缝、车牌、车头发动机组、人手难以触及的沟、缝、细孔等。
）用水量是水枪的二十分之一，耗能是它的一半， 其他设备所无法比拟的是：
彻底清洗细微之处；快速吹干功能；无水花飞溅；无满地流水；（洗车后没有污水横流）。
清洗车身；洗门缝、门边、发动机组，细微之处显身手；油、泥厚处重的地方也是轻而易举，快速吹干。
1.2PLC控制汽车自动清洗装置设计内容
可编程序控制器及备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC是一种用程序来改变控制能的工业控制计算机，除了能完从应用、价格、可靠性和对现场工作环境及设计资金等各个方面因素的考虑，本系统采用S7-200系列PLC进行设计。
本设计采用可编程序控制器PLC控制汽车自动清洗的稳定可靠运行。
通过PLC的选型和扩展，电机及驱动控制、检测元件选型、低压电器选型、电源设计完成燃油锅炉的硬件设计部分。
通过STEP_7软件以及仿真软件的模拟和调试完成汽车自动清洗装置的软件设计。
1.3汽车自动清洗实现的目标
随着着国民经济的增长，人民生活水平的提高，近年来，私人小汽车逐年增多，城市中洗车难的矛盾越来越尖锐，尤其在大中城市更为突出。
随着时代的发展，人们生活水平的提高，汽车的数量也越来越多，洗车产业也越来越壮大，如何在众多的从业者中脱颖而出，抢占先机应用了PLC的汽车自动清洗装置提升服务质。
它可以最大限度的节省洗车的人力物力，为社会空出大量劳动力，提供客户更加快捷的服务，在这个分秒必争的时代无疑具有极其巨大的市场价值和竞争优势。
同时它也节约更多的水资源，实现建设节约型社会的时代需要。
同时也实现了手工业向自动化方向的转变。
第2章系统总体设计
2.1系统控制要求
当发出启动命令时，清洗机开始工作，清洗机接触器和水阀门都打开，汽车进入洗刷范围时，刷子接触器开启，进入刷洗程序。
当检测器检测到车子离开时，清洗机接触器、水阀门和刷子接触器全关闭，停止刷洗，发出停机命令，结束刷洗。
2.1系统示意图
2.2系统工艺流程
我们通过以上的分析可以知道，先由人来发出启动命令，自动开启清洗接触器和水阀门；传感器检测到汽车进入清洗范围时，刷子接触器打开靠近汽车进行清洗；传感器检测到汽车离开清洗范围时，刷子接触器停止刷洗；最后我们发出停止命令，清洗鸡接触器和水阀门停止和关闭。
由此，我们设计出自动洗车机的工艺流程图如下：
2.3确定设计方案
动作要求
1）、当按下启动按钮SB1时，即清洗机开始移动，同时打开喷淋阀门。
2）、当检测到进入刷洗距离时，启动刷子电动机运转进行刷洗，离开汽车则停止刷车；同时清洗机停止移动并关闭喷淋阀门，洗刷结束。
汽车清洗过程可分为四步，
系统输入信号有启动命令、停止命令、车辆检测三个。
输出控制清洗机移动、喷淋阀门、电动刷三个输出信号。
汽车清洗机上有启动按钮和一个车辆检测器，当按下启动开关后，洗车机开始工作，清洗接触器和水门阀接通，当车辆检测器检测到有车辆进来且清洗机和车辆到位后，刷子接触器接通，刷洗开始，当刷洗机开始后2分钟车辆离开后，刷洗机停止刷洗，刷子接触器关闭，按下停机开关后，清洗机接触器和水阀门关闭，清洗结束。
用V4.0STEP7MicroWINSP4软件编制PLC控制程序，并将程序写入到PLC，通过PLC控制实现汽车自动清洗装置工作过程的自动控制。
2.3系统总体框图
本章小结
本章主要介绍了PLC控制的汽车清洗装置的系统设计要求，系统工作流程及设计方案，同时给出了系统示意图，工作流程图，系统框图，是我们能够直观的了解汽车自动清洗装置的工作方式，也了解了PLC在自动化控制方面的优势和功能。
第3章控制系统硬件设计
3.1PLC选型及扩展
3.1.1PLC型号的选择
机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。
具体应考虑因素如下：
1、结构合理
对于工艺过程比较固定、环境条件好、维修量较小的场合，选用单元式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC。
2、功能强弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。
如西门子公司的S7-200系列机。
对于以开关量控制为主、带少量模拟控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档PLC。
对于控制比较复杂、控制功能要求较高的工程项目，如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中挡或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。
当系统的各个控制对象分布在不同地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。
3、机型统一
选用PLC时，尽量要做到机型统一。
由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。
若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布控制系统，相互通信，集中协调管理。
3.1.2PLC容量选择
PLC容量包括两个方面：
一是I/O点数；二是用户存储器的容量（字数）。
1、I/O点数是基础
I/O点数可以衡量PLC规模的大小。
准确统计被控制对象的输入信号和输出信号的总数并考虑今后调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用量。
多数小型PLC为单元式，具有体积小，价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。
模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比单元式方便灵活，维修更快模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多，控制要求复杂的系统。
2、用户存储器容量的估算
根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%-25%考虑裕量。
用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。
因此，在程序设计之前只能粗略的估算。
根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下：
开关量输入所需存储器字数=输入点数×10
开关量输出所需存储器字数=输出点数×8
定时器/计数器所需存储器字数=定时器/计数器×2
模拟所需存储器字数=模拟量通道数×100
通信接口所需存储器字数=接口个数×300
根据存储器的总字数再加上一个裕量。
3.1.3I/O模块的选择
PLC是一种控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工业环境是工业生产现场。
PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。
同时控制器有通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。
外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也不相同，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。
PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需要经过一定距离。
为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好抗干扰能力。
根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。
3.1.4PLC选择
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。
S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
经过对几家公司生产的PLC要从应用、价格、可靠性和实验室的实际情况考虑等各个方面因素的考虑，依据本设计需要4输入口，4输出口，本系统设计采用德国西门子生产的S7-200系列可编程控制器，CPU主机选用CPU224，，模拟量输入模块选用EM235，S7-200PLC系统时紧凑型可编程控制器。
系统的硬件构架由系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。
他能够满足各种设备的自动化控制需求。
S7-200还具有功能强大的指令集、丰富强大的通信指令功能、编程软件的易用性
通常PLC的输入类型可以是直流、交流或交直流，使用最多的是直流信号输入PLC。
输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC自身的电源提供。
表3.1S7-22*系列CPU的基本配置
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU224XP
CPU226
数字量I/O数量
6/4
8/6
14/10
14/10
24/16
模拟量I/O数量
0
0
0
2/1
0
允许扩展模块数量
0
2
7
7
7
程序空间（B）
2048
2048
4096
6144
4096
数据空间
1024
1024
2560
5120
2560
3.1.5I/O分配表
表3.2模拟量输入输出信号代码和地址编号表
名称
符号
地址
启动按钮
SF1
I0.0
停止按钮
SF2
I0.1
检测到来
ST
I0.2
检测离开
ST
I0.3
水阀
YV
Q0.0
刷子
QA2~QA4
Q0.1Q0.7Q1.0
清洗机接触器
QA6
Q0.2
启动灯
PG1
Q0.3
清洗灯
PG2
Q0.4
停止灯
PG3
Q0.6
增压泵
QA5
Q0.5
表3.3输入输出信号代码和地址编号
序号
功能信号
AIW0
压力传感器1的输入
AQW0
给变频器信号
3.1.6扩展模块选型
系统采用西门子S7-200模拟量编程。
EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
本次设计选择常用的EM235作为扩展模块。
图3.1CPU及扩展模块
表3.4EM235参数
模拟量输入特性
模拟量输入点数
4
输入范围
电压（单极性）0～10V0～5V0～1V0～500mV0～100mV0～50mV
电压（双极性）±10V±5V±2.5V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV
电流0～20mA
数据字格式
双极性全量程范围-32000～+32000
单极性全量程范围0～32000
分辨率
12位A/D转换器
模拟量输出特性
模拟量输出点数
1
信号范围
电压输出±10V
电流输出0～20mA
数据字格式
电压-32000～+32000
电流0～32000
分辨率电流
电压12位
电流11位
3.2电机及驱动控制
3.2.1直流电动机
直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。
直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可控硅直流电源出现以后。
3.2.2异步电动机
异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。
还随着负载的大小发生变化。
负载转矩越大，转子的转速越低。
异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。
感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。
异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。
异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等。
3.2.3同步电动机
同步电动机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设设备或者充当控制元件。
其中三相同步电动机是其主体。
此外，还可以当调相机使用，向电网输送电感性或者电容性无功功率。
3.2.4电机的选择
经过对几种电动机的应用、价格、可靠性、转速和实验室的实际情况考虑等各个方面因素的考虑，本系统设计选异步电动机SKK中型A型。
表3.5电机参数
型号
功率（KW）
马力（hp）
电流（A）
转速（r／min）
效率（%）
堵转电流
额定电流（A）
堵转转矩
额定转矩
重量（kg）
功率因数
SKK-a
11
10
15.4
1440
85
7.0
2.2
96
0.85
水泵参数根据如下条件确定：
a、冲车时电机频繁启停，根据电气要求，电机功率不大于5KW，否则影响电机使用寿命；
b、水泵与用水点在同一平面，电机功率5KW左右的水泵扬程在20～30m之间，流量不超过60m3/h；因冲洗流量需90～100m3/h，单台水泵运行不能满足冲洗流量的需要，设计正常使用时两台水泵并联运行，以满足流量的需要；冲洗量不大时，可运行单台水泵冲洗。
根据上述要求，水泵的参数确定为：
表3.6水泵参数
流量
扬程
电机功率
汽蚀余量
进/出口管径
50m3/h
20m
5.5KW
2m
100/65mm
3.2.5变频器选型
在电动机的各种调速方式中，变频调速传动占有极其重要的地位，有强大的生命力。
这类传动系统功率有回路简单、功率因数高、输出谐波小、启动平稳、调速范围宽等优点。
变频器大多运行在恶劣的电磁环境，且作为电力电子设备，内部由电子元件、微处理芯片等组成，会受到外界的电磁干扰。
另外，变频器的输入和输出侧的电压、电流含有高次谐波。
当变频器运行时，既要防止外界的电磁干扰又要防止变频器干扰外界其他设备，即所谓的电磁兼容性。
在选择变频器时的几点注意事项：
根据负载特性选择变频器。
选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。
另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。
因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10％而温升会增加20％左右。
所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
本设计选用的变频器为西门子MM440。
MM440是一种集多种功能于一体的变频器，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120KW-200KW，可变转矩控制方式的额定功率可达250KW，它适用于电动机需要调速的各种场合。
可通过数字操作面板或通过远程操作器方式修改其内置参数，即可满足各种调速场合的要求。
图3.2电机主线路图
3.3检测元件选型
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。
当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。
测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：
量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法，有线或是非接触测量;传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
2）灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。
因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。
但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。
因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。
当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
3）频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过火的误差
4）线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。
以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。
传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。
在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。
当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
5）稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。
因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
6）精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。
传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。
这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
光电传感器分类：
一：
常用光电传感器分类方法：
1.标准光电传感器
1）漫反射型：
一般型或能量型（-8），聚焦式（-8-H），带背景抑制功能型（-8-H），带背景分析功能型（-8-HW）
2）反光板反射式光电开关/光电传感器：
一般型（-6），带偏振滤波功能型（-54,-55），带透明体检测功能型（-54-G），带前景抑制功能型（-54-V）把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。
正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。
3）对射式光电开光/光电传感器
若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。
由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。
它的检测距离可达几米乃至几十米。
使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。
2.安全光电传感器
1）安全对射光电
2）安全光栅
3）安全光幕
4）安全控制器
3.门控光电传感器
1）雷达传感器：
区域检测型
2）主动式传感器：
单光束型，多光束型，区域检测型
3）被动式传感器：
区域检测型
4）电梯光幕
5）通用光电：
槽形，对射型等
3.4低压电器选型
电器是接通和断开电路或调节、控制和保护电路及电气设备用的电工器具。
完成由控制电器组成的自动控制系统，称为继电器—接触器控制系统，简称电器控制系统。
一、接触器的选用
交流接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。
具体分为以下步骤：
1．选择接触器的类型
交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC1、AC2、AC3和AC4。
一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器的典型用途是鼠笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器用于笼型异步电动机的起动、反接制动、反转和点动。
2．选择接触器的额定参数
根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。
1）接触器的线圈电压，一般应低一些为好，这样对接触器的绝缘要求可以降低，使用时也较安全。
但为了方便和减少设备，常按实际电网电压选取。
2）电动机的操作频率不高，如压缩机、水泵、风机、空调、冲床等，接触器额定电流大于负荷额定电流即可。
接触器类型可选用CJl0、CJ20等。
3）对重任务型电机，如机床主
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