基于PLC的自動洗車控制系統

北京聯合大學 王豐周 楊志成

針對人工洗車速度低、操作環境差、人工成本高等問題，設計了一種基于PLC的自動洗車控制系統。該系統以歐姆龍PLC為控制核心，實現了自動洗車過程中的變速控制、自動吹掃、自動噴淋、自動吹干、故障報警等功能。為了解決了光電傳感器測量距離可調、與PLC兼容的問題，設計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控制器中的計數器對光電傳感器接收信號次數統計，并與比較器中預設的數值進行比較，根據比較值實現精確定位，將原來全程低速變為從定位處開始低速，為洗車節約了時間。

隨著汽車時代的到來，原來的人工洗車存在著洗車速度慢、人力成本高、勞動強度大得缺點，預計自動洗車成為洗車業主流。目前，自動洗車大多采用低壓電器控制，具有成本低、結構簡單、便于維護的優點；而低壓電器為主的自動洗車機存在速度慢、故障頻率高、適應性差、洗車潔凈度不達標等缺點，造成以上問題的原因是傳感器兼容性差、低壓電器過多、設備振動大、工作環境高溫高濕等問題。PLC控制器具有集成度高、穩定性強、兼容性好的優點，以PLC替代低壓電器，實現自動化洗車有較高優越性。因此，研究基于PLC的自動洗車系統具有自動化高、洗車速度高、適應性強的特點。自動洗車系統拖拽系統、噴淋系統、擦抹系統和吹風系統組成。通過四大系統的默契配合，可完成對汽車快速清洗。

1 控制系統工作流程及硬件構成

1.1 工作流程

整個系統的工作流程是：洗車工引導駕駛員將汽車開到移動拖拽鏈上，之后駕駛員將車定位空擋。拖拽鏈由拖拽電機驅動，其功能牽引汽車駛入洗車房。拖拽鏈下方有整齊排列從動滾軸，讓它與汽車輪胎形成滾動摩擦，減少拖拽電機的阻力。噴淋系統主要由一個水泵和多個電磁閥組成。擦抹系統由3組交流電機和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。待汽車被拖拽進入清洗房間后，噴淋系統啟動，控制水泵和噴淋電磁閥的啟停，可以對汽車不同位置的沖洗；稍后，擦抹系統啟動，清洗滾筒在電機的驅動下，汽車在沖洗過程中，擦抹系統和噴淋系統交互作業，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。吹風系統由風機、風道和風口組成，汽車清洗完成后，吹風系統啟動，分布在汽車周圍的風口同時吹向汽車，汽車快速風干，若在冬天，可考慮增加加熱系統。

1.2 硬件組成

全自動洗車系統由觸摸屏、PLC、扭力傳感器、光電傳感器等，還包括電動機，水泵、電磁閥，中間繼電器、加熱絲等。結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖

（1）PLC控制器的特點

PLC選用OMRON公司的C級系列產品，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作為監控核心，它有如下特點：1）處理速度快，最快處理速度達到0.04μs；2）I/O容量大，最多可達5120個點；3）指令范圍廣，除基本指令外還包括400余條高級指令；4）軟硬件兼容性好。通過以上的特點，OMRON公司的C級系列PLC，不僅能過滿足自動化控制系統的運算、容量、特殊需求，還能兼容上位機、多種傳感器和各種執行機構的需求。

（2）扭力傳感器

汽車的價格千差萬別，有的價格高達數百萬人民幣，一旦洗車中出現問題都不是小事，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，采用雙法蘭式靜態扭力傳感器MC10E-100N，安裝在擦抹系統電機的輸出軸上，當清洗滾筒與汽車接觸時，會形成一定的扭矩，根據扭矩的大小該扭矩讓傳感器輸出標準4～20mA電流信號，該信號反饋給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）可調測距光電傳感器

光電傳感器很多，但能直接能和PLC兼容的不多，因為市場上的傳感器多為3-12VDC，而PLC要用的是24VDC,PLC對傳感器的輸出阻抗要求也高，一般的傳感器達不到要求。為此，專門設計了光電測距傳感器，用于測量汽車在新車間內的具體位置。圖2中D0為發射管，D1為接收管。UA和UB是LM324比較功放電路的兩個門。UA將采集的信號篩選，不符合的信號切除。UB是將UA將輸出的信號電流放大，提高傳感器的可靠性。調整Rw1的阻值就是調整U1A要切除的信號標準；調整Rw2的阻值是調整UB要放大信號的門檻；調整Rw3的阻值是調整UB放大信號的放大倍數，放大倍數Au=Rw3/R6，倍數越高，穩定性越強，一般為10倍。

圖2 光電傳感器電路圖

2 控制系統程序設計

2.1 定位控制

汽車清洗采用流水線作業，這樣汽車經過洗車間的過程就是洗車過程，這樣設計的優點節約設備，減少投資。為了提高汽車速度，將原來的在洗車間內全程低速行進，而變成高低速結合行進，即在擦抹階段和吹風階段低速行駛，而其他階段高速行駛。這無疑給控制方面帶來難度，而變速行進的難度在于精確定位。為了提高定位精度，課題采用發掘PLC控制器的內部特殊繼電器眾多的優勢，利用PLC控制器中的計數器對光電傳感器接收信號次數統計，并與比較器中預設的數值進行比較，根據比較值實現精確定位，將原來全程低速變為定位處開始低速，其他時間為高速，節約了洗車時間。具體實現方法如圖3所示，在拖拽系統中，拖拽電機驅動主動輪。在主動輪的后方安裝一個對射型光電傳感器（2號光電傳感器）。主動輪上有凸齒，當光電傳感器的發射管和接收管之間有遮擋時，傳感器輸出為0，反之為1。當拖拽電機轉動時，就會帶動主動輪轉動，主動輪的轉動就會帶動主動輪的凸齒轉動，凸齒會對2號光電傳感器的遮擋，使得接收管處于通斷狀態，每個通斷都代表主動輪旋轉的角度，也能換算成拖拽鏈帶汽車前進的距離。也就能夠對汽車在洗車間內精確定位。

圖3 定位測量原理圖

2.2 PLC程序設計

圖4為控制系統流程圖。

圖4 控制程序流程圖

系統上電后，程序進行初始化，隨后整個系統進入待機狀態。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，0號光電傳感器檢測到汽車前端，拖拽電機啟動并高速運行。拖拽鏈將汽車載入洗車間。與此同時，2號光電傳感器也開始工作，拖拽電機驅動主動輪旋轉，主動輪旋轉的齒數以將通斷的形式，送到PLC控制器中。PLC內部的計數器會對拖拽鏈的運動情況統計，統計的數量與比較器的預制數數值時比較，當到達預制數數值時，吹掃系統、噴淋系統會相繼運行的，當到了擦抹處時，拖拽電機變成低速運行，同步啟動擦抹系統，關斷吹掃系統。由于拽電機變成低速運行，汽車經過擦抹段的時間相對會變長，同理，擦抹系統對汽車擦抹的時間變長，效果就越好。同樣到了吹干階段，控制系統會啟動吹風電機及加熱絲。

2.3 PLC選型和I/O口分配

項目采用歐姆龍（OMRON）PLC控制器，它相對于西門子、施耐德不僅具有價格優勢，它還有豐富的片上資源，便于開發和應用。關鍵點它的端子接口比較大，便于配線，對于洗車系統這樣集成度要求不太嚴格場合，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控制梯形圖設計

根據自動洗車的工作流程以及拖拽系統變速運行的特點，采用計數器和比較器聯合的方式，編制PLC的梯形圖，主程序梯形圖（部分）如圖5所示。圖中計數器CNT0的設置值為#9999，實際中要遠比次數小，同樣比較器CMP（20）中的比較值也要根據現場測試，然后確定。

圖5 主程序梯形圖（部分）

3 控制系統調試

經過對洗車間設備的組裝和軟件系統測試完成的基礎上，需要對整個控制系統進行調試。由此可以發現存在的問題，確保洗車順利。首先檢查硬件設備的組裝情況，主要包括對PLC、光電傳感器、觸摸屏和停止按鈕等各設備的上電檢查，觀察他們的響應狀態，最后在聯機調試。在整個系統完全排除故障后，才可真車試驗。真車試驗如圖6所示。同時做好應急預案，防治漏水、漏電、運動傷害等。完成上述準備工作以后，對以下系統各項功能進行調試。

圖6 洗車試驗現場圖

（1）自動控制模式下，依次觀察、吹掃系統、噴淋系統、擦抹系統、吹干系統的運動狀態。

（2）自動控制模式下，按下急停按鈕，觀察這個系統的運行狀態。

（3）在手動控制模式下，觀察手動前進的運行狀態。

（4）在手動控制模式下，觀察手動倒退的運行狀態。

（5）設置故障點，觀察報警情況。

（6）將汽車污損，通過自動洗車，觀察被洗車輛每個部位的潔凈度，測試洗車潔凈率。

通過試驗，對同一車輛清洗，洗車速度由原來的3min20s，縮短為2min55s。節約時間25s。說明變速行進可以提高洗車速度。另外，對以上功能的調試非常重要，但不限于此，做好記錄，改善缺點，才能完善洗車控制系統的功能。

結束語：本文論述了一種基于PLC控制的自動洗車控制系統。實現了洗車中的變速行進、提高了洗車速度；采用內部計數器、比較器，減少現場的傳感器的安裝，避免環境惡劣對傳感器毀損而造成的事故；該控制系統已經成功應用于市內某洗車間。實踐證明，該控制系統安全可靠，改善洗車人員的工作環境，為洗車店帶來較好效益，推廣前景十分廣闊。