汽车自动清洗机PLC控制系统设计

摘 要 随着我国汽车保有量的 持续增加 ,汽车清洗行业也迎来了一个重要的发展机遇。 汽车清洗机是洗车工作必不可少的设备。 开发汽车自动清洗机对于节约水资源和环境保护，提高其工作效率具有重要意义。 本课题设计，主要通过对汽车自动清洗机功能要求和运行过程的分析，确定了汽车自动清洗机的总体方案。并主要进行了汽车清洗系统电气和控制系统的设计。针对汽车自动清洗机的特点，本文采用了电机来进行驱动控制。在控制系统部分，应用可编程控制器技术，对汽车自动清洗机 PLC 控制系统进行了硬件设计和软件控制系统的编程。 PLC 采用了西门子公 司生产的 S7-200 系列可编程控制器，采用了梯形图的编程语言，实现了汽车自动清洗机的传动和控制要求，满足了高效、环保、安全、可靠和低成本的要求。 本文主要论述了以下几个内容： 1、 汽车自动清洗机的总体设计方案 ； 2、 汽车自动清洗机的电气系统的设计 ； 3、 汽车自动清洗机的 PLC 控制系统的设计，其中包括硬件设计和软件设计 。 关键词 ：汽车自动清洗机；电动机；电路图；可编程控制器； II Abstract As the amount of cars increases very quickly, the service trades of car are facing a very important chance. Car washer is the most important equipment in the process of washing car. It is important to develop automatic car washing machine for conserving water resources and environmental protection, improving their efficiency. In the design of this project, according to analyze the function requirement and the operating process of automatic car washing machine, the overall scheme of the automatic car washer. The detail design of the driving and controlling system of car washer is designed. According to the characteristics of automatic car washing machine, this paper adopted the motor to driving system. In the control system, adopted the technology of sensor and PLC, designed the composition of PLC hardware and programmed the controlling software. The PLC controller adopted Siemens company produces S7-200 series programmable controller, using a ladder diagram programming language, realized the driving and controlling requirements, meet the demand of the efficiency, environmental protection, safety, reliability and low cost requirements. This paper mainly discusses the following contents: 1 Automatic cleaning machine of automobile overall design； 2 Design of automatic cleaning machine of automobile electrical system； 3 Design of PLC control system of the automatic cleaning vehicle, which includes hardware design and software design. Key words: Automatic Cleaning Machine for Vehicle； Motor； Circuit Diagram； Programmable Logic Controller 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 汽车自动清洗机的国内外研究现状 . 1 1.3 设计的主要内容 . 4 2 汽车自动清洗机的总体方案设计 . 5 2.1 汽车自动清洗机总体方案论证 . 5 2.2 主要机构的运行过程分析以及设计 . 6 2.3 汽车自动清洗机总体方案设计 . 7 2.3.1 汽车自动清洗机的组成及主要技术参数 . 7 2.3.2 汽车自动清洗机的清洗动作步骤 . 7 2.3.3 汽车自动清洗机的总体设计 . 8 2.3.4 汽车自动清洗机的控制方案的分析设计 . 10 3 汽车自动清洗机的电气系统的设计 . 11 3.1 汽车自动清洗机的控制系统的电路设计 . 11 3.2 汽车自动清洗机控制系统中电动机的选择 . 12 4 汽车自动清洗机 PLC 控制系统的设计 . 15 4.1 可编程控制器（ PLC）的组成 . 15 4.2 PLC 控制系统设计的基本原则和一般步骤 . 15 4.2.1 PLC 控制系统设计的基本原则 . 15 4.2.2 PLC 控制系统设计的一般步骤 . 15 4.3 汽车自动清洗机 PLC 控制系统的硬件设计 . 16 4.3.1 汽车自动清洗机控制要求和控制分析 . 16 4.3.2 控制系统 I/O 点的确定和 PLC 的选型 . 17 4.3.3 PLC 的 I/O 地址分配表及接线图 . 18 4.4 汽车自动清洗机 PLC 控制系统的软件设计 . 19 4.4.1 PLC 控制系统软件设计方法 . 19 4.4.2 PLC 的编程语言 . 20 4.4.3 PLC 编程的一般规则 . 20 4.4.4 汽车自动清洗机的工艺流程分析 . 21 4.4.5 PLC 程序的编制 . 22 5 结论与展望 . 32 5.1 结论 . 32 5.2 不足之处及未来展望 . 32 致 谢 . 33 IV 参考文献 . 34 附 录 . 35 汽车自动清洗机 PLC 控制系统设计 1 绪论 1.1 研究背景 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，据国家统计局统计，截止 2011 年年末，全国民用汽车保有量达到 10578 万辆（包括三轮汽车和低速货车1228 万辆），比上年末增长 16.4%，其中私人汽车保有量 7872 万辆，增长 20.4%；民用汽车保有量 4962 万辆，增长 23.2%，其中私人轿车 4322 万辆增长 25.5%。汽车产业已成为国家经济新的增长点 1。 随着汽车数量的日益增长，老百姓对汽车的消费观念发生着巨大的改变，人们从过去单一化的消费观念转变为追求多元化的消费观 念。随之而来的便是带动了汽车清洗保养等行业的发展，其中汽车的清洗便是不可缺少的内容。汽车清洗可作为汽车美容、保养的一个前期必须工序或者一个独立的汽车服务项目，有着广阔的市场前景和可观的发展空间。 目前，大多数国内的汽车清洗由传统的人工完成。 大多数汽车洗车点通常只是简单的由人工擦洗或采用高压水枪冲洗完成。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， 没有站房和自动清洗打蜡设备，没有污水处理设备和污泥处置措施 2。 。 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；而且严重影响了城市的市容卫生 3。 目前国内比较大型的汽车美容公司，所 拥有的电脑洗车机主 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，维修周期比较长，投资回收期较长，其自动控制系统不是适合小型的、专门的汽车清洗行业，这极大的限制了电脑洗车机的推广和使用。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。所以，基于市场发展，节水和坏境保护以及洗车业投资和成本控制的角度出发，开发一种即满足汽车清洗速度快、效率高的要求又能满足节水环保且设备投资较低的洗车机，对促进我国汽车清洗美容、汽车保养等产业的发展，将具有重要的意义。 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。 1.2 汽车自动清洗机的国内外研究现状 汽车清洗是近二十 年才在我国逐渐发 展起来的新兴行业，具备资金和技术门槛低的特点。由于 相关的行业标准不是十分完备，对场地、环保、设备、技术、经营管理等方面都缺乏明确的规定和要求，导致本该被淘汰地洗车方式仍然在 洗车市场上大行其道，而无水洗车、全自动电脑化洗车等先进的洗车 方式却在市场份额中占有很小的比例 4。 目前，城市落后的人丁洗车方式已不能适应现代化城市的市容卫生 与 行业发展的需求，也不符合企业 的规模经营、专业化，规范化的要求，更谈不上行业的可持续发展； 中无锡太湖学院学士学位论文 2 国的洗车行业健康有 序地发展，当务之急，必须推广科学的、环保的、符合中国国情的科学洗车方式，要新的理念、新的思路和新的方法来管理洗车行业，提升行业的形象和竞争力 5。 汽车清洗的主要目的就是把汽车上的灰尘油污清洗干净，使汽车清洁亮丽。目前常见的洗车方法主要有以下几种： 1、 人工洗车：先用抹布蘸水擦湿车身，再涂上洗车液用抹布擦洗一遍，然后用清水冲洗，最后用干抹布吸水、吸干。这种洗车方法不仅会对车身油漆有损伤，降低车身漆面光洁度，而且会造成水资源的浪费及污染环境。 2、 高压清洗机洗车： 分为高压冷水清洗机（图 1.1）和 高压冷热两用清洗机（图1.2）。前者用于气温较高的南方一带，后者除了提供常温的高压水外，还增加了电加热装置，输出高压水的温度可调节，清洁效果更好，但能耗大，一般仅适于冬季寒冷的地区使用。但高压水枪压力大，易对车身油漆造成伤害，会使车身电路内部进水，锈蚀金属件，造成电线短路，产生危险。 图 1.1 高压冷水清洗机 图 1.2 高压冷热两用清洗机 3、 泡沫清洗机洗车：泡沫清洗机（图 1.3）与高压清洗机不同之处在于它输出的水不但可以增压（输出压力约为 0.1 0.5MPa），而且还能加入专用的清洗剂，再通过压缩空气（由空气压缩机提供），使清洗剂泡沫化，然后从泡沫喷枪喷出，能将泡沫状的清洗液均匀地涂敷于车身外表，通过化学反应，从而起到极佳的除尘和去油污作用。 4、 蒸汽洗车：蒸汽洗车是通过高温蒸汽洗车机（图 1.4）将水加热成蒸汽后，用蒸汽来清洗汽车。其具有节水、节能的特点。但由于设备质量问题存在安全性不高，极易产生污水造成污染，洗车效果 和效率差的缺点。 汽车自动清洗机 PLC 控制系统设计 图 1.3 气动泡沫清洗机 图 1.4 高效电热蒸汽清洗机 5、 全自动电脑洗车机：电脑洗车机是利用电脑控制毛刷和高压力水雾电脑洗车机是利用电脑控制毛刷和高压水枪来清洗汽车的一种设备。主要由电路、气路、水路和机械部分构成。它可通过编制多种洗车程序来完成不同要求地洗车效果。具有洗车效果好，效率高，节水等特点 6。 全自动电脑洗车机，顺应时代的需要应运而生 ； 它的出现是向传统洗车方 式的挑战，中国的洗车行业 必须与国际洗 车业接轨， 来 缩小与国际先进洗车行业的差距，因此，推广和应用全自动洗车机势在必行 8。全自动洗车机与现在广为采用的、落后的人工洗车方式相比，有着无可比拟的优点 ： 1）洗车洁净：全自动洗车机由程序控制，采用仿形超软洗涤工具，能排除人为因素，保证洗车质量。 2）安全可靠：全自动洗车机由电脑按设计程序控制全过程的操作，完全避免人工操作引起的人身、设备事故。 3）快捷高效：它极大的提高了洗车的工作效率。 4）不伤漆面：全自动清洗机采用科学合理的棉刷，洗涤过程中不会损伤车身漆面。电脑洗车刷压力均匀、洗车速度及方向稳定，对汽车车身表面漆面造成的损伤很小，远小于人工洗车造成的损伤。 5）环保节水：全自动洗车机可配套使用循环废水处理技术，不仅使大部分水循环使用，减少污水排放量，满足了环保要求，而且可以大量节约水资源。 6）节省人工：全自动洗车机只需要一个人操作，比人工洗车节省用工量。 全自动电脑洗车机 在洗车过程中，电脑洗车机是靠压力传感器和光电控制器来进行相应洗车工作的。电脑洗车机根据功能类别主要分为汽车移动式全自动电脑洗车机（隧道式如图 1.5）和汽车固定式全自动电脑洗车机（龙门 往复式）两类。 无锡太湖学院学士学位论文 4 图 1.5 隧道连续式电脑洗车机 1.3 设计的主要内容 经过对大量的文献资料的分析整理和市场调查，发现目前市场上销售的各类全自动洗车机，从价格、可靠性、节水环保、洗车效果等方面综合考虑分析，都存在不同程度的欠缺。鉴于此，从而设计开发一种适合国情的汽车固定式全自动洗车机，以满足市场的需要。本设计课题的主要内容： 1、汽车自动清洗机的总体方案设计 2、汽车自动清洗机的电气控制系统的设计 3、汽车自动清洗机的 PLC控制系统的设计 汽车自动清洗机 PLC 控制系统设计 2 汽车自动清洗机的总体方案设计 2.1 汽车自动清洗机总体方案论证 经过前期的市场调查分析，目前，汽车清洗主要集中在轿车、小型面包车等各种小型客车的外表清洗上，所以本课题设计的自动清洗机主要功能应集中在安全、有效的清洗各种小型客车的外表上。从大体方面入手，汽车的清洗是由车辆和机架（毛刷）的相对运动来完成的 8，所以我们有两种设计方案： 1.机架不动，汽车沿轨道前进完成清洗； 2.车不动，机架运动完成清洗； 第一种方案在机架下方安装一导轨（或传送带），由链条或者其他工具带动汽车前进。其特点是各机构按洗 车工艺顺序分立布置，汽车按照轨道前进依次进入高压喷淋、清洗液清洗、毛刷清洗和风干等工序，最终完成汽车清洗任务。由于其各个工序分开布置，所以设备占地面积和所需作业场地很大。其工艺流程如图 2.1所示。 图 2.1 汽车移动式洗车机工艺流程 第二种方案汽车不动，清洗机的机架运动，从而带动顶刷和侧刷有规律性的运动来完成清洗工作。其特点是各工序机构集中于一个工位，同一个工位需要完成所有工序任务。而且通过事先做好的几类不同的车型所制定好的方案可以很方便的进行清洗。它的优点是清洗结 构紧凑、简单、占地面积小，从而降低成本。其工艺流程如图 2.2所示。 图 2.2 汽车固定式洗车机工艺流程 不仅如此，第一种方案的清洗机在清洗汽车时随着车辆的运动水和清洗机要不停的喷洒车辆，无形中就会浪费掉一些水资源以及清洗剂；而第二种方案就能很好的避免水和清洗剂的浪费，在这一运动过程中，汽车是不动的，动的只是清洗机的机架，这样水和清洗剂就可以很准确的喷向所需的地方。很大程度上减少了水资源的浪费。而且占地面积小，高压喷淋 汽车 汽车 汽车 汽车 清洗液清洗 毛刷刷洗 风干 汽车 毛刷刷洗 高压喷淋 风干 清洗液清洗 无锡太湖学院学士学位论文 6 成本低、环保。 综上所说，我决定按照第二种方案进行设计， 我们设计一种龙门架往返式运动的汽车自动清洗机。结合当前轿车、小型面包车的外形尺寸，可确定汽车自动清洗机的洗车高度为 2000mm，洗车机的洗车宽度为 2000mm。这个设备主要由龙门架、一支顶刷和一对侧刷（立刷）组成。通过电动、液压、气压装置对其进行控制。 2.2 主要机构的运行过程分析以及设计 由于汽车在整个清洗过程中是固定不动的，为了完成汽车的清洗的任务，清洗机的各部分均需完成各自的相对独立的功能。由于各部分相对于汽车的相对运动轨迹不同，必须对洗车机各机构进行运动过程分析，以使各机构在时间和空间上能 够协调工作，保证清洗过程的顺利进行。 顶刷的作用是对汽车的上表面轮廓进行仿形刷洗 9，它的运动包括自身绕中心轴的旋转运动及与车身轮廓形状相近的运动 (如图 2.3）。绕中心轴旋转运动通过 电动机来实现。而与车身轮廓相近的运动通过机架的行走及气缸来完成。 图 2.3 顶刷行程轨迹示意图 侧刷的作用是完成汽车侧面等部位的清洗工作。它的运动主要包括自身绕中心轴转动和回转中沿车身的运动。其回转中心运动轨迹与车身形状相似（如图 2.4）。 汽车自动清洗机 PLC 控制系统设计 图 2.4 侧刷运动轨迹示意图 1、 2侧刷 3汽车 2.3 汽车自动清洗机总 体方案设计 2.3.1 汽车自动清洗机的组成及主要技术参数 汽车自动清洗机的组成：主要由机械系统、驱动系统、控制系统以及水处理 循环 系统10组成。 本设计汽车自动清洗机的主要技术参数参见表 2-1。 表 2-1 汽车自动清洗机的技术参数 适用车型 轿车、小型面包车等各种小型客车 设备尺寸 2500mm(长 )*2700mm(宽 )*2900mm(高 ) 洗车尺寸 5000mm(长 )*2000mm(宽 )*2000mm(高 ) 轨道长度 8000mm 清洗方式 水洗、风干 洗车能力 20(辆 /小时 ) 设备配置 顶刷 1支、侧刷 2支、底盘清洗架 1组 2.3.2 汽车自动清洗机的清洗动作步骤 无锡太湖学院学士学位论文 8 1、汽车停到车位（停车到位）； 2、洗车机开始启动，开始移动； 3、高压喷头喷水（水刀）冲掉车体上（包括地盘）的泥土等附着物； 4、毛刷清洗车辆表面及轮廓； 此步骤中，顶刷向下运动到达汽车的前端表面，同时侧刷到位，开始清洗，此过程为清洗车前端。然后侧刷与顶刷随整机一起沿轨道运动，清洗汽车车身及两侧。 5、 停止洗刷，开启风干装置，洗车机沿轨道返回。 2.3.3 汽车自动清洗机的总体设计 1、 汽车自动清洗机的总体设计方案 汽车 自动清洗机的总体方案如图 2.5所示。 图 2.5 汽车自动清洗机总体设计方案 在本 设计 方案中， 主要 PLC来控制汽车自动清洗机的工作，通过控制使其完成喷水、刷洗、清洗液清洗以及风干等一系列动作。 2、机械部分设计 机械系统主要由龙门架（机架）、导轨、顶刷机构、侧刷机构和风干系统等构成。其总体布局如下图 2.6所示。 PLC 控制 汽车自动清洗机 高压喷淋 刷子刷洗 清洗液清洗 风干 结束 汽车自动清洗机 PLC 控制系统设计 图 2.6 汽车自动清洗机总体布局 1轨道、 2机架、 3顶刷、 4侧刷、 5风干系统 3、驱动系统设计 驱动系统的作用是根据控制系统 发出的指令，将来自液压和气压的各种能转化为毛刷运动的机械能的系统。本设计中，机架的行走，顶刷、侧刷的旋转和风干系统的运行采用了电气驱动的驱动方式。顶刷的上下运动和侧刷的左右运动通过气压驱动的驱动方式。 4、控制系统设计 控制系统主要通过可编程控制器 PLC来控制实现。 PLC是一种工业控制用的专用计算机。它可以按照逻辑条件和一定的时序、顺序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数以及模拟量的越限报警等数字信号进行监视和处理。经过 50年左右的发展， PLC已经非常成熟与完善 11。其具有如下几 个特点： 1)可靠性高，抗干扰能力强。 2)灵活性强，控制系统具有良好的柔性。 3)编程简单，使用方便。 4)控制系统易于实现，开发工作量少，周期短。 5)维修方便。 6)体积小，能耗低。 7)功能强，性价比高。用户程序所需要实现的逻辑控制，需要的继电器、中间继电器、定时器、计数器等功能元件都由存储单元来替代，因而数量非常大。一台小型的 PLC所具备的元件（软元件）数量就可以达到成百上千个，相当于过去一个大规模甚至超过超大规无锡太湖学院学士学位论文 10 模的继电 -接触器控制系统。另外， PLC所提供的软元件的触点（如软继电器）可以无限次使用，方便地实现复杂的控制功能。 同时， PLC的连网通信功能有利于实现分散控制、远程控制、集中管理等功能，与同等规模或成本的继电 -接触器控制系统相比，无论其功能和性能，都具有无可比拟的优势。 综上所说，不难看出， PLC控制器有着诸多的优点；因此， PLC是一种较理想的控制工具。 2.3.4 汽车自动清洗机的控制方案的分析设计 汽车自动清洗机主要包括机架行走机构、侧刷刷洗机构、顶刷刷洗机构、风干系统、清水管路系统