基于S7-1200的全自动洗车控制系统的设计

储昭碧，李健，孔艳，冯小英

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

基于S7-1200的全自动洗车控制系统的设计

储昭碧，李健，孔艳，冯小英

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

介绍了一种最新的全自动洗车机控制系统的设计方案。为了减小全自动洗车控制系统的占用空间且提高控制系统的性能，该控制系统采用的是S7-1200系列的PLC，配合三相步进电机、超声波测距传感器工作。介绍了整个系统的工作过程、1215C上各端口连线、脉冲发生器的实现以及洗车过程的软件流程。控制系统的所有器件占用空间明显减小，仿真实验表明三相步进电机运行稳定，该系统设计合理。

S7-1200PLC；全自动洗车；控制系统；脉冲发生器

随着科技的发展，汽车的数量逐渐增多，汽车数量的巨增与生活节奏的加快，使全自动洗车机受到更多的青睐。传统的人工洗车需要强大的劳动力且洗车效率不高，在20世纪80年代中期，公交系统的大型停车场开始采用机械化洗车方式，自动洗车模式开始诞生。现如今全自动洗车行业正在快速发展，控制系统也在不断升级，最终将彻底取代传统的人工洗车。

全自动洗车机的洗车流程如下：车辆刷卡驶入进行底盘冲洗、车辆检测、预冲洗、喷洒高效清洗液、车身强力清洗、喷洒养护水蜡、车身强力风干、车辆驶出等过程。诸多的过程确保了洗车效果。

全自动洗车机的控制系统要求系统能在恶劣的环境下完成各功能部件的控制任务，并且在工艺上要求各控制部件间动作协调，工作稳定可靠。由于顶部的调整托盘存储空间有限，所以要求控制系统的所有控制器件所占空间尽量减小，减小控制系统的复杂性，方便整个控制系统稳定可靠运行。

1　控制系统方案设计

基于S7-1200PLC［1］的全自动洗车控制系统是由信号检测部分、系统控制部分、报警指示部分等组成。系统的控制框图如图1所示。

信号检测部分由超声波测距传感器［2］和光电开关组成，用来检测车辆的出入以及车辆的位置；系统控制部分由道闸电机、水泵电机、三相步进电机［3］、空压机、电磁阀、限位开关、单相异步电机、液位开关触点组成，道闸电机控制车辆的出入，三相步进电机、限位开关和单相异步电机控制全自动洗车机喷杆的工作，水泵电机和空压机分别为喷杆提供高压的水和气，完成洗车和强力风干过程，电磁阀和液位开关控制洗车系统水路工作。报警指示部分由交通信号灯和触摸屏［4］构成，完成洗车异常警告和洗车过程显示的工作。

图1　控制系统的结构框图Fig.1　Block diagram of the control system

2　控制系统的硬件设计

2.1PLC的选择

传统全自动洗车控制系统选择的是德国西门子公司的S7-300系列的PLC，主要由电源模块、CPU模块、SM信号模块、FM353功能模块以及CP341通信模块构成。SM信号模块用于整个控制系统数字量和模拟量的输入输出；FM353功能模块通过硬件组态和编程可发高速脉冲，实现对步进电机的控制；CP341通信模块可实现基于Modbus协议的主从站通讯。传统控制系统较为复杂，所占空间较大，安装不便。

本控制系统选用的是德国西门子公司S7-1200系列的PLC。选择该款PLC控制整个系统的优势［5］在于：1）在CPU方面，与传统控制系统相比，本系统S7-1200系列的PLC有集成高速脉冲输出，减少传统控制系统里面FM353定位模块的使用，节约成本，节省空间。S7-1200PLC的CPU经过硬件组态和程序编制，能产生4个PWM脉冲信号，与步进驱动器的脉冲端PUL、方向端DIR相连，用户通过控制脉冲的个数和频率即可控制喷杆的位置和速度；2）在SM方面，由于信号数量较多，传统控制系统需要增加信号模块，而本控制系统型号为1215C的CPU集成了大量AI，AO，DI，DO端口，减少信号模块的使用，节省空间，方便安装；3）在通信方面，S7-1200系列的PLC具有集成PROFINET接口和灵活的可扩展性等特点，集成的PROFINET接口用于编程、HMI通信和PLC间的通信，型号为1215C的CPU集成2个PROFINET接口，满足本控制系统需求，传统控制系统需要实现主从站点通信，本控制系统集成度高且灵活性强，仅需1个站点，所以无需增加通信模块；4）在控制效果方面，硬件安装完毕，在STEP7 Basic V13软件里进行仿真，得出沿X轴方向（X轴正向：车左前侧到车左后侧，X轴负向：车右后侧到车右前侧）运动的步进电机位置控制曲线，其位置和速度的变化过程如图2所示，步进电机工作稳定。X轴方向的步进电机经历正转、保持1、反转、保持2的过程。对4个过程进行如下阐述：正转阶段丝杆逐渐变长，速度由初始位置开始正向增加，达到额定速度时保持匀速；保持1阶段X轴步进电机停止转动，Y轴方向（Y轴正向：车左后侧到车右后侧，Y轴负向：右前侧到左前侧）步进电机正转；反转阶段丝杆逐渐缩短，速度由初始位置开始反向增加，达到额定速度时保持匀速；保持2阶段X轴步进电机停止转动，Y轴步进电机反转。整个过程与软件部分设计目的保持一致。另外，在各个过程间转换灵敏，控制效果明显，符合本系统要求。

图2　步进电机位置控制曲线Fig.2　The curves of stepper motor position control

本控制系统有2点AI，13点DI，9点DO，选择型号为1215C的CPU，该CPU集成2点AI，2点AO，14点DI，10点DO，以及2个集成PROFINET接口，满足本控制系统的基本要求。1215C有16k字节程序和数据的存储空间，4个高速的脉冲输出，6个用于计数和测量的高速计数器。另外，它还具有PID控制器以及可扩展3个通信模块，为以后系统再升级提供有利的条件。

2.2控制系统硬件接线

S7-1200系列PLC的硬件都具有内置安装夹和可拆卸的端子板，内置安装夹使硬件能够方便地安装在一个标准的35 mm DIN导轨上，可拆卸的端子板使硬件之间只要进行1次接线即可，比如本系统电源模块和CPU模块之间，只需1次接线就可实现供电。X轴和Y轴的步进驱动器与CPU 1215C都采用共阳极连接［6］，CPU发出的4个脉冲分为2组，分别接X轴和Y轴的步进电机驱动器，每组的2个脉冲连接PUL端和DIR端，ENA端接5 V的电平信号，用位置脉冲+方向信号实现对喷杆的位置控制。超声波测距传感器测得距离转换为4～20 mA的信号接入AI端口，经A/D转换器转换为0～27 648的数字量，用CPU进行处理，控制步进电机产生相应的动作。1215C的CPU具有2个集成PROFINET接口，一个与触摸屏连接，用于HMI通信，另一个用于编程。具体硬件连线图如图3所示。

图3　控制系统硬件接线图Fig.3　Hardware block diagram of control system

3　控制系统的软件设计

3.1S7-1200 PWM功能的软件设计

本系统选择的S7-1200的CPU提供了4个输出通道用于高速脉冲输出，可组态为PWM，PWM（脉冲宽度可调）是一种周期固定，脉宽可调节的脉冲输出。脉冲发生器在STEP7 Basic V13软件中使用CTRL_PWM指令实现，通过硬件组态和程序编制即可实现脉冲输出，本系统使用的CTRL_PWM指令块参数表如表1所示，PWM程序编制图如图4所示。

表1　CTRL_PWM指令块参数Tab.1　The parameters of CTRL_PWM instruction block

硬件组态完成后，定义完变量，打开OB1，从指令列表把CTRL_PWM指令块拖入编辑器中，定义背景数据块，编写模拟量赋值程序。当EN端变为1时，指令块通过Enable端使能或者禁止脉冲输出，脉冲宽度通过程序中的Analog_input（模拟量输入）来调节，当CTRL_PWM指令块正在运行时，BUSY位一直为0。有错误发生时ENO输出为0，此时STATUS显示错误状态。

图4　PWM程序编制图Fig.4　The PWM programming diagram

3.2汽车清洗和喷杆控制的软件设计

本系统的预清洗和强力清洗、强力风干的过程类似，避免重复，仅述预清洗过程：车辆刷卡缓慢驶入，底喷打开开始清洗车底，车辆驶入规定洗车区域，喷杆从起始位置沿X轴正方向（车左前侧到车左后侧方向）运动，当旋转检测的超声波传感器输出电流巨增，单相异步电机工作，喷杆旋转，喷杆沿Y轴正向（车左后侧到右后侧方向）运动，旋转探头的电流再次发生巨变，单相异步电机工作，喷杆旋转，沿X轴负向运动，如此循环，回到初始位置，预冲洗过程完成。强力清洗、强力风干的过程也是让喷杆让汽车旋转1周，不需要刷卡和开启底喷。预清洗流程如图5所示。

图5　预清洗流程图Fig.5　Flow diagram of preclean process

4　结论

本文针对全自动洗车机发展现状以及实际的控制需求，设计出了基于S7-1200的最新全自动洗车控制系统，给出了整体方案、硬件选型连线、软件实现细节和结论。系统所需空间明显减小，系统性能得到改善，具有一定实用价值，可供类似的控制系统作为参考，有望在实际中得到应用。

［1］张春.深入浅出西门子S7-1200PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［2］时德钢，刘晔，王峰，等.超声波测距仪的研究［J］.计算机测量与控制，2002，10（7）：480-482.

［3］李秀红.高细分新型步进电机驱动系统设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.

［4］王春波，李云鹏，危日光，等.西门子PLC在油管防腐热固化炉上的应用［J］.电气传动，2009，39（3）：62-64.

［5］Siemens.SIMATIC S7-1200-Micro Controller for Totally Integrated Automation［M］.Siemens AG，2009.

［6］殷华文，于兆和，马志刚.PLC对步进电机的控制技术［J］.组合机床与自动化加工技术，2003，5（8）：65-67.

Design of Automatic Car Washing Control System Based on the S7-1200

CHU Zhaobi，LI Jian，KONG Yan，FENG Xiaoying
（School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China）

Introduced a new automatic washing machine control system design scheme.To reduce the occupied space and improve the performance in this automatic control system，control system used the S7-1200 series PLC，with the three-phase step motor，ultrasonic range sensor.Introduced the whole system work process，ports connection on 1215C，the realization of the pulse generator and the software flow of washing process.The space of all devices took up was significantly reduced in this control system，simulation results show that the three-phase step motor running is stable，the system design is reasonable.

S7-1200 PLC；automatic car washing；control system；pulse generator

TP23

A

2015-08-10

修改稿日期：2016-05-16

国家自然基金项目（51177035）

储昭碧（1970-），男，博士，教授，Email：chuzhaobi@126.com