基于PLC 的自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（湖北省十堰市竹溪縣中峰鎮(zhèn)人民政府，湖北 十堰 442312）

本設(shè)計(jì)利用計(jì)時(shí)器裝置，運(yùn)用了PLC 的控制原理，經(jīng)過(guò)對(duì)線(xiàn)路的通斷操作完成自動(dòng)洗車(chē)。目前的汽車(chē)服務(wù)市場(chǎng)中，人工洗車(chē)方式需要一段很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)清洗，勞動(dòng)成本過(guò)高，有著違背可持續(xù)發(fā)展原則的浪費(fèi)資源現(xiàn)象。因此，利用PLC 的可依賴(lài)性，完成人工洗車(chē)的替代功能，并且減少水、電等資源的浪費(fèi)，大幅提升洗車(chē)的效率。張勇在2019 年的論文中這樣說(shuō)到：可編程控制作為一種科學(xué)技術(shù)在不斷的發(fā)展，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性很好，能夠適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，基于全自動(dòng)洗車(chē)機(jī)不斷受到人們的喜愛(ài)，全自動(dòng)洗車(chē)機(jī)不僅能夠節(jié)省洗車(chē)的時(shí)間、減少洗車(chē)的人力物力，降低成本，同時(shí)也能夠避免工作人員與車(chē)輛進(jìn)行過(guò)多的接觸，減少對(duì)車(chē)輛的損壞。

世界經(jīng)濟(jì)水平在快速發(fā)展中，隨著時(shí)代的飛快進(jìn)步，GPS 導(dǎo)航技術(shù)、空間技術(shù)、汽車(chē)技術(shù)以及各種制造業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)都在迅速的進(jìn)步著。尤其是人們的生活質(zhì)量不斷地上升，小型汽車(chē)慢慢地變成為每一個(gè)家庭的重要交通代步工具，越來(lái)越多的家庭擁有他們自己的汽車(chē)，然后他們面對(duì)的問(wèn)題就是，如何在汽車(chē)弄臟之后選擇汽車(chē)清洗方式，大多數(shù)國(guó)內(nèi)的汽車(chē)清洗行業(yè)仍然處于人工清洗的階段，幾乎所有的洗車(chē)步驟都是由人工手工操作，耗費(fèi)時(shí)間、耗費(fèi)人力、耗費(fèi)大量的水資源等等，只有極少數(shù)的一些有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的公司會(huì)投資引進(jìn)國(guó)外的洗車(chē)設(shè)備來(lái)發(fā)展壯大自己的公司。但是在國(guó)外，大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都早早地采用了一體化自動(dòng)洗車(chē)裝置。在美國(guó)，很多洗車(chē)商店都有著全自動(dòng)洗車(chē)裝置，從需要洗車(chē)的顧客付款開(kāi)始到洗車(chē)過(guò)程結(jié)束，這當(dāng)中所有的過(guò)程都是自動(dòng)進(jìn)行，只會(huì)有少量的員工，他們只是會(huì)指揮你開(kāi)停車(chē)的正確位置，頂多會(huì)幫你按下開(kāi)始洗車(chē)按鈕，開(kāi)始噴淋清洗汽車(chē)。[1]

整個(gè)洗車(chē)場(chǎng)地非常的大，大約有3、4 個(gè)籃球場(chǎng)那么大，洗車(chē)線(xiàn)大約有50、60 米長(zhǎng)，4、5 米寬，其余位置都是吸塵的地方。洗車(chē)時(shí)，掛在空擋處，拉好手剎，關(guān)上車(chē)門(mén)和車(chē)窗，人們甚至坐在車(chē)子里面不需要出來(lái)，坐在車(chē)?yán)?，?chē)上的皮帶自動(dòng)前進(jìn)，會(huì)有一個(gè)高壓水槍自動(dòng)噴洗。洗車(chē)卡自動(dòng)支付，有很多檔次——普通的清洗、打蠟、里里外外無(wú)死角的清洗，三個(gè)檔次之間的價(jià)格差別不大，在10 美元以?xún)?nèi)。目前，中國(guó)也有很多地方引進(jìn)了國(guó)外的自助洗車(chē)機(jī)，但中國(guó)的人工成本遠(yuǎn)低于美國(guó)，場(chǎng)地條件也存在不成熟的缺點(diǎn)，所以還沒(méi)有普及。

早在2011 年，邵鴻翔與徐曉輝兩個(gè)人就設(shè)計(jì)出了一款基于PLC 的自助洗車(chē)房設(shè)計(jì)，他們的設(shè)計(jì)放在現(xiàn)在來(lái)看也不為過(guò)時(shí)，這個(gè)設(shè)計(jì)使用了西門(mén)子S7-300 PLC 作為中央處理器，擁有完整的洗車(chē)步驟，無(wú)論是頂部滾刷，還是噴淋結(jié)構(gòu)，都一應(yīng)俱全，他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，刷子運(yùn)用了平衡系統(tǒng)，能夠很好地適應(yīng)不同車(chē)子的車(chē)身結(jié)構(gòu)。由PLC 控制頂部滾刷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和整個(gè)車(chē)身的噴淋，達(dá)到全自動(dòng)洗車(chē)的目的。下圖1 是他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)圖。

1 基于PLC 的自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)總體方案

1.1 自動(dòng)洗車(chē)流程介紹

當(dāng)人們下達(dá)開(kāi)始洗車(chē)的命令（按下開(kāi)始按鈕），系統(tǒng)就可以開(kāi)始檢測(cè)車(chē)輛處于哪個(gè)位置，當(dāng)存在于清洗位置的傳感器檢測(cè)到汽車(chē)，它就可以發(fā)出一個(gè)信息脈沖給PLC，然后整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始清潔進(jìn)程，通過(guò)PLC 自動(dòng)控制操作，自動(dòng)進(jìn)行刷洗和清潔劑的噴灑以及風(fēng)干干燥等工作，當(dāng)系統(tǒng)的傳感器感知到汽車(chē)已經(jīng)開(kāi)出了清洗位置，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)停止清洗工作，然后由人工手動(dòng)復(fù)位，等候下一個(gè)洗車(chē)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)汽車(chē)，洗車(chē)機(jī)接觸器、傳感器停止工作，所有水閥關(guān)閉以及刷子停止刷洗，送出停止命令，刷洗工作停止。

1.2 自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

手動(dòng)啟動(dòng)后，要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)地檢測(cè)車(chē)輛是否已經(jīng)達(dá)到了清洗位置。假設(shè)車(chē)輛沒(méi)有達(dá)到指定的清洗位置，后續(xù)的洗車(chē)工作系統(tǒng)將無(wú)法進(jìn)行，而是處于等待狀態(tài)。如果傳感器檢測(cè)到汽車(chē)早早的抵達(dá)了清洗場(chǎng)地，那么就可以進(jìn)行后面的一系列動(dòng)作，包括刷子的左右移動(dòng)、刷洗操作、清洗劑噴灑、風(fēng)干等。在完成最后一步之前，整個(gè)系統(tǒng)都是人為可以操作的，并且需要人工手動(dòng)復(fù)位。

圖1 頂部滾刷系統(tǒng)

圖2 自動(dòng)洗車(chē)示意圖

1.3 自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

開(kāi)始洗車(chē)的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)傳感器判斷車(chē)子是不是停在了指定位置，如果是在指定位置，則系統(tǒng)啟動(dòng)，并且啟動(dòng)燈亮起，開(kāi)始洗車(chē)，如若沒(méi)有到達(dá)指定位置，則由人工復(fù)位，這時(shí)復(fù)位燈亮起，直到車(chē)子停到指定洗車(chē)位置，再開(kāi)始洗車(chē)運(yùn)作。當(dāng)開(kāi)始洗車(chē)后，進(jìn)行噴水，車(chē)子右移，直到碰到右極限開(kāi)關(guān)，這時(shí)車(chē)子開(kāi)始左移，在此期間，刷子進(jìn)行每一次5 秒的刷子運(yùn)作，當(dāng)車(chē)子碰到左極限開(kāi)關(guān)，開(kāi)始噴灑清洗劑，此時(shí)汽車(chē)往右運(yùn)動(dòng)，直到碰到右極限開(kāi)關(guān)，開(kāi)始噴水，并且向左運(yùn)動(dòng)，在碰到左極限開(kāi)關(guān)后，風(fēng)干系統(tǒng)開(kāi)始工作，鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)始吹風(fēng)，將車(chē)子身上的水吹干，整個(gè)洗車(chē)流程結(jié)束，啟動(dòng)燈熄滅，結(jié)束洗車(chē)。

汽車(chē)清洗機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)行進(jìn)方向是左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)這里使用了兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)——左行程開(kāi)關(guān)和右行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制，同時(shí)不同的反復(fù)往返順序還帶有著其他的不同動(dòng)作，比如刷子洗刷工作、噴淋清洗劑的工作、往車(chē)子身上噴水的工作、用吹風(fēng)機(jī)將車(chē)子烘干的工作等。這個(gè)系統(tǒng)還使用了可復(fù)位的設(shè)計(jì)。如果在洗車(chē)過(guò)程中，因?yàn)槟承┤藶樵?，汽?chē)并沒(méi)有達(dá)到指定的清洗位置，那么這個(gè)時(shí)候就需要手動(dòng)復(fù)位。當(dāng)復(fù)位燈亮?xí)r，汽車(chē)到達(dá)指定位置，人工按下開(kāi)始按鈕可以重新開(kāi)始清洗工作。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

汽車(chē)清洗機(jī)第一時(shí)間到達(dá)右限位動(dòng)作和刷子刷洗動(dòng)作時(shí)，接觸到右限位開(kāi)關(guān)使得右限位開(kāi)關(guān)完成運(yùn)作，并且控制汽車(chē)清洗機(jī)向左方向運(yùn)動(dòng)，噴水的動(dòng)作以及對(duì)車(chē)身的刷洗動(dòng)作持續(xù)進(jìn)行，一直等到左限位開(kāi)關(guān)運(yùn)作結(jié)束。在汽車(chē)清洗機(jī)第二次做向右移動(dòng)的動(dòng)作時(shí)，對(duì)汽車(chē)車(chē)身的噴水停止，刷子這個(gè)時(shí)候開(kāi)始運(yùn)行，與此同時(shí)，噴灑清洗劑的工作會(huì)一直進(jìn)行到接觸到右限位的行程開(kāi)關(guān)運(yùn)作時(shí)停止。汽車(chē)清洗機(jī)繼續(xù)保持向左移動(dòng)，與此同時(shí)持續(xù)地噴灑清洗劑，直到接觸到到左限位開(kāi)關(guān)，并使其運(yùn)作。而在第三次汽車(chē)清洗機(jī)右移時(shí)，汽車(chē)清洗機(jī)運(yùn)作挪到到正確的位置，并且停止3 s，刷子這個(gè)時(shí)候會(huì)仔細(xì)擦洗5 s，而且繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)的右移，直到遇見(jiàn)限位開(kāi)關(guān)。其中，想要達(dá)到汽車(chē)清洗機(jī)右移和刷子刷洗運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作的切換，可以運(yùn)用延遲計(jì)時(shí)器T38和T37 構(gòu)成的振蕩電路對(duì)其達(dá)到管控的目的，等到滿(mǎn)足要求后的限位開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖操控電路斷開(kāi)，停掉清洗工作。此時(shí)汽車(chē)清洗機(jī)向左運(yùn)動(dòng)，與最后右移時(shí)的運(yùn)作相同，直到接觸到左限位行程開(kāi)關(guān)。在汽車(chē)清洗機(jī)第四次向右移動(dòng)運(yùn)作時(shí)，噴水的動(dòng)作和刷子刷洗的動(dòng)作持續(xù)進(jìn)行，直到接觸到右限位行程開(kāi)關(guān)。繼而汽車(chē)清洗機(jī)進(jìn)行向左的移動(dòng)，一直持續(xù)地噴水，直到接觸到左限位行程開(kāi)關(guān)。汽車(chē)清洗機(jī)向右第五次移動(dòng)運(yùn)作狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候，風(fēng)扇正好開(kāi)始移動(dòng)，直到接觸到右邊的限位行程開(kāi)關(guān)，汽車(chē)清洗機(jī)此時(shí)會(huì)向左移動(dòng)，而風(fēng)扇繼續(xù)移動(dòng)。汽車(chē)清洗機(jī)持續(xù)向左移動(dòng)，直到接觸到左限位行程開(kāi)關(guān)。此時(shí)，控制系統(tǒng)就可以自動(dòng)讓整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)就可以完成洗車(chē)任務(wù)。

2 自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用選型應(yīng)該仔細(xì)并且慎重的考慮。自動(dòng)洗車(chē)機(jī)的選型、電動(dòng)機(jī)的選取、傳感器的選擇和PLC 類(lèi)型的選擇，都應(yīng)該逐個(gè)考慮，以達(dá)到確保它們的組合在一起可以穩(wěn)定并且連續(xù)的運(yùn)行的目的。

2.1 自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

機(jī)架運(yùn)作的結(jié)構(gòu)、小側(cè)刷清洗部分、頂側(cè)刷子的清洗部分、大側(cè)刷子的清洗部分、風(fēng)干吹干部分和清洗液系統(tǒng)組成了汽車(chē)清洗機(jī)的骨干部分。

機(jī)架方面，這里使用了兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)作為一個(gè)能源起源。經(jīng)過(guò)控制三相異步電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種轉(zhuǎn)動(dòng)方式，讓整個(gè)機(jī)體可以正確的向前或者向后移動(dòng)。與此同時(shí)，想要獲得保證軌道上運(yùn)作系統(tǒng)的安然的目標(biāo)，我在軌道的兩端設(shè)置了兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)，用這兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制整個(gè)車(chē)架的運(yùn)行范圍。機(jī)架運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的管制，由手動(dòng)操作的前行按鈕和手動(dòng)操縱的倒退按鈕進(jìn)行控制。兩個(gè)電機(jī)上面的接觸器由兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)來(lái)操控。

一個(gè)定位機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)刷洗機(jī)構(gòu)組成小側(cè)刷清洗機(jī)構(gòu)。由兩個(gè)交流三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)刷子的運(yùn)作。小側(cè)刷的定位機(jī)構(gòu)則是使用了兩個(gè)雙作用氣缸作為驅(qū)動(dòng)部分，并且經(jīng)過(guò)控制電磁閥對(duì)小側(cè)刷進(jìn)行定位。

轉(zhuǎn)動(dòng)刷子機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分一起組成了清洗系統(tǒng)的頂刷刷子結(jié)構(gòu)。在這里，我使用了三相異步交流電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)刷子的工作。頂部刷子的定位機(jī)構(gòu)則以氣缸為驅(qū)動(dòng)源，這里采用控制電磁閥來(lái)達(dá)到使其工作得目的。而且，因?yàn)轫敳克⒆拥膮^(qū)域會(huì)干涉到機(jī)架的工作情況，所以這里為了讓整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地工作，讓系統(tǒng)具有令人滿(mǎn)意的安全性能，在頂刷上設(shè)計(jì)并安裝了就地定位靠近開(kāi)關(guān)，用來(lái)確定頂刷能否抵到指定區(qū)域。

使用了大側(cè)刷定位機(jī)構(gòu)和刷子旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的是大刷子部分。由兩個(gè)異步交流三相電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)來(lái)源，用電機(jī)來(lái)帶動(dòng)刷子運(yùn)作。并且兩個(gè)交流接觸器的正反轉(zhuǎn)用刷子的旋轉(zhuǎn)來(lái)替代控制，大邊刷子復(fù)位的同時(shí)，中間位置和的前方和后方的位置辨認(rèn)、位置感知使用了四個(gè)接觸開(kāi)關(guān)和兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)完成，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)當(dāng)做大側(cè)刷子定位機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源，電機(jī)通過(guò)控制電磁閥的狀態(tài)。

風(fēng)干系統(tǒng)，風(fēng)干系統(tǒng)是由風(fēng)道操作機(jī)構(gòu)和吹風(fēng)機(jī)兩個(gè)系統(tǒng)組成。一些管道和兩個(gè)出風(fēng)機(jī)構(gòu)成鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)控制兩個(gè)接觸器來(lái)控制開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。同樣，電機(jī)控制電磁閥作為驅(qū)動(dòng)源來(lái)實(shí)現(xiàn)其工作動(dòng)作，但由于風(fēng)干系統(tǒng)一直處于移動(dòng)狀態(tài)，位置不夠穩(wěn)定，一旦與伸出車(chē)外的肢體部分發(fā)生接觸，很容易讓人受到傷害。因?yàn)檫@個(gè)，設(shè)計(jì)吹風(fēng)機(jī)定位光電開(kāi)關(guān)和導(dǎo)管定位保險(xiǎn)方法開(kāi)關(guān)，用來(lái)取得整個(gè)位置辨認(rèn)的準(zhǔn)確性。由水泵、潛水泵和裝有各種清洗劑的控制閥組成的沖洗管路裝置。采用兩個(gè)交流接觸器控制水泵和潛水泵的運(yùn)行，電磁閥實(shí)現(xiàn)控制管道的開(kāi)關(guān)。

總之，需要整個(gè)系統(tǒng)中的各種機(jī)構(gòu)和電磁閥之間的協(xié)調(diào)與配合運(yùn)作，才能讓這一整個(gè)汽車(chē)清洗機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程順利進(jìn)行，要是像這樣子，才能夠保證汽車(chē)清洗機(jī)的平安運(yùn)行而取得安全高效清洗子的目的。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分，這里選擇了Siemens 公司的Step7 micro/win 仿真軟件和S7-200 PLC 編程軟件。傳感器選擇了對(duì)射式光電傳感器，電機(jī)部分則選擇異步三相電動(dòng)機(jī)。

2.2.1 PLC

PLC 是一種被設(shè)計(jì)來(lái)用于工業(yè)的東西，可以被用于各種各樣的由數(shù)字操作的精密電子系統(tǒng)之中，可以將它用于存儲(chǔ)各種程序、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作、執(zhí)行各樣邏輯算法、控制順序、定時(shí)等，這些都采用了一種可編程存儲(chǔ)器。PLC 的英文名全稱(chēng)是Programmable Logic Controller。也被稱(chēng)作可編程邏輯控制器，而我們通常只叫它的簡(jiǎn)稱(chēng)——PLC[2]，現(xiàn)代工業(yè)控制的核心就是控制模擬或者數(shù)字的輸出/輸入量以此來(lái)達(dá)到控制每個(gè)方面的生產(chǎn)和機(jī)械方面。

張淼，王永東主編的西門(mén)子S7-200 PLC 應(yīng)用技術(shù)里面提到：PLC 是二十世紀(jì)六十年代以來(lái)發(fā)展速度非?？?、應(yīng)用方面十分廣泛的工業(yè)控制裝置，而且它也被稱(chēng)作為現(xiàn)代現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之首。在這本書(shū)里，他們?cè)敿?xì)的介紹了各種常用PLC 的型號(hào)以及外形，非常適合我們?nèi)チ私夂蛯W(xué)習(xí)PLC[3]。

PLC 技術(shù)還在加入了模擬卷的處理以及運(yùn)動(dòng)控制等強(qiáng)大的功能，這都是建立在交換卷處理的基石上實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)如今的PLC 已經(jīng)是在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域和過(guò)程控制等領(lǐng)域發(fā)揮著非常至關(guān)重要的作用，而不再僅僅局限于以往的那種邏輯控制。PLC 控制器操作時(shí)，首先將接收到的掃描字段和各個(gè)輸入設(shè)備的狀態(tài)以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在I/O 圖像區(qū)，并從用戶(hù)程序內(nèi)存中讀取用戶(hù)程序，以便說(shuō)明應(yīng)適用的算術(shù)指令，或邏輯操作到I/O 圖像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器的結(jié)果。所有用戶(hù)程序被執(zhí)行，I/O 圖像區(qū)域或輸出寄存器中的數(shù)據(jù)的輸出狀態(tài)最終被傳送到相應(yīng)的輸出設(shè)備，并且循環(huán)繼續(xù)，直到其停止。并且，人們想要PLC 的可依賴(lài)性能變得更佳，近些年來(lái)，一些大型的PLC 使用了好幾個(gè)CPU 的工作方式，有兩個(gè)的、三個(gè)的甚至更多。正因?yàn)檫@些措施，即便是其中的某一個(gè)CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍然有效。PLC 控制器的控制中心是中央處理單元(CPU)。接收和存儲(chǔ)用戶(hù)程序和數(shù)據(jù):檢查電源、I/O 點(diǎn)、內(nèi)存、警報(bào)計(jì)時(shí)器狀態(tài)，并診斷用戶(hù)程序語(yǔ)法錯(cuò)誤。這些都是由PLC 控制器系統(tǒng)編程[4]。

文曉在她的《探討：PLC，未來(lái)之變》中曾講過(guò)，在經(jīng)過(guò)了50 多年的持續(xù)發(fā)展之后，PLC 跟五十年前相比，已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，在PLC 誕生的初期，它主要是用于替代傳統(tǒng)的繼電器硬接線(xiàn)邏輯電路，而隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，PLC 在性能、功能、易用性和產(chǎn)品形態(tài)等方面已歷經(jīng)幾代變革[5]，已經(jīng)發(fā)展成為具有運(yùn)動(dòng)控制功能、過(guò)程控制功能的通用控制器[6]。從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，PLC 的應(yīng)用幾乎涵蓋了自動(dòng)檢測(cè)相關(guān)的所有領(lǐng)域，應(yīng)用非常廣泛。自動(dòng)控制的工業(yè)領(lǐng)域與民用領(lǐng)域，涵蓋的有機(jī)械、建筑等各個(gè)方面[7]。CPU 模塊、接口模塊以及編寫(xiě)程序器、信息來(lái)往電纜、存儲(chǔ)裝置、讀寫(xiě)裝置、文字顯示裝置等組成了S7-200PLC 系統(tǒng)。

S7-200PLC 包含了基本的輸出/輸入板塊、中央處理器板塊以及電力來(lái)源版塊。擴(kuò)展模塊可連接數(shù)字輸出/輸入模塊、模擬輸出/輸入模塊、信息模塊和特殊功能模塊。PLC的工作原理是周期性?huà)呙璧难h(huán)往復(fù)過(guò)程，其中PLC 的運(yùn)行始終處于順序掃描循環(huán)的過(guò)程中。S7-200 系列PLC 基本搭建模塊及主機(jī)，包括PLC 編程設(shè)備、人機(jī)交互界面，并根據(jù)實(shí)際需要增加或減少人的擴(kuò)展模塊，因此，S7-200 系列PLC 也是可以獨(dú)立運(yùn)行的，而且可以在輸出/輸入兩個(gè)端口進(jìn)行擴(kuò)展，還可以進(jìn)行連接功能擴(kuò)展。

為我們熟知的可編程序控制器(PLC)就是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)于一體的新型常用的自動(dòng)控制裝置。它具有非常強(qiáng)的功能性、可依賴(lài)性能極高、使用起來(lái)靈活方便、并且易于編程以及適應(yīng)工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的功能強(qiáng)大等一系列的優(yōu)點(diǎn)。PLC 無(wú)論是在開(kāi)關(guān)控制和模擬控制中，還是在定位控制中，或者是在網(wǎng)絡(luò)控制中，都表現(xiàn)出了非常優(yōu)越的特點(diǎn)[8]。相關(guān)的行業(yè)有了很大的進(jìn)步和提升，很大程度上都是因?yàn)镻LC 在眾多企業(yè)中被用在各種需要自動(dòng)控制的場(chǎng)景之中，一定程度上也使得社會(huì)向前進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)水平向上發(fā)展。PLC 是一種計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通信技術(shù)，作為它數(shù)字操作控制器之一，它給我們自動(dòng)化控制領(lǐng)域帶來(lái)了很大的方便而且還極大地提高了企業(yè)的工作效率。

張磊在2016 年的基于PLC 自動(dòng)控制的概述中是這樣介紹PLC 的——PLC 從原理上說(shuō)，可編程控制器和計(jì)算機(jī)是一致的，為了和工業(yè)控制相適應(yīng)，PLC 采用掃描原理來(lái)工作。用掃描原理來(lái)工作的原因是因?yàn)镻LC 是由繼電器控制發(fā)展而來(lái)的，而CPU 掃描用戶(hù)程序的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于繼電器的動(dòng)作時(shí)間，僅僅使用循環(huán)掃描的方法就可以解決其中的矛盾。循環(huán)掃描的工作方式是PLC 區(qū)別于普通的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要方面[9]。

用PLC 進(jìn)行自動(dòng)化電氣控制的優(yōu)點(diǎn)：

（1）應(yīng)用起來(lái)簡(jiǎn)便，有較強(qiáng)的實(shí)用性；（2）后期的維護(hù)及改造相比較來(lái)說(shuō)，較為方便；（3）還擁有較強(qiáng)的抗干擾性能；（4）造型適應(yīng)目前各種各樣的工業(yè)化要求。

S7-200 系列具備十分明顯的性?xún)r(jià)比，被運(yùn)用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合的自動(dòng)化設(shè)備的檢測(cè)、監(jiān)控和控制的S7-200是一款小型可編程控制器。同時(shí)，它也具有非常強(qiáng)大的功能，S7-200 系列無(wú)論是獨(dú)立的運(yùn)作或者是連接的網(wǎng)絡(luò)都使它有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。

S7-200 系列的優(yōu)點(diǎn)有這么幾點(diǎn)：它的指令集各種各樣；它可以讓人們無(wú)條件地相信它；而且對(duì)人們來(lái)說(shuō)容易掌握；操作簡(jiǎn)單；擴(kuò)展模塊多；實(shí)時(shí)性好；具有良好的通信能力。

S7-200 系列的適用范圍廣泛，能應(yīng)用于簡(jiǎn)單的繼電器控制，也能夠運(yùn)用在復(fù)雜的自動(dòng)控制行業(yè)領(lǐng)域，它的功能在自動(dòng)化控制領(lǐng)域發(fā)揮的淋漓盡致。無(wú)論是民用電力裝置，環(huán)保裝置還是標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的工業(yè)控制領(lǐng)域，比如數(shù)控機(jī)械等，都能夠完美勝任，所以它是一種很值得信賴(lài)的產(chǎn)品。

中央處理器的單元選擇是不一樣的，每一個(gè)CPU 型號(hào)的輸出和輸入接口都不相同，比如221，它有6輸入和4輸出，而222 則輸入和輸出分別比221 多兩個(gè)，以此類(lèi)推，224 的比222 輸入和輸出分別多兩個(gè)。

S7-200 可作為負(fù)載電源使用，也可直接連接致動(dòng)器和傳感器，CPU221、222 具有180 毫安輸出，224、224XP、226 分別輸出280、400 毫安。

CPU224有24 個(gè)I/O，分別有14 個(gè)輸入點(diǎn)和10 個(gè)輸出點(diǎn)，168 個(gè)數(shù)字I/O 或者35 個(gè)模擬I/O 是它的極限連接數(shù)量，而且拓展板塊可以接7 個(gè)。224 有著六個(gè)三萬(wàn)赫茲的高速計(jì)數(shù)器，也有13K kb 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，兩個(gè)高達(dá)兩萬(wàn)赫茲的高速脈沖輸出和一個(gè)比例、積分、微分控制器，224 有著RS-485 通信口，可以進(jìn)行自由的通信、PPI 通信和MPI 通信。這個(gè)PLC 控制器的體積足夠小，但是控制能力很強(qiáng)大。

2.2.2 I/O 分析以及分配

根據(jù)系統(tǒng)組成分析，有6 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)，14 個(gè)輸入點(diǎn)，1 個(gè)模擬量輸入輸出點(diǎn)。

自動(dòng)洗車(chē)機(jī)的控制系統(tǒng)本文中所描述使用輸出信號(hào)9個(gè)，向右洗車(chē)機(jī)操作Q0.0，Q0.1 是風(fēng)扇運(yùn)行的操作，刷子運(yùn)行的操作為Q0.2，Q0.3 操作左洗車(chē)機(jī)，清洗噴霧劑操作Q0 1.4，澆水動(dòng)作Q0.5，洗車(chē)機(jī)停止運(yùn)行Q0.6，啟動(dòng)燈光Q0.7，復(fù)位指示燈Q1.0。四個(gè)輸入信號(hào)，這是I0.0的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，I0.1 左限位開(kāi)關(guān)，右限位開(kāi)關(guān)及復(fù)位按鈕I0.2、I0.3。按下啟動(dòng)按鈕后，這個(gè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)清洗動(dòng)作，自動(dòng)停止清洗運(yùn)作過(guò)程，手動(dòng)復(fù)位。但是下次啟動(dòng)前必須重新設(shè)置。由輸出和輸入的數(shù)量來(lái)看，這里可以使用CPU224。下表1為PLC 的I/O 分配表。

表1 I/O 分配表

3 介紹選型

3.1 傳感器的介紹選型

為了檢測(cè)過(guò)往車(chē)輛以及清洗車(chē)輛，此時(shí)必須使用傳感器，允許現(xiàn)場(chǎng)條件與光纖傳感器一起使用。一個(gè)傳感器只可以探測(cè)到車(chē)輛的存在，但不可能探測(cè)到進(jìn)入和退出的兩種狀態(tài)。所以為了檢測(cè)車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)，必須要使用兩個(gè)傳感器。通過(guò)判斷兩個(gè)傳感器檢測(cè)車(chē)輛的先后順序，確定車(chē)輛的出入口。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入車(chē)輛時(shí)，傳感器A2 首先檢測(cè)車(chē)輛，然后是A1。當(dāng)汽車(chē)離開(kāi)汽車(chē)時(shí)，傳感器A1 首先檢測(cè)它，A2 稍后檢測(cè)它。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，兩個(gè)傳感器之間的距離一般比較近，所以身體會(huì)同時(shí)覆蓋兩個(gè)傳感器。因此，判斷車(chē)輛進(jìn)出的標(biāo)準(zhǔn)是:當(dāng)A1 為1 時(shí)，A2 經(jīng)歷一個(gè)上升沿出車(chē)，反之亦然。根據(jù)要求，此處應(yīng)選擇對(duì)射式光電傳感器。型號(hào)選擇為BJ15M-TDT，最遠(yuǎn)可以檢測(cè)15 米，完全符合本次設(shè)計(jì)要求。下表2 為該傳感器的參數(shù)表。

圖4 對(duì)射式光電傳感器

3.2 電機(jī)的介紹選型

三相異步交流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)正是我們所需要的，比如它聲音小、可以使用的時(shí)間長(zhǎng)，節(jié)省電力、維修起來(lái)簡(jiǎn)單、效率高等等。在主電路上，這里的電動(dòng)機(jī)我選擇了異步三相電動(dòng)機(jī)100L2-4，采用“Y”型接法，轉(zhuǎn)速選擇1500r/min，功率為3kW。額定電壓為380(V)，額定電流為6.8(A)。安裝尺寸和功率等級(jí)完全合乎電工委員會(huì)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)表如下表3 所示。

3.3 水泵的介紹選型

根據(jù)電氣要求，此處的電機(jī)選型要求電機(jī)功率不得大于5kW，不然的話(huà)會(huì)影響電機(jī)的壽命，所以水泵的參數(shù)如下表4。

4 自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 預(yù)洗車(chē)階段

在洗車(chē)前的準(zhǔn)備階段，做一些準(zhǔn)備工作，車(chē)主將需要清潔的車(chē)送到指定的清洗地點(diǎn)，做一些準(zhǔn)備工作，然后就可以開(kāi)始洗車(chē)了。

表2 BJ15M-TDT 對(duì)射式光電傳感器參數(shù)表

表3 三相異步電機(jī)參數(shù)表

表4 水泵參數(shù)表

圖5 啟動(dòng)程序梯形圖

圖6 復(fù)位程序梯形圖

4.1.1 啟動(dòng)

工作人員手動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)按鈕，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)就開(kāi)始工作，啟動(dòng)輸入信號(hào)I0.1 通電，I0.3 得電，觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)燈亮起，線(xiàn)圈M1.5 持續(xù)保持得電狀態(tài)。

4.1.2 復(fù)位

在洗車(chē)完畢后，在下一輛車(chē)停到清洗位置之前，需要人工復(fù)位，這時(shí)人工按下復(fù)位按鈕，I0.3 得電，與此同時(shí)使得M1.6 以及Q0.3 兩個(gè)線(xiàn)圈工作，此時(shí)汽車(chē)清洗機(jī)向左運(yùn)作，當(dāng)汽車(chē)清洗機(jī)抵達(dá)左邊的極限開(kāi)關(guān)后，I0.2 得電，此時(shí)會(huì)同時(shí)觸發(fā)Q0.1，所以復(fù)位燈亮起。

4.2 洗車(chē)階段

4.2.1 左右移動(dòng)

汽車(chē)清洗機(jī)左右移動(dòng)工作狀態(tài)，在啟動(dòng)系統(tǒng)之后，M0.0會(huì)持續(xù)保持得電狀態(tài)，在車(chē)子抵達(dá)右邊的限位開(kāi)關(guān)以后，I0.1 就可以得電，同時(shí)觸發(fā)Q0.3 和M0.1，I0.0 關(guān)閉，M0.0和Q0.0 得電，這個(gè)時(shí)候汽車(chē)清洗機(jī)就可以開(kāi)始向右運(yùn)作。

4.2.2 刷子運(yùn)作

Q0.2 觸發(fā)之后，刷子會(huì)以周期為5 秒的循環(huán)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始工作，而且會(huì)適當(dāng)情況下停止。

4.2.3 清洗劑噴灑

圖7 左移程序梯形圖

圖8 右移程序梯形圖

圖9 刷子運(yùn)作程序梯形圖

噴灑洗潔劑的運(yùn)行過(guò)程為，線(xiàn)圈M0.2 得電，同時(shí)觸發(fā)M0.3 和Q0.4 兩個(gè)線(xiàn)圈，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)就可以開(kāi)始噴灑清洗劑了，但是在這個(gè)過(guò)程中，線(xiàn)圈M0.3 還是一直處于得電的狀態(tài)。

4.2.4 風(fēng)干

風(fēng)干的運(yùn)作原理為，當(dāng)洗車(chē)機(jī)向左邊移動(dòng)，而且在快要觸碰到左邊的極限開(kāi)關(guān)時(shí)，會(huì)同時(shí)觸發(fā)Q0.1、Q0.0 以及線(xiàn)圈M1.2，此時(shí)，汽車(chē)清洗機(jī)開(kāi)始向右邊運(yùn)動(dòng)，風(fēng)干動(dòng)作開(kāi)始進(jìn)行。

5 自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)仿真與調(diào)試

5.1 仿真軟件

組態(tài)軟件指的是一些預(yù)設(shè)各種軟件模塊可以很容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的功能，數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制而使用的專(zhuān)用軟件，它們能以靈活的非編程方式提供良好的用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)和使用簡(jiǎn)單的方法，它們可支持各種計(jì)算機(jī)硬件制造商和I/0 設(shè)備，是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層的水平的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境以及高度可靠的工業(yè)控制機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以控制層和所有的接口管理軟件和硬件，系統(tǒng)集成。

圖10 清洗劑噴灑程序梯形圖

圖11 風(fēng)干程序梯形圖

美國(guó)是世界上第一個(gè)發(fā)布監(jiān)控組態(tài)軟件的國(guó)家，他們?cè)谏蟼€(gè)世紀(jì)80 年代就已經(jīng)將組態(tài)軟件進(jìn)行商用了，那個(gè)時(shí)候的軟件叫INTOUCH，開(kāi)發(fā)INTOUCH 的公司為WONDERWARE——是世界上最先將組態(tài)軟件商用的專(zhuān)業(yè)軟件公司。從那以后，組態(tài)軟件便開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。目前，世界上有幾十種配置軟件。國(guó)際上耳熟能詳?shù)谋O(jiān)控配置軟件有虛擬儀器、Citech、Fix、英塔吉、Wincc 等等。

組態(tài)軟件主要用于顯示靜態(tài)圖像，而且還增加了以各種其他格式加載圖像的能力。讓位圖構(gòu)建不僅僅顯示標(biāo)準(zhǔn)的Windows 位圖文件。組態(tài)軟件同樣有著很厲害的數(shù)據(jù)處理功能，它可以對(duì)工業(yè)站點(diǎn)上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種樣式的數(shù)字統(tǒng)計(jì)處理，用戶(hù)完全可以獲得關(guān)于某個(gè)站點(diǎn)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。而且用戶(hù)還可以構(gòu)建組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)與站點(diǎn)的對(duì)接，通過(guò)計(jì)算機(jī)了解場(chǎng)地的所有情況。還可以通過(guò)組態(tài)軟件模擬理想的場(chǎng)地條件，用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)許多組態(tài)軟件無(wú)法模擬的變量。

計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用，以及工業(yè)級(jí)自動(dòng)化水平的飛速提升，讓人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制提出了越來(lái)越高并且越來(lái)越嚴(yán)格的要求。以往傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)的所有需求，因?yàn)樵诠I(yè)領(lǐng)域運(yùn)用了種類(lèi)繁多的過(guò)程監(jiān)控設(shè)施和控制設(shè)施[10]。而且，如果在工業(yè)的嚴(yán)格環(huán)境中，一旦某一個(gè)開(kāi)發(fā)的環(huán)節(jié)出現(xiàn)了某種問(wèn)題，或者發(fā)生了某一個(gè)小變化，所有的程序都將功虧一簣，人們就得花費(fèi)大量的時(shí)間去修改整個(gè)系統(tǒng)的源程序，那將變得異常的困難。

5.2 仿真結(jié)果顯示

用仿真軟件建立仿真模擬圖，左半部分表示洗車(chē)車(chē)間的設(shè)備分布，右半部分則是人工操作面板，洗車(chē)過(guò)程都會(huì)在控制面板一一亮起指示燈。洗車(chē)的時(shí)候工作人員可以實(shí)時(shí)觀(guān)察車(chē)子清洗進(jìn)程中的每一步，并且能夠在必要的時(shí)候進(jìn)行復(fù)位等應(yīng)急操作。

本文使用了PLC 編程技術(shù)、配置軟件仿真知識(shí)、傳感器的選擇等，設(shè)計(jì)了一個(gè)較為普通的自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)，希望能夠通過(guò)研究PLC 編程技術(shù)背景及其原理、介紹自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，然后給研究自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)系統(tǒng)擬定了初步的思路。