基于PLC 的自动洗车控制系统设计

（湖北省十堰市竹溪县中峰镇人民政府，湖北 十堰 442312）

本设计利用计时器装置，运用了PLC 的控制原理，经过对线路的通断操作完成自动洗车。目前的汽车服务市场中，人工洗车方式需要一段很长的时间来清洗，劳动成本过高，有着违背可持续发展原则的浪费资源现象。因此，利用PLC 的可依赖性，完成人工洗车的替代功能，并且减少水、电等资源的浪费，大幅提升洗车的效率。张勇在2019 年的论文中这样说到：可编程控制作为一种科学技术在不断的发展，具有可靠性高，抗干扰能力强，对现场的适应性很好，能够适应各种恶劣的工业环境等优点。近年来，基于全自动洗车机不断受到人们的喜爱，全自动洗车机不仅能够节省洗车的时间、减少洗车的人力物力，降低成本，同时也能够避免工作人员与车辆进行过多的接触，减少对车辆的损坏。

世界经济水平在快速发展中，随着时代的飞快进步，GPS 导航技术、空间技术、汽车技术以及各种制造业自动化控制技术都在迅速的进步着。尤其是人们的生活质量不断地上升，小型汽车慢慢地变成为每一个家庭的重要交通代步工具，越来越多的家庭拥有他们自己的汽车，然后他们面对的问题就是，如何在汽车弄脏之后选择汽车清洗方式，大多数国内的汽车清洗行业仍然处于人工清洗的阶段，几乎所有的洗车步骤都是由人工手工操作，耗费时间、耗费人力、耗费大量的水资源等等，只有极少数的一些有经济实力的公司会投资引进国外的洗车设备来发展壮大自己的公司。但是在国外，大多数发达国家都早早地采用了一体化自动洗车装置。在美国，很多洗车商店都有着全自动洗车装置，从需要洗车的顾客付款开始到洗车过程结束，这当中所有的过程都是自动进行，只会有少量的员工，他们只是会指挥你开停车的正确位置，顶多会帮你按下开始洗车按钮，开始喷淋清洗汽车。[1]

整个洗车场地非常的大，大约有3、4 个篮球场那么大，洗车线大约有50、60 米长，4、5 米宽，其余位置都是吸尘的地方。洗车时，挂在空挡处，拉好手刹，关上车门和车窗，人们甚至坐在车子里面不需要出来，坐在车里，车上的皮带自动前进，会有一个高压水枪自动喷洗。洗车卡自动支付，有很多档次——普通的清洗、打蜡、里里外外无死角的清洗，三个档次之间的价格差别不大，在10 美元以内。目前，中国也有很多地方引进了国外的自助洗车机，但中国的人工成本远低于美国，场地条件也存在不成熟的缺点，所以还没有普及。

早在2011 年，邵鸿翔与徐晓辉两个人就设计出了一款基于PLC 的自助洗车房设计，他们的设计放在现在来看也不为过时，这个设计使用了西门子S7-300 PLC 作为中央处理器，拥有完整的洗车步骤，无论是顶部滚刷，还是喷淋结构，都一应俱全，他们设计的系统中，刷子运用了平衡系统，能够很好地适应不同车子的车身结构。由PLC 控制顶部滚刷的往复运动和整个车身的喷淋，达到全自动洗车的目的。下图1 是他们设计的系统部分结构图。

1 基于PLC 的自动洗车控制系统总体方案

1.1 自动洗车流程介绍

当人们下达开始洗车的命令（按下开始按钮），系统就可以开始检测车辆处于哪个位置，当存在于清洗位置的传感器检测到汽车，它就可以发出一个信息脉冲给PLC，然后整个系统开始清洁进程，通过PLC 自动控制操作，自动进行刷洗和清洁剂的喷洒以及风干干燥等工作，当系统的传感器感知到汽车已经开出了清洗位置，系统就会自动停止清洗工作，然后由人工手动复位，等候下一个洗车检测器来检测汽车，洗车机接触器、传感器停止工作，所有水阀关闭以及刷子停止刷洗，送出停止命令，刷洗工作停止。

1.2 自动洗车控制系统的设计要求

手动启动后，要求系统能够自动地检测车辆是否已经达到了清洗位置。假设车辆没有达到指定的清洗位置，后续的洗车工作系统将无法进行，而是处于等待状态。如果传感器检测到汽车早早的抵达了清洗场地，那么就可以进行后面的一系列动作，包括刷子的左右移动、刷洗操作、清洗剂喷洒、风干等。在完成最后一步之前，整个系统都是人为可以操作的，并且需要人工手动复位。

图1 顶部滚刷系统

图2 自动洗车示意图

1.3 自动洗车控制系统的总体设计

开始洗车的时候，系统会通过传感器判断车子是不是停在了指定位置，如果是在指定位置，则系统启动，并且启动灯亮起，开始洗车，如若没有到达指定位置，则由人工复位，这时复位灯亮起，直到车子停到指定洗车位置，再开始洗车运作。当开始洗车后，进行喷水，车子右移，直到碰到右极限开关，这时车子开始左移，在此期间，刷子进行每一次5 秒的刷子运作，当车子碰到左极限开关，开始喷洒清洗剂，此时汽车往右运动，直到碰到右极限开关，开始喷水，并且向左运动，在碰到左极限开关后，风干系统开始工作，鼓风机开始吹风，将车子身上的水吹干，整个洗车流程结束，启动灯熄灭，结束洗车。

汽车清洗机的关键运动行进方向是左右往复运动，左右往复运动这里使用了两个行程开关——左行程开关和右行程开关来控制，同时不同的反复往返顺序还带有着其他的不同动作，比如刷子洗刷工作、喷淋清洗剂的工作、往车子身上喷水的工作、用吹风机将车子烘干的工作等。这个系统还使用了可复位的设计。如果在洗车过程中，因为某些人为原因，汽车并没有达到指定的清洗位置，那么这个时候就需要手动复位。当复位灯亮时，汽车到达指定位置，人工按下开始按钮可以重新开始清洗工作。

图3 系统工作流程图

汽车清洗机第一时间到达右限位动作和刷子刷洗动作时，接触到右限位开关使得右限位开关完成运作，并且控制汽车清洗机向左方向运动，喷水的动作以及对车身的刷洗动作持续进行，一直等到左限位开关运作结束。在汽车清洗机第二次做向右移动的动作时，对汽车车身的喷水停止，刷子这个时候开始运行，与此同时，喷洒清洗剂的工作会一直进行到接触到右限位的行程开关运作时停止。汽车清洗机继续保持向左移动，与此同时持续地喷洒清洗剂，直到接触到到左限位开关，并使其运作。而在第三次汽车清洗机右移时，汽车清洗机运作挪到到正确的位置，并且停止3 s，刷子这个时候会仔细擦洗5 s，而且继续进行连续的右移，直到遇见限位开关。其中，想要达到汽车清洗机右移和刷子刷洗运转动作的切换，可以运用延迟计时器T38和T37 构成的振荡电路对其达到管控的目的，等到满足要求后的限位开关联锁操控电路断开，停掉清洗工作。此时汽车清洗机向左运动，与最后右移时的运作相同，直到接触到左限位行程开关。在汽车清洗机第四次向右移动运作时，喷水的动作和刷子刷洗的动作持续进行，直到接触到右限位行程开关。继而汽车清洗机进行向左的移动，一直持续地喷水，直到接触到左限位行程开关。汽车清洗机向右第五次移动运作状态，这个时候，风扇正好开始移动，直到接触到右边的限位行程开关，汽车清洗机此时会向左移动，而风扇继续移动。汽车清洗机持续向左移动，直到接触到左限位行程开关。此时，控制系统就可以自动让整个系统停止运转，此时就可以完成洗车任务。

2 自动洗车控制系统硬件设计

自动洗车控制系统的硬件设计和应用选型应该仔细并且慎重的考虑。自动洗车机的选型、电动机的选取、传感器的选择和PLC 类型的选择，都应该逐个考虑，以达到确保它们的组合在一起可以稳定并且连续的运行的目的。

2.1 自动洗车控制系统硬件架构

机架运作的结构、小侧刷清洗部分、顶侧刷子的清洗部分、大侧刷子的清洗部分、风干吹干部分和清洗液系统组成了汽车清洗机的骨干部分。

机架方面，这里使用了两台三相异步电动机作为一个能源起源。经过控制三相异步电机的正转和反转两种转动方式，让整个机体可以正确的向前或者向后移动。与此同时，想要获得保证轨道上运作系统的安然的目标，我在轨道的两端设置了两个行程开关，用这两个行程开关来控制整个车架的运行范围。机架运转电动机的管制，由手动操作的前行按钮和手动操纵的倒退按钮进行控制。两个电机上面的接触器由两个行程开关来操控。

一个定位机构和转动刷洗机构组成小侧刷清洗机构。由两个交流三相异步电动机来驱动刷子的运作。小侧刷的定位机构则是使用了两个双作用气缸作为驱动部分，并且经过控制电磁阀对小侧刷进行定位。

转动刷子机构和定位机构两个部分一起组成了清洗系统的顶刷刷子结构。在这里，我使用了三相异步交流电动机来带动刷子的工作。顶部刷子的定位机构则以气缸为驱动源，这里采用控制电磁阀来达到使其工作得目的。而且，因为顶部刷子的区域会干涉到机架的工作情况，所以这里为了让整个系统能够平稳地工作，让系统具有令人满意的安全性能，在顶刷上设计并安装了就地定位靠近开关，用来确定顶刷能否抵到指定区域。

使用了大侧刷定位机构和刷子旋转机构的是大刷子部分。由两个异步交流三相电动机作为驱动来源，用电机来带动刷子运作。并且两个交流接触器的正反转用刷子的旋转来替代控制，大边刷子复位的同时，中间位置和的前方和后方的位置辨认、位置感知使用了四个接触开关和两个行程开关完成，两个电动机当做大侧刷子定位机构的动力来源，电机通过控制电磁阀的状态。

风干系统，风干系统是由风道操作机构和吹风机两个系统组成。一些管道和两个出风机构成鼓风机系统。通过控制两个接触器来控制开关系统。同样，电机控制电磁阀作为驱动源来实现其工作动作，但由于风干系统一直处于移动状态，位置不够稳定，一旦与伸出车外的肢体部分发生接触，很容易让人受到伤害。因为这个，设计吹风机定位光电开关和导管定位保险方法开关，用来取得整个位置辨认的准确性。由水泵、潜水泵和装有各种清洗剂的控制阀组成的冲洗管路装置。采用两个交流接触器控制水泵和潜水泵的运行，电磁阀实现控制管道的开关。

总之，需要整个系统中的各种机构和电磁阀之间的协调与配合运作，才能让这一整个汽车清洗机的整个运行过程顺利进行，要是像这样子，才能够保证汽车清洗机的平安运行而取得安全高效清洗子的目的。

2.2 控制系统的硬件设计

整个系统的硬件部分，这里选择了Siemens 公司的Step7 micro/win 仿真软件和S7-200 PLC 编程软件。传感器选择了对射式光电传感器，电机部分则选择异步三相电动机。

2.2.1 PLC

PLC 是一种被设计来用于工业的东西，可以被用于各种各样的由数字操作的精密电子系统之中，可以将它用于存储各种程序、计数和算术操作、执行各样逻辑算法、控制顺序、定时等，这些都采用了一种可编程存储器。PLC 的英文名全称是Programmable Logic Controller。也被称作可编程逻辑控制器，而我们通常只叫它的简称——PLC[2]，现代工业控制的核心就是控制模拟或者数字的输出/输入量以此来达到控制每个方面的生产和机械方面。

张淼，王永东主编的西门子S7-200 PLC 应用技术里面提到：PLC 是二十世纪六十年代以来发展速度非常快、应用方面十分广泛的工业控制装置，而且它也被称作为现代现代工业自动化的三大支柱之首。在这本书里，他们详细的介绍了各种常用PLC 的型号以及外形，非常适合我们去了解和学习PLC[3]。

PLC 技术还在加入了模拟卷的处理以及运动控制等强大的功能，这都是建立在交换卷处理的基石上实现的。现如今的PLC 已经是在运动控制领域和过程控制等领域发挥着非常至关重要的作用，而不再仅仅局限于以往的那种逻辑控制。PLC 控制器操作时，首先将接收到的扫描字段和各个输入设备的状态以数据的形式存储在I/O 图像区，并从用户程序内存中读取用户程序，以便说明应适用的算术指令，或逻辑操作到I/O 图像区或数据寄存器的结果。所有用户程序被执行，I/O 图像区域或输出寄存器中的数据的输出状态最终被传送到相应的输出设备，并且循环继续，直到其停止。并且，人们想要PLC 的可依赖性能变得更佳，近些年来，一些大型的PLC 使用了好几个CPU 的工作方式，有两个的、三个的甚至更多。正因为这些措施，即便是其中的某一个CPU 出现故障，整个系统仍然有效。PLC 控制器的控制中心是中央处理单元(CPU)。接收和存储用户程序和数据:检查电源、I/O 点、内存、警报计时器状态，并诊断用户程序语法错误。这些都是由PLC 控制器系统编程[4]。

文晓在她的《探讨：PLC，未来之变》中曾讲过，在经过了50 多年的持续发展之后，PLC 跟五十年前相比，已经发生了天翻地覆的变化，在PLC 诞生的初期，它主要是用于替代传统的继电器硬接线逻辑电路，而随着相关技术的发展，PLC 在性能、功能、易用性和产品形态等方面已历经几代变革[5]，已经发展成为具有运动控制功能、过程控制功能的通用控制器[6]。从简单到复杂的各种自动化控制系统，PLC 的应用几乎涵盖了自动检测相关的所有领域，应用非常广泛。自动控制的工业领域与民用领域，涵盖的有机械、建筑等各个方面[7]。CPU 模块、接口模块以及编写程序器、信息来往电缆、存储装置、读写装置、文字显示装置等组成了S7-200PLC 系统。

S7-200PLC 包含了基本的输出/输入板块、中央处理器板块以及电力来源版块。扩展模块可连接数字输出/输入模块、模拟输出/输入模块、信息模块和特殊功能模块。PLC的工作原理是周期性扫描的循环往复过程，其中PLC 的运行始终处于顺序扫描循环的过程中。S7-200 系列PLC 基本搭建模块及主机，包括PLC 编程设备、人机交互界面，并根据实际需要增加或减少人的扩展模块，因此，S7-200 系列PLC 也是可以独立运行的，而且可以在输出/输入两个端口进行扩展，还可以进行连接功能扩展。

为我们熟知的可编程序控制器(PLC)就是集计算机技术、自动控制技术和通信技术于一体的新型常用的自动控制装置。它具有非常强的功能性、可依赖性能极高、使用起来灵活方便、并且易于编程以及适应工业环境应用的功能强大等一系列的优点。PLC 无论是在开关控制和模拟控制中，还是在定位控制中，或者是在网络控制中，都表现出了非常优越的特点[8]。相关的行业有了很大的进步和提升，很大程度上都是因为PLC 在众多企业中被用在各种需要自动控制的场景之中，一定程度上也使得社会向前进步和经济水平向上发展。PLC 是一种计算机控制技术和通信技术，作为它数字操作控制器之一，它给我们自动化控制领域带来了很大的方便而且还极大地提高了企业的工作效率。

张磊在2016 年的基于PLC 自动控制的概述中是这样介绍PLC 的——PLC 从原理上说，可编程控制器和计算机是一致的，为了和工业控制相适应，PLC 采用扫描原理来工作。用扫描原理来工作的原因是因为PLC 是由继电器控制发展而来的，而CPU 扫描用户程序的时间远远短于继电器的动作时间，仅仅使用循环扫描的方法就可以解决其中的矛盾。循环扫描的工作方式是PLC 区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面[9]。

用PLC 进行自动化电气控制的优点：

（1）应用起来简便，有较强的实用性；（2）后期的维护及改造相比较来说，较为方便；（3）还拥有较强的抗干扰性能；（4）造型适应目前各种各样的工业化要求。

S7-200 系列具备十分明显的性价比，被运用于各行各业、各种场合的自动化设备的检测、监控和控制的S7-200是一款小型可编程控制器。同时，它也具有非常强大的功能，S7-200 系列无论是独立的运作或者是连接的网络都使它有可能实现复杂的控制功能。

S7-200 系列的优点有这么几点：它的指令集各种各样；它可以让人们无条件地相信它；而且对人们来说容易掌握；操作简单；扩展模块多；实时性好；具有良好的通信能力。

S7-200 系列的适用范围广泛，能应用于简单的继电器控制，也能够运用在复杂的自动控制行业领域，它的功能在自动化控制领域发挥的淋漓尽致。无论是民用电力装置，环保装置还是标准更为严格的工业控制领域，比如数控机械等，都能够完美胜任，所以它是一种很值得信赖的产品。

中央处理器的单元选择是不一样的，每一个CPU 型号的输出和输入接口都不相同，比如221，它有6输入和4输出，而222 则输入和输出分别比221 多两个，以此类推，224 的比222 输入和输出分别多两个。

S7-200 可作为负载电源使用，也可直接连接致动器和传感器，CPU221、222 具有180 毫安输出，224、224XP、226 分别输出280、400 毫安。

CPU224有24 个I/O，分别有14 个输入点和10 个输出点，168 个数字I/O 或者35 个模拟I/O 是它的极限连接数量，而且拓展板块可以接7 个。224 有着六个三万赫兹的高速计数器，也有13K kb 的数据存储容量，两个高达两万赫兹的高速脉冲输出和一个比例、积分、微分控制器，224 有着RS-485 通信口，可以进行自由的通信、PPI 通信和MPI 通信。这个PLC 控制器的体积足够小，但是控制能力很强大。

2.2.2 I/O 分析以及分配

根据系统组成分析，有6 个开关量输出点，14 个输入点，1 个模拟量输入输出点。

自动洗车机的控制系统本文中所描述使用输出信号9个，向右洗车机操作Q0.0，Q0.1 是风扇运行的操作，刷子运行的操作为Q0.2，Q0.3 操作左洗车机，清洗喷雾剂操作Q0 1.4，浇水动作Q0.5，洗车机停止运行Q0.6，启动灯光Q0.7，复位指示灯Q1.0。四个输入信号，这是I0.0的启动开关，I0.1 左限位开关，右限位开关及复位按钮I0.2、I0.3。按下启动按钮后，这个系统能够自动地实现清洗动作，自动停止清洗运作过程，手动复位。但是下次启动前必须重新设置。由输出和输入的数量来看，这里可以使用CPU224。下表1为PLC 的I/O 分配表。

表1 I/O 分配表

3 介绍选型

3.1 传感器的介绍选型

为了检测过往车辆以及清洗车辆，此时必须使用传感器，允许现场条件与光纤传感器一起使用。一个传感器只可以探测到车辆的存在，但不可能探测到进入和退出的两种状态。所以为了检测车辆的进出状态，必须要使用两个传感器。通过判断两个传感器检测车辆的先后顺序，确定车辆的出入口。当车辆进入车辆时，传感器A2 首先检测车辆，然后是A1。当汽车离开汽车时，传感器A1 首先检测它，A2 稍后检测它。根据现场的实际需要，两个传感器之间的距离一般比较近，所以身体会同时覆盖两个传感器。因此，判断车辆进出的标准是:当A1 为1 时，A2 经历一个上升沿出车，反之亦然。根据要求，此处应选择对射式光电传感器。型号选择为BJ15M-TDT，最远可以检测15 米，完全符合本次设计要求。下表2 为该传感器的参数表。

图4 对射式光电传感器

3.2 电机的介绍选型

三相异步交流电动机的优点正是我们所需要的，比如它声音小、可以使用的时间长，节省电力、维修起来简单、效率高等等。在主电路上，这里的电动机我选择了异步三相电动机100L2-4，采用“Y”型接法，转速选择1500r/min，功率为3kW。额定电压为380(V)，额定电流为6.8(A)。安装尺寸和功率等级完全合乎电工委员会的执行标准。三相异步电动机的参数表如下表3 所示。

3.3 水泵的介绍选型

根据电气要求，此处的电机选型要求电机功率不得大于5kW，不然的话会影响电机的寿命，所以水泵的参数如下表4。

4 自动洗车控制系统软件实现

4.1 预洗车阶段

在洗车前的准备阶段，做一些准备工作，车主将需要清洁的车送到指定的清洗地点，做一些准备工作，然后就可以开始洗车了。

表2 BJ15M-TDT 对射式光电传感器参数表

表3 三相异步电机参数表

表4 水泵参数表

图5 启动程序梯形图

图6 复位程序梯形图

4.1.1 启动

工作人员手动触发启动按钮，这个时候系统就开始工作，启动输入信号I0.1 通电，I0.3 得电，触发启动信号，启动灯亮起，线圈M1.5 持续保持得电状态。

4.1.2 复位

在洗车完毕后，在下一辆车停到清洗位置之前，需要人工复位，这时人工按下复位按钮，I0.3 得电，与此同时使得M1.6 以及Q0.3 两个线圈工作，此时汽车清洗机向左运作，当汽车清洗机抵达左边的极限开关后，I0.2 得电，此时会同时触发Q0.1，所以复位灯亮起。

4.2 洗车阶段

4.2.1 左右移动

汽车清洗机左右移动工作状态，在启动系统之后，M0.0会持续保持得电状态，在车子抵达右边的限位开关以后，I0.1 就可以得电，同时触发Q0.3 和M0.1，I0.0 关闭，M0.0和Q0.0 得电，这个时候汽车清洗机就可以开始向右运作。

4.2.2 刷子运作

Q0.2 触发之后，刷子会以周期为5 秒的循环运动开始工作，而且会适当情况下停止。

4.2.3 清洗剂喷洒

图7 左移程序梯形图

图8 右移程序梯形图

图9 刷子运作程序梯形图

喷洒洗洁剂的运行过程为，线圈M0.2 得电，同时触发M0.3 和Q0.4 两个线圈，此时整个系统就可以开始喷洒清洗剂了，但是在这个过程中，线圈M0.3 还是一直处于得电的状态。

4.2.4 风干

风干的运作原理为，当洗车机向左边移动，而且在快要触碰到左边的极限开关时，会同时触发Q0.1、Q0.0 以及线圈M1.2，此时，汽车清洗机开始向右边运动，风干动作开始进行。

5 自动洗车控制系统仿真与调试

5.1 仿真软件

组态软件指的是一些预设各种软件模块可以很容易地实现和完成监控层的功能，数据采集与过程控制而使用的专用软件，它们能以灵活的非编程方式提供良好的用户界面开发和使用简单的方法，它们可支持各种计算机硬件制造商和I/0 设备，是在自动控制系统监控层的水平的软件平台和开发环境以及高度可靠的工业控制机和网络系统，以控制层和所有的接口管理软件和硬件，系统集成。

图10 清洗剂喷洒程序梯形图

图11 风干程序梯形图

美国是世界上第一个发布监控组态软件的国家，他们在上个世纪80 年代就已经将组态软件进行商用了，那个时候的软件叫INTOUCH，开发INTOUCH 的公司为WONDERWARE——是世界上最先将组态软件商用的专业软件公司。从那以后，组态软件便开始发展起来。目前，世界上有几十种配置软件。国际上耳熟能详的监控配置软件有虚拟仪器、Citech、Fix、英塔吉、Wincc 等等。

组态软件主要用于显示静态图像，而且还增加了以各种其他格式加载图像的能力。让位图构建不仅仅显示标准的Windows 位图文件。组态软件同样有着很厉害的数据处理功能，它可以对工业站点上产生的数据进行各种样式的数字统计处理，用户完全可以获得关于某个站点的第一手数据。而且用户还可以构建组态软件实现与站点的对接，通过计算机了解场地的所有情况。还可以通过组态软件模拟理想的场地条件，用户可以实现许多组态软件无法模拟的变量。

计算机在工业领域的大范围应用，以及工业级自动化水平的飞速提升，让人们对工业自动化控制提出了越来越高并且越来越严格的要求。以往传统的工业控制软件已经不能满足用户的所有需求，因为在工业领域运用了种类繁多的过程监控设施和控制设施[10]。而且，如果在工业的严格环境中，一旦某一个开发的环节出现了某种问题，或者发生了某一个小变化，所有的程序都将功亏一篑，人们就得花费大量的时间去修改整个系统的源程序，那将变得异常的困难。

5.2 仿真结果显示

用仿真软件建立仿真模拟图，左半部分表示洗车车间的设备分布，右半部分则是人工操作面板，洗车过程都会在控制面板一一亮起指示灯。洗车的时候工作人员可以实时观察车子清洗进程中的每一步，并且能够在必要的时候进行复位等应急操作。

本文使用了PLC 编程技术、配置软件仿真知识、传感器的选择等，设计了一个较为普通的自动洗车控制系统，希望能够通过研究PLC 编程技术背景及其原理、介绍自动洗车控制系统的现状，然后给研究自动洗车控制系统系统拟定了初步的思路。