基于PLC的自动洗车控制系统设计

精品文档 11欢迎下载 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 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 11 1 1 检测机构检测机构 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 迅速将信号传出 灵敏度 高 反应快 精品文档 22欢迎下载 1 1 21 1 2 清洗清洗机构机构 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 31 1 3 风干机构风干机构 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 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止工作 精品文档 33欢迎下载 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 12 2 1 PLCPLC 的特点的特点 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 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 CNC 温度控 精品文档 44欢迎下载 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 22 2 2 PLCPLC 的选取的选取 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 编程工具 CPU主机 模块 扩展模块 HMI人机 界面 功能模块通信模块 工业现场总线 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 精品文档 55欢迎下载 名称地址名称地址 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 SF18 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 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 按下 手动 按钮后 即进入手动运行模式 再按下 启 精品文档 66欢迎下载 I0 0 COM SF1 SF2 SF3 SF4 SF7 SF6 SF5 KF1 SF8 SF14 SF9 SF12 SF13 SF11 SF10 Q0 0 QA1 QA3 QA2 PG1 MB1 MB2 CPU 226 CN L 24V DC SF15 SF16 SF17 SF18 SF19 SF20 QA4 QA5 QA6 QA7 QA8 QA9 QA10 24V DC I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 I0 6 I0 7 I1 0 I1 1 I1 2 I1 3 I1 4 I1 5 I1 6 I1 7 I2 0 I2 1 I2 2 I2 3 I2 4 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 Q0 5 Q0 6 Q0 7 Q1 0 Q1 1 Q1 2 Q1 3 Q1 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 MA3 MA4 和 MA5 全部停止 精品文档 77欢迎下载 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 13 3 1 手动运行子程序流程图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 精品文档 88欢迎下载 3 3 23 3 2 自动运行子程序流程图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5s 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 精品文档 99欢迎下载 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 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 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 精品文档 1010欢迎下载 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 112 115 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 精品文档 1111欢迎下载 D De es si ig gn n o of