龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)設(shè)計(jì)與控制

劉奇奇 李強(qiáng) 趙璐

摘 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)洗車行業(yè)存在洗車費(fèi)時(shí)費(fèi)力、洗車設(shè)備效率低、水資源浪費(fèi)等一些弊端，設(shè)計(jì)了一種龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)，能夠滿足在無人值守情況下對(duì)不同車型清洗需求。介紹了全自動(dòng)智能洗車機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、工作原理及控制方法。重點(diǎn)對(duì)洗車機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，再利用總線型可編程邏輯控制器，結(jié)合三相異步電動(dòng)機(jī)，通過電磁閥、交流繼電器、超聲波傳感器、紅外傳感器、光電傳感器及接近開關(guān)等諸多傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗車過程的精準(zhǔn)控制，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)智能洗車機(jī);龍門往復(fù)式 ;PLC控制

中圖分類號(hào)：TH122? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）22-51-03

Abstract： In view of the current domestic car wash industry's disadvantages such as time-consuming and labor-intensive car wash， low efficiency of car wash equipment， waste of water resources， etc.， a roll-over automatic intelligent car washer was designed to meet the cleaning needs of different models under unattended conditions. The overall structure， working principle and control method of the fully automatic intelligent car washing machine are introduced. Focus on the hardware and software design of the car wash machine motion control system， then use the bus-type programmable logic controller， combined with the three-phase asynchronous motor， through the solenoid valves， AC relaies， ultrasonic sensors， infrared sensors， photoelectric sensors and Proximity switches and many other sensors ， To achieve precise control of the car wash process， has a certain market value.

Keywords： Fully automatic intelligent car washer; Roll-over; PLC control

CLC NO.： TH122? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-51-03

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車的保有量日益增多。汽車清洗作為汽車美容、汽車保養(yǎng)前的必要工序，有著廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)人工洗車存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、洗車效率低、浪費(fèi)水資源等問題[1]，市場(chǎng)上迫切需要自動(dòng)化洗車設(shè)備來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工洗車。目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)洗車機(jī)一般有兩種類型：一種是無接觸式自動(dòng)洗車機(jī)，利用水壓進(jìn)行清洗，洗車速度快，效果好，但強(qiáng)水壓會(huì)對(duì)車身及一些電子設(shè)備造成損傷;另一種是接觸式自動(dòng)洗車機(jī)，利用毛刷定速清洗，存在占地面積大、穩(wěn)定性差、故障率高等一些弊端[2]。本文設(shè)計(jì)的龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)[3]，利用臺(tái)達(dá)可編程邏輯控制器PLC （Programmable Logic Controller），根據(jù)毛刷組電流傳感器反饋的刷組電流的大小，結(jié)合比例、積分和微分（Proportional、Integral and Derivative，簡(jiǎn)稱PID）控制算法，對(duì)毛刷組運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施精準(zhǔn)控制，從而提高洗車效率和安全性，達(dá)到較好的洗車效果。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

龍門往復(fù)式智能洗車機(jī)在清洗作業(yè)時(shí)，汽車需行駛到合適的位置固定不動(dòng)，故洗車機(jī)要完成整車的清洗，需要控制各部分完成相對(duì)獨(dú)立又連貫的工作。由于汽車的造型，大小有所差異，各部分在工作時(shí)所運(yùn)行軌跡也各不相同，因此需要對(duì)洗車機(jī)各個(gè)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行控制，使得各個(gè)機(jī)構(gòu)能夠在時(shí)間和空間上相互配合，共同完成清洗任務(wù)[4]。龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)整體結(jié)構(gòu)包括龍門架、配電箱、風(fēng)機(jī)柜、行走導(dǎo)軌、橫刷、立刷、輪刷和風(fēng)干機(jī)構(gòu)等，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)控制系統(tǒng)主要包括洗車系統(tǒng)、風(fēng)干系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，具體設(shè)備參數(shù)如表1所示。

1.2 工作過程

龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)采用多種類型傳感器來確保洗車作業(yè)的安全性和智能性，主要有超聲波測(cè)距傳感器、光電傳感器、電流傳感器、接近開關(guān)等。實(shí)際作業(yè)中，PLC控制器會(huì)接受到傳感器傳遞的信號(hào)，經(jīng)中央處理器（Central Processing Unit簡(jiǎn)稱CPU）處理后發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過改變電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的大小控制毛刷的運(yùn)動(dòng)。駕駛員把汽車行駛到洗車工位區(qū)域后，安裝在龍門架上的光電傳感器會(huì)檢測(cè)到車頭和車尾的位置，此時(shí)，淋噴系統(tǒng)自動(dòng)打開，左右立刷旋轉(zhuǎn)工作，龍門架沿導(dǎo)軌正向移動(dòng)。

當(dāng)左右立刷移動(dòng)到車頭一定程度時(shí)，龍門架停止行走，左右立刷開始向中心移動(dòng)，對(duì)車頭進(jìn)行清洗。車頭清洗結(jié)束后，左右立刷移動(dòng)到汽車兩側(cè)，龍門架開始行走，左右立刷開始對(duì)車身兩側(cè)進(jìn)行清洗。橫刷通過超聲波測(cè)距傳感器測(cè)得與車身有一定的接觸后開始旋轉(zhuǎn)工作，并沿著車身上表面進(jìn)行仿形清洗[5-7]。輪刷通過紅外傳感器檢測(cè)到車輪位置時(shí)，輪刷伸出清洗車輪和車身兩側(cè)下表面。當(dāng)清洗到車尾位置時(shí)，龍門架停止行走，左右立刷向中間移動(dòng)清洗車尾。由于左右立刷在合攏時(shí)中間有部分會(huì)因毛刷干預(yù)而無法清洗到，在設(shè)計(jì)時(shí)采用過中心清洗的方式，即左右立刷在合攏到極限位置時(shí)同時(shí)向左移動(dòng)一段距離后再向右移動(dòng)一段距離，完成車頭和車尾中間部位的清洗。正向清洗結(jié)束后，毛刷組開始反轉(zhuǎn)，龍門架反向行駛，對(duì)汽車進(jìn)行再一次的反向清洗。

清洗工作完成后，開始風(fēng)干過程，風(fēng)干系統(tǒng)打開，橫風(fēng)機(jī)通過超聲波傳感器和車身保持一定的安全距離，對(duì)車身進(jìn)行仿形風(fēng)干，運(yùn)動(dòng)軌跡類似于橫刷的運(yùn)動(dòng)軌跡。風(fēng)干過程結(jié)束后，洗車機(jī)復(fù)位到固定位置，駕駛員將汽車駛出，整個(gè)洗車過程結(jié)束。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)采用仿形清洗的原理[8]，每支毛刷都配有帶有通信功能的電流傳感器，可以檢測(cè)到毛刷組中工作電機(jī)的負(fù)載電流，PLC控制器根據(jù)電流傳感器反饋的毛刷組電機(jī)電流的變化，控制毛刷的上升或下降，前進(jìn)或后退[9]。當(dāng)毛刷和車身接觸時(shí)，控制毛刷組旋轉(zhuǎn)的負(fù)載電機(jī)的電流也會(huì)增大，PLC控制器對(duì)負(fù)載電流的變化進(jìn)行8次采樣后取其平均值，再將平均值與設(shè)定的正常工作電流值進(jìn)行比較，若平均值小于設(shè)定值，則繼續(xù)增加毛刷與車身之間的壓力;若平均值大于設(shè)定值，則控制毛刷遠(yuǎn)離車身，減小毛刷與車身之間的壓力;若平均值在設(shè)定的正常工作電流值范圍內(nèi)，則保持毛刷與車身之間的壓力。以橫刷為例，龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)橫刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)的額定功率為0.37kW，空載電流為0.6A，設(shè)定的正常負(fù)載電流值范圍為0.9-1.1A。為了完成安全、穩(wěn)定、高效的洗車作業(yè)，需要合理地調(diào)節(jié)毛刷組中各個(gè)電機(jī)負(fù)載電流的大小，避免設(shè)備和車輛受到損壞。本文對(duì)洗車機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的電流誤差調(diào)節(jié)采用PID控制方案，控制原理圖如圖2所示。通過PID控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，加快了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，幾乎可以消除靜態(tài)誤差，有效控制了電機(jī)負(fù)載電流的大小，使毛刷和車身保持在正常的壓力范圍內(nèi)，保證洗車作業(yè)的安全進(jìn)行。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

龍門往復(fù)式洗車機(jī)控制系統(tǒng)通過PLC主從控制方式，將所有的被控制設(shè)備有機(jī)組合在一起進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，PLC硬件接線如圖3所示。洗車機(jī)選用型號(hào)為DVP60ES2的臺(tái)達(dá)PLC控制器進(jìn)行采集以及檢測(cè)信號(hào)的處理工作，人機(jī)交互界面（Human Machine Interface，簡(jiǎn)稱HMI）實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC控制器的整體控制并執(zhí)行PLC程序，PLC控制器則通過控制各個(gè)不同電磁閥，交流繼電器的斷開與閉合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電機(jī)的控制。HMI通訊端口通過RS485轉(zhuǎn)接線與PLC之間采用基于MODBUS-RTU的通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。上機(jī)調(diào)試過程：波特率設(shè)為9600bps，數(shù)據(jù)位數(shù)為8，停止位數(shù)為1，校驗(yàn)為無，程序中EH2的主機(jī)站號(hào)為3，故PLC默認(rèn)站號(hào)也要設(shè)置為3，否則會(huì)出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤。其他一些端口選項(xiàng)設(shè)置成默認(rèn)即可。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

PLC作為龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)的核心控制器，軟件的設(shè)計(jì)采用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程[10]，梯形圖具有邏輯清晰、簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)點(diǎn)。PLC通過接收到各類傳感器傳遞的信號(hào)，經(jīng)CPU處理、PID調(diào)節(jié)誤差后發(fā)送執(zhí)行命令到映射區(qū)，從而控制外圍設(shè)備的動(dòng)作。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)龍門架的運(yùn)動(dòng)、毛刷的運(yùn)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)的啟停、風(fēng)干系統(tǒng)、淋噴系統(tǒng)的控制等。啟動(dòng)流程如圖4所示，整個(gè)過程循環(huán)進(jìn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)全自動(dòng)智能洗車機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及實(shí)際的控制需求，設(shè)計(jì)出了一款龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)，分析了洗車機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及工作過程，給出了控制系統(tǒng)硬件的接線及軟件的實(shí)現(xiàn)方案，將PLC控制器與PID算法相結(jié)合，利用仿形清洗技術(shù)，在保證洗車機(jī)安全性、可靠性的前提下，大大提高了洗車機(jī)的工作效率，為龍門往復(fù)式全自動(dòng)智能洗車機(jī)的推廣及進(jìn)一步開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王昊.二自由度機(jī)械臂無接觸式洗車機(jī)控制系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

[2] 儲(chǔ)昭碧，王昊，胡永新.洗車機(jī)二連桿機(jī)械臂定位控制策略及實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2017，39（08）：142-145.

[3] 陳韋松，謝永智.龍門式自動(dòng)洗車機(jī)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2018， 47（01）：79-80+118.

[4] 韓曉成.智能洗車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2011.

[5] 方建軍.光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[6] 徐進(jìn)，石小龍.全自動(dòng)小型龍門式洗車機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2018，31（02）：91-92.

[7] 李麗英，黃季平.自動(dòng)洗車機(jī)可編程控制器的控制的控制系統(tǒng)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996（4）：87-92.

[8] 田一凡.仿形技術(shù)在列車自動(dòng)清洗機(jī)中的運(yùn)用[J].科技展望，2016， 26（07）：166.

[9] 徐汝鑑，葛燕萍.龍門往復(fù)式全自動(dòng)洗車機(jī)仿形刷洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2012，41（04）：35-38.

[10] 臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司.臺(tái)達(dá)DVP-PLC編程技巧：WPLSoft軟件篇[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.