基于PLC的龍門往復(fù)式洗車機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著生活質(zhì)量的提高，洗車也逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。針對(duì)市場(chǎng)上已有的洗車設(shè)備存在機(jī)械設(shè)備復(fù)雜、成本高、浪費(fèi)水資源等問(wèn)題，以PLC為控制中心，結(jié)合變頻器技術(shù)、傳感器技術(shù)和氣動(dòng)技術(shù)，利用人機(jī)界面進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和工作狀態(tài)檢測(cè)，完成了龍門往復(fù)式洗車機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)洗車機(jī) PLC 變頻器 傳感器

0 引言

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，傳統(tǒng)的人工洗車存在勞動(dòng)量大、浪費(fèi)水資源、洗車速度慢、效率低等弊端。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的國(guó)內(nèi)洗車機(jī)主要有兩種類型，一種是隧道式洗車機(jī)，另一種是龍門往復(fù)式洗車機(jī)，兩者的區(qū)別就在于隧道式洗車機(jī)是車輛運(yùn)動(dòng)，而龍門式洗車機(jī)是洗車機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)洗車流程的全自動(dòng)控制，但是隧道式洗車機(jī)各工位向生產(chǎn)線一樣分散布置，作業(yè)場(chǎng)地較大，設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)比龍門式洗車機(jī)復(fù)雜，成本較高，一般適應(yīng)于大城市的洗車作業(yè)。本設(shè)計(jì)改進(jìn)了傳統(tǒng)的龍門式系洗車機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用PLC作為控制中心實(shí)現(xiàn)洗車智能化，而且性能穩(wěn)定，節(jié)約水資源，降低了洗車機(jī)前期投入的成本，適合中小城市的推廣。

1 智能控制系統(tǒng)分析

龍門往復(fù)式洗車機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體布局如圖1所示。

洗車機(jī)在進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，需要將車輛停在指定位置，通過(guò)傳感器采集車輛的尺寸和位置后，將信息發(fā)送給PLC，由PLC控制系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)有序動(dòng)作，完成車輛預(yù)沖洗、高壓沖洗和噴撒清洗劑、刷洗、高壓沖洗、風(fēng)管吹干一系列洗車過(guò)程。

為了保證不同車高差距車輛的洗車效果，同時(shí)又兼顧經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計(jì)對(duì)頂刷的機(jī)械機(jī)構(gòu)和檢測(cè)手段都做了改進(jìn)。傳統(tǒng)的方法是用單一的氣缸或者氣缸加平衡塊組合的方式，本設(shè)計(jì)中，頂刷的上下和前后運(yùn)動(dòng)均采用電機(jī)控制。上下運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于龍門架的導(dǎo)軌上，利用預(yù)先設(shè)定好距離的兩只激光測(cè)距傳感器檢測(cè)頂刷與車頂?shù)木嚯x，通過(guò)PLC控制電機(jī)的上下運(yùn)行。

另外對(duì)側(cè)刷的控制方法做了改進(jìn)。常用的控制方法是用一組氣缸推動(dòng)側(cè)刷向車身靠攏，但是車寬不同時(shí)會(huì)造成小側(cè)刷與車身距離差距比較大，洗車效果大打折扣。再者當(dāng)側(cè)刷出現(xiàn)磨損后同樣更會(huì)增加刷毛與車身之間的距離。本設(shè)計(jì)解決方法是在洗車機(jī)兩側(cè)安裝兩組激光測(cè)距傳感器，用模擬量模塊采集兩側(cè)距離信號(hào)，然后通過(guò)PLC對(duì)車寬數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，車寬較小時(shí)，小側(cè)刷的一組氣缸工作，車寬較大時(shí)兩組氣缸同時(shí)工作，從而用簡(jiǎn)單的方法解決了因?yàn)檐噷挷罹嘣斐傻南窜囆Ч罹?。同時(shí)，這種方法可對(duì)待洗車輛的停車位置進(jìn)行初步判斷，如果兩側(cè)傳感器數(shù)據(jù)差較大，則說(shuō)明車輛停放不正，系統(tǒng)報(bào)警。這樣就避免了出現(xiàn)因?yàn)檐囕v停放不正導(dǎo)致的側(cè)刷對(duì)車身的損害，同時(shí)也保證了底盤的清洗效果，方案實(shí)施經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

當(dāng)車輛到達(dá)洗車工位后，龍門架上的傳感器檢查車身尺寸和汽車位置后，通過(guò)人機(jī)界面選擇洗車程序。首先對(duì)車輛預(yù)沖洗，打開噴淋裝置對(duì)車身及底盤噴淋，清除車體表面部分灰塵和泥沙，也可濕潤(rùn)吸附在車身的泥沙，為后續(xù)高壓沖洗和刷洗做準(zhǔn)備。第二步高壓沖洗和噴撒清洗劑，開啟高壓水泵，隨著龍門架移動(dòng)從車頭向車尾沖洗，沖洗掉附著在車身上的泥沙和雜物，避免在毛刷刷洗過(guò)程中泥沙劃傷車漆。沖刷后的洗車機(jī)返回車頭位置，然后開啟清洗劑噴淋系統(tǒng)，從車頭經(jīng)過(guò)車身向車尾噴淋清洗劑，噴淋結(jié)束后龍門架退回至車頭。第三步刷洗，大側(cè)刷、小側(cè)刷、頂刷分別從車頭向車尾清洗車身、輪轂和車頂。這里對(duì)控制毛刷的電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有特殊要求，只有大側(cè)刷在清洗車身和車頭時(shí)需要進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，頂刷和小側(cè)刷只需要單一方向運(yùn)動(dòng)。刷完后，將清水打開，沖洗車身上的污水和浮沫，第一次刷洗結(jié)束。第二次刷洗過(guò)程，側(cè)刷和頂刷的動(dòng)作過(guò)程不變，刷洗后先開啟高壓沖洗再啟動(dòng)風(fēng)管系統(tǒng)，完全清除清洗液后對(duì)車身吹干。

為了確保安全洗車和清洗效果，全自動(dòng)洗車機(jī)主要有以下幾點(diǎn)控制要求：

（1）整機(jī)前后運(yùn)動(dòng)控制：龍門架往返運(yùn)動(dòng)有高低速控制要求。閉鎖保護(hù)功能應(yīng)根據(jù)流程控制的需要而定。

（2）小側(cè)刷、大側(cè)刷、頂刷能做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，風(fēng)管和頂刷也要能上下運(yùn)動(dòng)，配合龍門架移動(dòng)至車頂、車頭和車尾，和側(cè)刷相互配合確保洗車效果。

（3）為保護(hù)車輛，洗車前，風(fēng)管和頂刷應(yīng)停留在龍門架頂端，大側(cè)刷和小側(cè)刷應(yīng)該立于機(jī)架的兩側(cè)。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

整個(gè)洗車流程以PLC作為控制中心，設(shè)計(jì)遵循工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及工藝設(shè)計(jì)要求。為確保安全高效的洗車，系統(tǒng)采用可靠的檢測(cè)方法，運(yùn)用多種類型的傳感器采集不同信號(hào)，如檢測(cè)車頭車尾位置和尺寸、電機(jī)運(yùn)動(dòng)行程，檢測(cè)氣缸控制狀態(tài)、毛刷和車身之間的距離等，確保洗車操作的智能化和安全性?？刂葡到y(tǒng)的原理如圖2所示。

當(dāng)車輛到達(dá)指定位置后，通過(guò)安裝在龍門架兩側(cè)的測(cè)距傳感器，系統(tǒng)首先檢測(cè)有無(wú)車輛和龍門架與車身之間的距離，另有紅外傳感器采集車輛的長(zhǎng)度、寬度等數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，PLC收到信號(hào)后做相應(yīng)的運(yùn)算和處理，發(fā)送控制指令到指示燈、人機(jī)界面、電磁閥和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示和對(duì)龍門架、毛刷、水泵、風(fēng)機(jī)和氣缸的控制。機(jī)械式行程開關(guān)也安裝在龍門架導(dǎo)軌兩側(cè)，為洗車機(jī)提供限位保護(hù)。限位開關(guān)等保護(hù)裝置受到觸發(fā)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)送至PLC。系統(tǒng)采用人機(jī)交互界面不僅可以實(shí)時(shí)修改控制參數(shù)，還能實(shí)現(xiàn)洗車過(guò)程的可視化，及時(shí)反應(yīng)故障報(bào)警和歷史參數(shù)變化?？刂葡到y(tǒng)選用高性能的可編程控制器、傳感器、變頻器及人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)洗車過(guò)程的精確控制，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到設(shè)備智能化。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

全自動(dòng)洗車機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，選擇PLC時(shí)不僅要考慮檢測(cè)信號(hào)和控制對(duì)象的類型，還要考慮I/O點(diǎn)數(shù)以及擴(kuò)展性需求等綜合因素。車身兩側(cè)的兩組大側(cè)刷和小側(cè)刷位置對(duì)稱，選擇借助三通電磁閥將兩側(cè)刷子的伸縮同步控制在同一電磁閥上，檢測(cè)氣缸行程的磁性開關(guān)串聯(lián)后接入PLC，減少使用的PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)，控制程序也會(huì)變得簡(jiǎn)單。在對(duì)全自動(dòng)洗車機(jī)的開關(guān)、傳感器信號(hào)和被控制指示燈、電機(jī)、氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量進(jìn)行分析后，結(jié)合輸入輸出信號(hào)類型、擴(kuò)展性需求、響應(yīng)速度等綜合因素，系統(tǒng)選用了內(nèi)置32位輸入和32位輸出點(diǎn)的三菱FX3U-64MR型號(hào)PLC，配套FX3U-4AD模擬量輸入模塊。該控制中心性能穩(wěn)定、運(yùn)算速度快，充分滿足洗車機(jī)控制要求。PLC的外部接線如圖3所示。

控制機(jī)架行走的電機(jī)要配合其他運(yùn)動(dòng)部件的需要進(jìn)行前進(jìn)后退和停止，為了提高洗車效率，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還需要調(diào)整龍門架的運(yùn)動(dòng)速度?？刂讫堥T架運(yùn)行的電機(jī)要求可以往返運(yùn)行，并且能夠高低速運(yùn)行，以提高洗車效率。系統(tǒng)選用FR-D740-1.5K型變頻器，該變頻器結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟(jì)性高，功能多變，可通過(guò)面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，調(diào)節(jié)龍門架行走電機(jī)的速度。利用PLC的Y0至Y3輸出端口控制龍門架前進(jìn)、后退、高速和低速運(yùn)行。變頻器的接線如圖4所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該洗車機(jī)以PLC為核心控制器，由于各個(gè)洗車過(guò)程順序執(zhí)行，可采用步進(jìn)順控指令編程。系統(tǒng)上電后PLC首次掃描，掃描正常就進(jìn)行系統(tǒng)初始化，復(fù)位清零程序的各個(gè)狀態(tài)位S和寄存器區(qū)M，掃描異常則進(jìn)行故障檢測(cè)。初始化后檢測(cè)沒(méi)有故障則啟動(dòng)洗車程序，否則出現(xiàn)故障報(bào)警并停機(jī)。系統(tǒng)啟動(dòng)流程如圖5所示。

PLC采用軟件設(shè)計(jì)梯形圖。在PLC內(nèi)部軟元件D存儲(chǔ)區(qū)通過(guò)人機(jī)界面輸入系統(tǒng)參數(shù)并保存，可選手動(dòng)和自動(dòng)兩種洗車模式，手動(dòng)模式下步進(jìn)運(yùn)行程序，逐步調(diào)試洗車過(guò)程。為了便于工作人員進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和檢修，手動(dòng)模式下禁止開啟噴淋系統(tǒng)，各工序延時(shí)時(shí)間設(shè)置為短時(shí)。在運(yùn)行過(guò)程中，延時(shí)參數(shù)也可實(shí)時(shí)觀察，以方便調(diào)試出最佳運(yùn)行效果。

2.3 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試

利用GT Designer3觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)洗車機(jī)的監(jiān)控。在GT Simulator3模擬器上顯示PLC程序執(zhí)行結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)和方針調(diào)試。人機(jī)界面設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)主畫面、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面、輸入狀態(tài)監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)定畫面等，使監(jiān)控系統(tǒng)的所有功能都能發(fā)揮作用。在模擬過(guò)程中，PLC程序運(yùn)行無(wú)誤，通過(guò)觸摸屏給定輸入信號(hào)可控制洗車機(jī)的啟停運(yùn)行，在觸摸屏上也能動(dòng)態(tài)監(jiān)控洗車運(yùn)行狀態(tài)及車輛統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)主畫面可以選擇手動(dòng)和自動(dòng)兩種洗車方式，利用指示燈監(jiān)視洗車機(jī)工作狀態(tài)，畫面同時(shí)顯示洗車數(shù)量統(tǒng)計(jì)。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面對(duì)水閥、風(fēng)管、毛刷、龍門架等主要輸出狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，判斷系統(tǒng)執(zhí)行器件是否可靠工作。輸入狀態(tài)監(jiān)控畫面顯示輸入端口數(shù)據(jù)狀態(tài)，可判斷輸入傳感器是否有效工作。還可以設(shè)置洗車過(guò)程中動(dòng)作延時(shí)的參數(shù)畫面，保證洗車效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)改進(jìn)了洗車機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作流程，以PLC為控制中心，確定了輸入輸出點(diǎn)數(shù)并繪制了PLC外部接線圖和軟件控制流程圖。利用PLC與觸摸屏通訊連接，在觸摸屏上仿真運(yùn)行直觀展示了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面。該洗車系統(tǒng)控制靈活方便，節(jié)約水電，且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投入成本不高，適合在中小城市推廣。

本設(shè)計(jì)下一步會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行完善，如機(jī)械結(jié)構(gòu)仍需驗(yàn)證，控制流程仍需改進(jìn)。另外洗車機(jī)沒(méi)有考慮廢水循環(huán)處理，造成水資源的浪費(fèi)，下一步將會(huì)考慮增加系統(tǒng)的水循環(huán)控制，真正做到系統(tǒng)優(yōu)化、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。

基金項(xiàng)目：2022年安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目（編號(hào)：2022zygzsj059）；2022年安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：2022AH052762）。

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