基于S7-1200 的PLC智能自動洗車控制系統(tǒng)的研究

張珅源

（江蘇師范大學，江蘇徐州，221116）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車銷售量的快速增加，特別是新能源汽車持續(xù)熱銷，人們對汽車的清洗需求也越來越大，快捷方便、智能自動以及標準高效洗車也成為了研究的熱點。

在本項研究前，筆者對區(qū)域市場進行了調研，目前區(qū)域內95%洗車點的洗車依然采用傳統(tǒng)的人工方式，整車清洗流程為“工作人員手持高壓水槍先對車進行全方位的沖洗→沖掉明顯的泥漬后使用泡沫槍打沫→工作人員手持抹布對整車全方位擦拭→擦拭后使用高壓水槍進行沖洗→擰干的抹布擦去水漬→車體自然風干”六個環(huán)節(jié)，從調研流程可以看出，此種方式不僅耗時久、人工成本高，還造成了水資源浪費，洗車效率較低等痛點。

基于智能自動洗車控制系統(tǒng)在研制時將秉持“節(jié)能、環(huán)?！钡目沙掷m(xù)發(fā)展理念，遵循簡單、便捷、實用、高效的原則，通過全面分析市場需求進行規(guī)劃、設計、優(yōu)化、調整等，最終設計出一款合理、規(guī)范、節(jié)水、省時、安全、高效的智能自動洗車系統(tǒng)，最終實現(xiàn)節(jié)省成本、優(yōu)化管理、提高效率以及優(yōu)質服務等。

2 基于PLC的智能自動洗車控制系統(tǒng)分析

■2.1 基于PLC的智能自動洗車控制系統(tǒng)設計分析

基于PLC的智能自動洗車控制系統(tǒng)如圖1 所示，它是利用計算機網(wǎng)絡和PLC為控制核心，通過傳感識別系統(tǒng)獲得汽車長寬、位置等詳細信息，并將獲取的詳細信息發(fā)送給計算機，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，將信號發(fā)送到PLC，通過PLC的各個執(zhí)行元件智能自動控制機械手位置、水槍及油泵等“自動洗車”動作，智能控制系統(tǒng)集洗車機的自動控制、系統(tǒng)保護等多個高級功能為一體，其智能自動操作的流程為：洗車用戶將車輛開到指定位置→掃碼付款→關閉車窗車門→泡沫噴洗（可選）→智能自動洗車系統(tǒng)自動運行清洗車身、車尾及車頂?shù)溶囕v的全方位→風干系統(tǒng) 啟動對車輛進行風干。

圖1 基于PLC的智能自動洗車控制系統(tǒng)示意圖

■2.2 智能自動洗車控制系統(tǒng)的安裝執(zhí)行標準

智能自動洗車控制系統(tǒng)的安裝執(zhí)行遵循以下7 個標準：①GB/T3805-2008 特低電壓 (ELV) 限值；②GB50016-2014 《建筑設計防火規(guī)范》；③GB50015-2009 建筑給水排水設計規(guī)范；④GB50303-2002 建筑電氣工程施工質量驗收規(guī)范；⑤GB/T 9969-2008 工業(yè)產(chǎn)品使用說明書 總則；⑥GB3836.1-2000 防爆電器通用標準要求；⑦GB/T18757-2008 工業(yè)自動化系統(tǒng)企業(yè)參考體系結構與方法論的需求。

■2.3 智能自動洗車控制系統(tǒng)的設備參數(shù)及工藝設計

基于PLC的智能自動洗車系統(tǒng)的設計無需人工，可以對長為10000mm、寬為3800mm、高為3100mm 的汽車進行清洗，用戶可根據(jù)不同車型的需求，在3~5 分鐘內自動、一鍵完成快速清洗、泡沫清洗以及打蠟清洗三個洗車模式，每車次耗水量約120L/車次。其設備選型與參數(shù)如表1 所示，此處重點介紹電源/功率、龍門架、供液設備、風干系統(tǒng)設計以及滾刷設計等。

表1 智能自動洗車設備選型與參數(shù)

(1)整機工作電壓380V、使用功率30kW。

(2)龍門架的結構采用3~6mm 鋼板，所有的金屬結構要經(jīng)過防腐、淋化鍍鋅、噴塑處理，確保有長久的防腐能力。

(3)智能自動洗車控制系統(tǒng)的供液設備主要由柱塞泵、泡沫泵及噴蠟泵三個泵構成：主泵使用柱塞泵，功率15kW，用于高壓水槍對頑固污漬的清洗噴射，水流壓力達8~9MPa；泡沫泵與噴蠟泵的功率為0.75kW，可根據(jù)用戶需求的洗車模式而選用。

(4)風干系統(tǒng)設計。風干系統(tǒng)采用大功率離心風機，風機系統(tǒng)結構與設備結構框架采用主動連接方式，有效保證智能自動洗車系統(tǒng)的穩(wěn)定性并節(jié)約空間，并能在自動洗車的最后一個流程最大程度利用風力使用戶汽車快速風干。

(5)滾刷設計。滾刷5 支，材料選用超軟耐磨泡棉，整體設計為“7 字”形態(tài)，錯位分布，設置原點及限位傳感器，并配有機械限位，確保既可以全方位的清洗，又可以對車身安全進行保護。

(6)導向行駛軌道。導向行駛軌道采用國標重載工字鋼材，驅動軸、動力輪采用高碳鋼加工，以確保軌道使用壽命。行駛導軌兩端設有機械限位并安裝原點傳感器，動力輪兩端面設有擋邊，防止偏離或脫軌。

3 基于PLC的智能自動洗車控制系統(tǒng)設計

■3.1 基于PLC的智能自動洗車控制系統(tǒng)整體架構

基于S7-1200PLC的智能自動洗車系統(tǒng)控制方案的設計遵循工業(yè)自動化系統(tǒng)相關標準以及工藝設計要求，系統(tǒng)架構采用西門子S7-1200 可編程控制器PLC作為控制核心，承擔邏輯、運動控制功能，系統(tǒng)控制方案整體架構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制方案整體架構

智能自動洗車系統(tǒng)裝有紅外感應器，并配有語音提示、LED 屏幕顯示及報警裝置。用戶按照提示慢速行駛到指定區(qū)域后（設有減速帶），由感應器反饋車輛駛入信息并輸送給后臺處理器。當車輛停在指定區(qū)域內，語音及LED 數(shù)顯均會提示車輛已到達工作位置，并提醒掃碼支付洗車費用。當掃碼支付完成后，系統(tǒng)語音提示關閉車門及車窗，進入待洗車狀態(tài)。傳感識別系統(tǒng)采集汽車長寬、位置等數(shù)據(jù)參數(shù)，通過分析、計算進行數(shù)據(jù)處理，將處理結果發(fā)送給控制核心PLC，PLC接到收指令后，通過邏輯運算實現(xiàn)對電機、機械手、水泵、水槍、風機等輸出設備的控制。限位開關等保護裝置受到觸發(fā)時也可以通過繼電器裝置產(chǎn)生開關信號輸送至可編程控制器PLC。PLC采用RS485 方式通過網(wǎng)絡和控制柜上的計算機使通訊線與伺服驅動器進行通訊，從而保證上位機的數(shù)據(jù)傳送給伺服驅動器，通過伺服電機精準控制電機位置，從而實現(xiàn)自動洗車機的精確操作。

■3.2 可編程控制器PLC選型：S7-1200

智能自動洗車系統(tǒng)的運行過程非常復雜，為了安全、可靠、便捷及自動運行，選擇核心器件PLC時，不僅要求能夠滿足自動洗車控制系統(tǒng)的功能要求，還要保證穩(wěn)定、可靠、安全運行。因此，本系統(tǒng)選用德國西門子公司推出的S7-1200 型號PLC作為控制單元，基于S7 系列西門子PLC的各種功能模板、人機界面、工業(yè)網(wǎng)絡、工業(yè)軟件及控制方案功能強大，系統(tǒng)設計和操作便捷，且應用廣泛、運行過程穩(wěn)定，不需要投入大量時間用于維護，性價比高。

S7-1200 設計緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強大的指令集，這些特點的組合使它能夠為智能自動洗車控制提供完美的解決方案。其CPU 將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路組合到一個設計緊湊的外殼中以形成功能強大的PLC。具體實物如圖3 所示：①電源接口；②可拆卸用戶接線連接器（保護蓋下面）； ③存儲卡插槽（上部保護蓋下面）；④板載I/O 的狀態(tài)LED；⑤PROFINET（以太網(wǎng)）連接器（CPU的底部）。S7-1200 提供了各種信號模塊和信號板用于擴展CPU 的能力，還安裝了附加的通信模塊以支持其它通信協(xié)議，如本系統(tǒng)采用了RS485 方式。

圖3 德國西門子可編程控制器S7-1200

■3.3 基于S7-1200 的智能自動洗車機的硬件系統(tǒng)設計

基于S7-1200 的智能自動洗車機的硬件系統(tǒng)主要包括位置檢測、運動及清選三大模塊。

3.3.1 位置檢測模塊

位置檢測模塊主要由位置傳感器構成，用其進行環(huán)境信息的獲取和處理，主要包括超聲波測距傳感器（7 個）、限位開關（4 個）以及光電開關（2 個）。超聲波測距傳感器、限位開關以及光電開關三者配合使用，既可檢測距離，又可以防止距離超過限定值，起到多重安全保護作用。其硬件選型與參數(shù)如表2 所示。

表2 位置模塊硬件選型與參數(shù)表

超聲波測距傳感器主要用于檢測障礙物距離，以免碰撞與刮蹭，本系統(tǒng)選用了LGUB4000，該傳感器感應范圍為100~2000mm，盲區(qū)0~100mm，響應時間小于162ms，防護等級為IP67，能適應水霧、油以及輕微震動的環(huán)境下均可以正常工作，而腐蝕性較強；光電開關選用德力西激光漫反射遠距離傳感器，產(chǎn)品型號為E3K100，該傳感器光點可見，檢測距離在7m 內可調，工作電壓為直流24V 到240V。該傳感器防護等級為IP66，抗干擾性能強，密封嚴實、防水防塵，適用于各種水環(huán)境；限位開關選用施耐德ZCKJ404H29，該產(chǎn)品金屬轉軸， 360°可調節(jié)，具有IP66 防護等級，能適應洗車機的各種水環(huán)境。

3.3.2 運動模塊

運動模塊是智能自動洗車系統(tǒng)的核心部件，包括輪轂電機、行星齒輪減速機及轉向電機等，其功能主要是檢測輪轂電機的初始角度，電機品牌選用意大利TRANSTECNO 品牌，其運動模塊PLC接線如圖4 所示。

圖4 運動模塊PLC接線圖

3.3.3 清洗控制模塊

清洗模塊選型及主要參數(shù)如表3 所示， HCA726S 的主要作用能實時檢測傾角，計算毛刷相對位置；MIK-DZI 主要作用實時測量毛刷電機電流計算毛刷轉矩、功率及洗刷壓力；4V230 的造型要能夠滿足氣缸缸徑、最大運動速度等控制要求。

表3 清洗模塊硬件選型與參數(shù)表

■3.4 基于S7-1200 智能自動洗車控制系統(tǒng)的軟件設計及流程分析

3.4.1 軟件設計

在完成了S7-1200智能自動洗車控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計后，需進行軟件系統(tǒng)的設計。按照系統(tǒng)功能軟件設計分為位置檢測、運動模塊及清洗模塊，并對每個模塊進行流程圖設計，其中核心部分位置檢測、運動模塊的控制流程如圖5 所示。

圖5 位置檢測、運動模塊的控制流程圖

3.4.2 控制流程分析

根據(jù)上述智能自動洗車系統(tǒng)的設備選型、工藝設置、參數(shù)指標以及軟硬件設計，確定自動洗車流程，如為快速沖洗模式：用戶進入等待區(qū)→選擇洗車模式→掃碼支持→系統(tǒng)判斷支付是否成功→完成支付→用戶將車駛入洗車區(qū)→系統(tǒng)上電檢測→洗車系統(tǒng)定位完成→高壓水槍電刷啟動、清水沖洗→風干系統(tǒng)風干→風機關閉→機械手復位→系統(tǒng)斷電，等待下一次洗車任務。用戶也可根據(jù)自己的需求選擇泡沫沖洗或打蠟清洗模式，具體流程如圖6 所示。

圖6 基于S7-1200 的PLC的智能自動洗車控制流程圖

4 結語

智能自動洗車控制從目前汽車產(chǎn)業(yè)對自動洗車機的需求以及痛點出發(fā)，提出了基于S7-1200 的PLC智能自動洗車控制系統(tǒng)設計方案，完成了整體架構、硬件設計以及控制流程設計。雖然目前已經(jīng)取得了一些研究成果，但尚存在著許多待完善方面，下一步，我們將搭建實驗平臺，進行實驗數(shù)據(jù)分析，完成該系統(tǒng)的性能評估實驗，進一步驗證基于S7-1200 的PLC智能自動洗車控制系統(tǒng)的安全、可靠性。