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(xué)，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(biāo)準(zhǔn)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(diào)研，目前區(qū)域內(nèi)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(fēng)干”六個環(huán)節(jié)，從調(diào)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)保”的可持續(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(shè)計、優(yōu)化、調(diào)整等，最終設(shè)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(zhì)服務(wù)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(shè)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(luò)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(xì)信息，并將獲取的詳細(xì)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(guān)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(fēng)干系統(tǒng) 啟動對車輛進行風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)

智能自動洗車控制系統(tǒng)的安裝執(zhí)行遵循以下7 個標(biāo)準(zhǔn)：①GB/T3805-2008 特低電壓 (ELV) 限值；②GB50016-2014 《建筑設(shè)計防火規(guī)范》；③GB50015-2009 建筑給水排水設(shè)計規(guī)范；④GB50303-2002 建筑電氣工程施工質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)要求；⑦GB/T18757-2008 工業(yè)自動化系統(tǒng)企業(yè)參考體系結(jié)構(gòu)與方法論的需求。

■2.3 智能自動洗車控制系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)及工藝設(shè)計

基于PLC的智能自動洗車系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)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(shè)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(shè)備、風(fēng)干系統(tǒng)設(shè)計以及滾刷設(shè)計等。

表1 智能自動洗車設(shè)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(jié)構(gòu)采用3~6mm 鋼板，所有的金屬結(jié)構(gòu)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(shè)備主要由柱塞泵、泡沫泵及噴蠟泵三個泵構(gòu)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(dá)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(fēng)干系統(tǒng)設(shè)計。風(fēng)干系統(tǒng)采用大功率離心風(fēng)機，風(fēng)機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備結(jié)構(gòu)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(fēng)力使用戶汽車快速風(fēng)干。

(5)滾刷設(shè)計。滾刷5 支，材料選用超軟耐磨泡棉，整體設(shè)計為“7 字”形態(tài)，錯位分布，設(shè)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(dǎo)向行駛軌道。導(dǎo)向行駛軌道采用國標(biāo)重載工字鋼材，驅(qū)動軸、動力輪采用高碳鋼加工，以確保軌道使用壽命。行駛導(dǎo)軌兩端設(shè)有機械限位并安裝原點傳感器，動力輪兩端面設(shè)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(shè)計

■3.1 基于PLC的智能自動洗車控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

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

圖2 系統(tǒng)控制方案整體架構(gòu)

智能自動洗車系統(tǒng)裝有紅外感應(yīng)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(shè)有減速帶），由感應(yīng)器反饋車輛駛?cè)胄畔⒉⑤斔徒o后臺處理器。當(dāng)車輛停在指定區(qū)域內(nèi)，語音及LED 數(shù)顯均會提示車輛已到達(dá)工作位置，并提醒掃碼支付洗車費用。當(dāng)掃碼支付完成后，系統(tǒng)語音提示關(guān)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(jié)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(fēng)機等輸出設(shè)備的控制。限位開關(guān)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(guān)信號輸送至可編程控制器PLC。PLC采用RS485 方式通過網(wǎng)絡(luò)和控制柜上的計算機使通訊線與伺服驅(qū)動器進行通訊，從而保證上位機的數(shù)據(jù)傳送給伺服驅(qū)動器，通過伺服電機精準(zhǔn)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(fù)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(luò)、工業(yè)軟件及控制方案功能強大，系統(tǒng)設(shè)計和操作便捷，且應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(gòu)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(guān)（4 個）以及光電開關(guān)（2 個）。超聲波測距傳感器、限位開關(guān)以及光電開關(guān)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(yīng)范圍為100~2000mm，盲區(qū)0~100mm，響應(yīng)時間小于162ms，防護等級為IP67，能適應(yīng)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(guān)選用德力西激光漫反射遠(yuǎn)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(nèi)可調(diào)，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(yán)實、防水防塵，適用于各種水環(huán)境；限位開關(guān)選用施耐德ZCKJ404H29，該產(chǎn)品金屬轉(zhuǎn)軸， 360°可調(diào)節(jié)，具有IP66 防護等級，能適應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計及流程分析

3.4.1 軟件設(shè)計

在完成了S7-1200智能自動洗車控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計后，需進行軟件系統(tǒng)的設(shè)計。按照系統(tǒng)功能軟件設(shè)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(shè)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(shè)備選型、工藝設(shè)置、參數(shù)指標(biāo)以及軟硬件設(shè)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?cè)胂窜噮^(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(fēng)干系統(tǒng)風(fēng)干→風(fēng)機關(guān)閉→機械手復(fù)位→系統(tǒng)斷電，等待下一次洗車任務(wù)。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(jié)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(shè)計方案，完成了整體架構(gòu)、硬件設(shè)計以及控制流程設(shè)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。