基于PLC的自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)

北京聯(lián)合大學(xué) 王豐周 楊志成

針對(duì)人工洗車速度低、操作環(huán)境差、人工成本高等問題，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以歐姆龍PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)洗車過程中的變速控制、自動(dòng)吹掃、自動(dòng)噴淋、自動(dòng)吹干、故障報(bào)警等功能。為了解決了光電傳感器測(cè)量距離可調(diào)、與PLC兼容的問題，設(shè)計(jì)并制作了一款光電傳感器。為了解決了洗車速度低的問題，利用PLC控制器中的計(jì)數(shù)器對(duì)光電傳感器接收信號(hào)次數(shù)統(tǒng)計(jì)，并與比較器中預(yù)設(shè)的數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較值實(shí)現(xiàn)精確定位，將原來全程低速變?yōu)閺亩ㄎ惶庨_始低速，為洗車節(jié)約了時(shí)間。

隨著汽車時(shí)代的到來，原來的人工洗車存在著洗車速度慢、人力成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大得缺點(diǎn)，預(yù)計(jì)自動(dòng)洗車成為洗車業(yè)主流。目前，自動(dòng)洗車大多采用低壓電器控制，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)；而低壓電器為主的自動(dòng)洗車機(jī)存在速度慢、故障頻率高、適應(yīng)性差、洗車潔凈度不達(dá)標(biāo)等缺點(diǎn)，造成以上問題的原因是傳感器兼容性差、低壓電器過多、設(shè)備振動(dòng)大、工作環(huán)境高溫高濕等問題。PLC控制器具有集成度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，以PLC替代低壓電器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化洗車有較高優(yōu)越性。因此，研究基于PLC的自動(dòng)洗車系統(tǒng)具有自動(dòng)化高、洗車速度高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。自動(dòng)洗車系統(tǒng)拖拽系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、擦抹系統(tǒng)和吹風(fēng)系統(tǒng)組成。通過四大系統(tǒng)的默契配合，可完成對(duì)汽車快速清洗。

1 控制系統(tǒng)工作流程及硬件構(gòu)成

1.1 工作流程

整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是：洗車工引導(dǎo)駕駛員將汽車開到移動(dòng)拖拽鏈上，之后駕駛員將車定位空擋。拖拽鏈由拖拽電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其功能牽引汽車駛?cè)胂窜嚪?。拖拽鏈下方有整齊排列從動(dòng)滾軸，讓它與汽車輪胎形成滾動(dòng)摩擦，減少拖拽電機(jī)的阻力。噴淋系統(tǒng)主要由一個(gè)水泵和多個(gè)電磁閥組成。擦抹系統(tǒng)由3組交流電機(jī)和3組清洗滾筒組成，清洗滾筒的外圍包裹著一層厚厚的用于擦抹汽車的雞皮布。待汽車被拖拽進(jìn)入清洗房間后，噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)，控制水泵和噴淋電磁閥的啟停，可以對(duì)汽車不同位置的沖洗；稍后，擦抹系統(tǒng)啟動(dòng)，清洗滾筒在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，汽車在沖洗過程中，擦抹系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)交互作業(yè)，不僅提高洗車速度，還可將沖下的雜物快速洗掉，防止劃傷汽車的玻璃和鈑金。吹風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、風(fēng)道和風(fēng)口組成，汽車清洗完成后，吹風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)，分布在汽車周圍的風(fēng)口同時(shí)吹向汽車，汽車快速風(fēng)干，若在冬天，可考慮增加加熱系統(tǒng)。

1.2 硬件組成

全自動(dòng)洗車系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、扭力傳感器、光電傳感器等，還包括電動(dòng)機(jī)，水泵、電磁閥，中間繼電器、加熱絲等。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）PLC控制器的特點(diǎn)

PLC選用OMRON公司的C級(jí)系列產(chǎn)品，其中CPU為CS1HCPU42—E，底板CS1W-BC023，I/O卡采用為輸入型CS1W-ID211，輸出型CS1W-OC211，模擬量卡為輸入型CS1W-AD081-V1作為監(jiān)控核心，它有如下特點(diǎn)：1）處理速度快，最快處理速度達(dá)到0.04μs；2）I/O容量大，最多可達(dá)5120個(gè)點(diǎn)；3）指令范圍廣，除基本指令外還包括400余條高級(jí)指令；4）軟硬件兼容性好。通過以上的特點(diǎn)，OMRON公司的C級(jí)系列PLC，不僅能過滿足自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)算、容量、特殊需求，還能兼容上位機(jī)、多種傳感器和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求。

（2）扭力傳感器

汽車的價(jià)格千差萬別，有的價(jià)格高達(dá)數(shù)百萬人民幣，一旦洗車中出現(xiàn)問題都不是小事，特別是在擦抹過程中，不能劃破漆面和玻璃。因此有必要安裝扭力傳感器，采用雙法蘭式靜態(tài)扭力傳感器MC10E-100N，安裝在擦抹系統(tǒng)電機(jī)的輸出軸上，當(dāng)清洗滾筒與汽車接觸時(shí)，會(huì)形成一定的扭矩，根據(jù)扭矩的大小該扭矩讓傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)，該信號(hào)反饋給PLC控制器。就能保障滾筒既能擦抹汽車表面，又不至于傷害到車身。

（3）可調(diào)測(cè)距光電傳感器

光電傳感器很多，但能直接能和PLC兼容的不多，因?yàn)槭袌?chǎng)上的傳感器多為3-12VDC，而PLC要用的是24VDC,PLC對(duì)傳感器的輸出阻抗要求也高，一般的傳感器達(dá)不到要求。為此，專門設(shè)計(jì)了光電測(cè)距傳感器，用于測(cè)量汽車在新車間內(nèi)的具體位置。圖2中D0為發(fā)射管，D1為接收管。UA和UB是LM324比較功放電路的兩個(gè)門。UA將采集的信號(hào)篩選，不符合的信號(hào)切除。UB是將UA將輸出的信號(hào)電流放大，提高傳感器的可靠性。調(diào)整Rw1的阻值就是調(diào)整U1A要切除的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)；調(diào)整Rw2的阻值是調(diào)整UB要放大信號(hào)的門檻；調(diào)整Rw3的阻值是調(diào)整UB放大信號(hào)的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)Au=Rw3/R6，倍數(shù)越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)，一般為10倍。

圖2 光電傳感器電路圖

2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 定位控制

汽車清洗采用流水線作業(yè)，這樣汽車經(jīng)過洗車間的過程就是洗車過程，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)節(jié)約設(shè)備，減少投資。為了提高汽車速度，將原來的在洗車間內(nèi)全程低速行進(jìn)，而變成高低速結(jié)合行進(jìn)，即在擦抹階段和吹風(fēng)階段低速行駛，而其他階段高速行駛。這無疑給控制方面帶來難度，而變速行進(jìn)的難度在于精確定位。為了提高定位精度，課題采用發(fā)掘PLC控制器的內(nèi)部特殊繼電器眾多的優(yōu)勢(shì)，利用PLC控制器中的計(jì)數(shù)器對(duì)光電傳感器接收信號(hào)次數(shù)統(tǒng)計(jì)，并與比較器中預(yù)設(shè)的數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較值實(shí)現(xiàn)精確定位，將原來全程低速變?yōu)槎ㄎ惶庨_始低速，其他時(shí)間為高速，節(jié)約了洗車時(shí)間。具體實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示，在拖拽系統(tǒng)中，拖拽電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪。在主動(dòng)輪的后方安裝一個(gè)對(duì)射型光電傳感器（2號(hào)光電傳感器）。主動(dòng)輪上有凸齒，當(dāng)光電傳感器的發(fā)射管和接收管之間有遮擋時(shí)，傳感器輸出為0，反之為1。當(dāng)拖拽電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)帶動(dòng)主動(dòng)輪的凸齒轉(zhuǎn)動(dòng)，凸齒會(huì)對(duì)2號(hào)光電傳感器的遮擋，使得接收管處于通斷狀態(tài)，每個(gè)通斷都代表主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的角度，也能換算成拖拽鏈帶汽車前進(jìn)的距離。也就能夠?qū)ζ囋谙窜囬g內(nèi)精確定位。

圖3 定位測(cè)量原理圖

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

圖4為控制系統(tǒng)流程圖。

圖4 控制程序流程圖

系統(tǒng)上電后，程序進(jìn)行初始化，隨后整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。如果有汽車需要清洗，駕駛員駕車駛上有拖拽鏈的洗車平臺(tái)，0號(hào)光電傳感器檢測(cè)到汽車前端，拖拽電機(jī)啟動(dòng)并高速運(yùn)行。拖拽鏈將汽車載入洗車間。與此同時(shí)，2號(hào)光電傳感器也開始工作，拖拽電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的齒數(shù)以將通斷的形式，送到PLC控制器中。PLC內(nèi)部的計(jì)數(shù)器會(huì)對(duì)拖拽鏈的運(yùn)動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的數(shù)量與比較器的預(yù)制數(shù)數(shù)值時(shí)比較，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)制數(shù)數(shù)值時(shí)，吹掃系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)會(huì)相繼運(yùn)行的，當(dāng)?shù)搅瞬聊ㄌ帟r(shí)，拖拽電機(jī)變成低速運(yùn)行，同步啟動(dòng)擦抹系統(tǒng)，關(guān)斷吹掃系統(tǒng)。由于拽電機(jī)變成低速運(yùn)行，汽車經(jīng)過擦抹段的時(shí)間相對(duì)會(huì)變長(zhǎng)，同理，擦抹系統(tǒng)對(duì)汽車擦抹的時(shí)間變長(zhǎng)，效果就越好。同樣到了吹干階段，控制系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)吹風(fēng)電機(jī)及加熱絲。

2.3 PLC選型和I/O口分配

項(xiàng)目采用歐姆龍（OMRON）PLC控制器，它相對(duì)于西門子、施耐德不僅具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，它還有豐富的片上資源，便于開發(fā)和應(yīng)用。關(guān)鍵點(diǎn)它的端子接口比較大，便于配線，對(duì)于洗車系統(tǒng)這樣集成度要求不太嚴(yán)格場(chǎng)合，更利于組裝操作。PLC的I/O地址分配如表1所示。工程師根據(jù)表1的I/O地址分配接線即可。

表1 I/O地址分配表

2.4 PLC控制梯形圖設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)洗車的工作流程以及拖拽系統(tǒng)變速運(yùn)行的特點(diǎn)，采用計(jì)數(shù)器和比較器聯(lián)合的方式，編制PLC的梯形圖，主程序梯形圖（部分）如圖5所示。圖中計(jì)數(shù)器CNT0的設(shè)置值為#9999，實(shí)際中要遠(yuǎn)比次數(shù)小，同樣比較器CMP（20）中的比較值也要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，然后確定。

圖5 主程序梯形圖（部分）

3 控制系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過對(duì)洗車間設(shè)備的組裝和軟件系統(tǒng)測(cè)試完成的基礎(chǔ)上，需要對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。由此可以發(fā)現(xiàn)存在的問題，確保洗車順利。首先檢查硬件設(shè)備的組裝情況，主要包括對(duì)PLC、光電傳感器、觸摸屏和停止按鈕等各設(shè)備的上電檢查，觀察他們的響應(yīng)狀態(tài)，最后在聯(lián)機(jī)調(diào)試。在整個(gè)系統(tǒng)完全排除故障后，才可真車試驗(yàn)。真車試驗(yàn)如圖6所示。同時(shí)做好應(yīng)急預(yù)案，防治漏水、漏電、運(yùn)動(dòng)傷害等。完成上述準(zhǔn)備工作以后，對(duì)以下系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試。

圖6 洗車試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（1）自動(dòng)控制模式下，依次觀察、吹掃系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、擦抹系統(tǒng)、吹干系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）自動(dòng)控制模式下，按下急停按鈕，觀察這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）在手動(dòng)控制模式下，觀察手動(dòng)前進(jìn)的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）在手動(dòng)控制模式下，觀察手動(dòng)倒退的運(yùn)行狀態(tài)。

（5）設(shè)置故障點(diǎn)，觀察報(bào)警情況。

（6）將汽車污損，通過自動(dòng)洗車，觀察被洗車輛每個(gè)部位的潔凈度，測(cè)試洗車潔凈率。

通過試驗(yàn)，對(duì)同一車輛清洗，洗車速度由原來的3min20s，縮短為2min55s。節(jié)約時(shí)間25s。說明變速行進(jìn)可以提高洗車速度。另外，對(duì)以上功能的調(diào)試非常重要，但不限于此，做好記錄，改善缺點(diǎn)，才能完善洗車控制系統(tǒng)的功能。

結(jié)束語(yǔ)：本文論述了一種基于PLC控制的自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了洗車中的變速行進(jìn)、提高了洗車速度；采用內(nèi)部計(jì)數(shù)器、比較器，減少現(xiàn)場(chǎng)的傳感器的安裝，避免環(huán)境惡劣對(duì)傳感器毀損而造成的事故；該控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于市內(nèi)某洗車間。實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)安全可靠，改善洗車人員的工作環(huán)境，為洗車店帶來較好效益，推廣前景十分廣闊。