基于S7-1200 的PLC智能自动洗车控制系统的研究

张珅源

（江苏师范大学，江苏徐州，221116）

1 研究背景

随着经济的发展，汽车销售量的快速增加，特别是新能源汽车持续热销，人们对汽车的清洗需求也越来越大，快捷方便、智能自动以及标准高效洗车也成为了研究的热点。

在本项研究前，笔者对区域市场进行了调研，目前区域内95%洗车点的洗车依然采用传统的人工方式，整车清洗流程为“工作人员手持高压水枪先对车进行全方位的冲洗→冲掉明显的泥渍后使用泡沫枪打沫→工作人员手持抹布对整车全方位擦拭→擦拭后使用高压水枪进行冲洗→拧干的抹布擦去水渍→车体自然风干”六个环节，从调研流程可以看出，此种方式不仅耗时久、人工成本高，还造成了水资源浪费，洗车效率较低等痛点。

基于智能自动洗车控制系统在研制时将秉持“节能、环保”的可持续发展理念，遵循简单、便捷、实用、高效的原则，通过全面分析市场需求进行规划、设计、优化、调整等，最终设计出一款合理、规范、节水、省时、安全、高效的智能自动洗车系统，最终实现节省成本、优化管理、提高效率以及优质服务等。

2 基于PLC的智能自动洗车控制系统分析

■2.1 基于PLC的智能自动洗车控制系统设计分析

基于PLC的智能自动洗车控制系统如图1 所示，它是利用计算机网络和PLC为控制核心，通过传感识别系统获得汽车长宽、位置等详细信息，并将获取的详细信息发送给计算机，经数据处理后，将信号发送到PLC，通过PLC的各个执行元件智能自动控制机械手位置、水枪及油泵等“自动洗车”动作，智能控制系统集洗车机的自动控制、系统保护等多个高级功能为一体，其智能自动操作的流程为：洗车用户将车辆开到指定位置→扫码付款→关闭车窗车门→泡沫喷洗（可选）→智能自动洗车系统自动运行清洗车身、车尾及车顶等车辆的全方位→风干系统 启动对车辆进行风干。

图1 基于PLC的智能自动洗车控制系统示意图

■2.2 智能自动洗车控制系统的安装执行标准

智能自动洗车控制系统的安装执行遵循以下7 个标准：①GB/T3805-2008 特低电压 (ELV) 限值；②GB50016-2014 《建筑设计防火规范》；③GB50015-2009 建筑给水排水设计规范；④GB50303-2002 建筑电气工程施工质量验收规范；⑤GB/T 9969-2008 工业产品使用说明书 总则；⑥GB3836.1-2000 防爆电器通用标准要求；⑦GB/T18757-2008 工业自动化系统企业参考体系结构与方法论的需求。

■2.3 智能自动洗车控制系统的设备参数及工艺设计

基于PLC的智能自动洗车系统的设计无需人工，可以对长为10000mm、宽为3800mm、高为3100mm 的汽车进行清洗，用户可根据不同车型的需求，在3~5 分钟内自动、一键完成快速清洗、泡沫清洗以及打蜡清洗三个洗车模式，每车次耗水量约120L/车次。其设备选型与参数如表1 所示，此处重点介绍电源/功率、龙门架、供液设备、风干系统设计以及滚刷设计等。

表1 智能自动洗车设备选型与参数

(1)整机工作电压380V、使用功率30kW。

(2)龙门架的结构采用3~6mm 钢板，所有的金属结构要经过防腐、淋化镀锌、喷塑处理，确保有长久的防腐能力。

(3)智能自动洗车控制系统的供液设备主要由柱塞泵、泡沫泵及喷蜡泵三个泵构成：主泵使用柱塞泵，功率15kW，用于高压水枪对顽固污渍的清洗喷射，水流压力达8~9MPa；泡沫泵与喷蜡泵的功率为0.75kW，可根据用户需求的洗车模式而选用。

(4)风干系统设计。风干系统采用大功率离心风机，风机系统结构与设备结构框架采用主动连接方式，有效保证智能自动洗车系统的稳定性并节约空间，并能在自动洗车的最后一个流程最大程度利用风力使用户汽车快速风干。

(5)滚刷设计。滚刷5 支，材料选用超软耐磨泡棉，整体设计为“7 字”形态，错位分布，设置原点及限位传感器，并配有机械限位，确保既可以全方位的清洗，又可以对车身安全进行保护。

(6)导向行驶轨道。导向行驶轨道采用国标重载工字钢材，驱动轴、动力轮采用高碳钢加工，以确保轨道使用寿命。行驶导轨两端设有机械限位并安装原点传感器，动力轮两端面设有挡边，防止偏离或脱轨。

3 基于PLC的智能自动洗车控制系统设计

■3.1 基于PLC的智能自动洗车控制系统整体架构

基于S7-1200PLC的智能自动洗车系统控制方案的设计遵循工业自动化系统相关标准以及工艺设计要求，系统架构采用西门子S7-1200 可编程控制器PLC作为控制核心，承担逻辑、运动控制功能，系统控制方案整体架构如图2 所示。

图2 系统控制方案整体架构

智能自动洗车系统装有红外感应器，并配有语音提示、LED 屏幕显示及报警装置。用户按照提示慢速行驶到指定区域后（设有减速带），由感应器反馈车辆驶入信息并输送给后台处理器。当车辆停在指定区域内，语音及LED 数显均会提示车辆已到达工作位置，并提醒扫码支付洗车费用。当扫码支付完成后，系统语音提示关闭车门及车窗，进入待洗车状态。传感识别系统采集汽车长宽、位置等数据参数，通过分析、计算进行数据处理，将处理结果发送给控制核心PLC，PLC接到收指令后，通过逻辑运算实现对电机、机械手、水泵、水枪、风机等输出设备的控制。限位开关等保护装置受到触发时也可以通过继电器装置产生开关信号输送至可编程控制器PLC。PLC采用RS485 方式通过网络和控制柜上的计算机使通讯线与伺服驱动器进行通讯，从而保证上位机的数据传送给伺服驱动器，通过伺服电机精准控制电机位置，从而实现自动洗车机的精确操作。

■3.2 可编程控制器PLC选型：S7-1200

智能自动洗车系统的运行过程非常复杂，为了安全、可靠、便捷及自动运行，选择核心器件PLC时，不仅要求能够满足自动洗车控制系统的功能要求，还要保证稳定、可靠、安全运行。因此，本系统选用德国西门子公司推出的S7-1200 型号PLC作为控制单元，基于S7 系列西门子PLC的各种功能模板、人机界面、工业网络、工业软件及控制方案功能强大，系统设计和操作便捷，且应用广泛、运行过程稳定，不需要投入大量时间用于维护，性价比高。

S7-1200 设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它能够为智能自动洗车控制提供完美的解决方案。其CPU 将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路组合到一个设计紧凑的外壳中以形成功能强大的PLC。具体实物如图3 所示：①电源接口；②可拆卸用户接线连接器（保护盖下面）； ③存储卡插槽（上部保护盖下面）；④板载I/O 的状态LED；⑤PROFINET（以太网）连接器（CPU的底部）。S7-1200 提供了各种信号模块和信号板用于扩展CPU 的能力，还安装了附加的通信模块以支持其它通信协议，如本系统采用了RS485 方式。

图3 德国西门子可编程控制器S7-1200

■3.3 基于S7-1200 的智能自动洗车机的硬件系统设计

基于S7-1200 的智能自动洗车机的硬件系统主要包括位置检测、运动及清选三大模块。

3.3.1 位置检测模块

位置检测模块主要由位置传感器构成，用其进行环境信息的获取和处理，主要包括超声波测距传感器（7 个）、限位开关（4 个）以及光电开关（2 个）。超声波测距传感器、限位开关以及光电开关三者配合使用，既可检测距离，又可以防止距离超过限定值，起到多重安全保护作用。其硬件选型与参数如表2 所示。

表2 位置模块硬件选型与参数表

超声波测距传感器主要用于检测障碍物距离，以免碰撞与刮蹭，本系统选用了LGUB4000，该传感器感应范围为100~2000mm，盲区0~100mm，响应时间小于162ms，防护等级为IP67，能适应水雾、油以及轻微震动的环境下均可以正常工作，而腐蚀性较强；光电开关选用德力西激光漫反射远距离传感器，产品型号为E3K100，该传感器光点可见，检测距离在7m 内可调，工作电压为直流24V 到240V。该传感器防护等级为IP66，抗干扰性能强，密封严实、防水防尘，适用于各种水环境；限位开关选用施耐德ZCKJ404H29，该产品金属转轴， 360°可调节，具有IP66 防护等级，能适应洗车机的各种水环境。

3.3.2 运动模块

运动模块是智能自动洗车系统的核心部件，包括轮毂电机、行星齿轮减速机及转向电机等，其功能主要是检测轮毂电机的初始角度，电机品牌选用意大利TRANSTECNO 品牌，其运动模块PLC接线如图4 所示。

图4 运动模块PLC接线图

3.3.3 清洗控制模块

清洗模块选型及主要参数如表3 所示， HCA726S 的主要作用能实时检测倾角，计算毛刷相对位置；MIK-DZI 主要作用实时测量毛刷电机电流计算毛刷转矩、功率及洗刷压力；4V230 的造型要能够满足气缸缸径、最大运动速度等控制要求。

表3 清洗模块硬件选型与参数表

■3.4 基于S7-1200 智能自动洗车控制系统的软件设计及流程分析

3.4.1 软件设计

在完成了S7-1200智能自动洗车控制系统硬件系统设计后，需进行软件系统的设计。按照系统功能软件设计分为位置检测、运动模块及清洗模块，并对每个模块进行流程图设计，其中核心部分位置检测、运动模块的控制流程如图5 所示。

图5 位置检测、运动模块的控制流程图

3.4.2 控制流程分析

根据上述智能自动洗车系统的设备选型、工艺设置、参数指标以及软硬件设计，确定自动洗车流程，如为快速冲洗模式：用户进入等待区→选择洗车模式→扫码支持→系统判断支付是否成功→完成支付→用户将车驶入洗车区→系统上电检测→洗车系统定位完成→高压水枪电刷启动、清水冲洗→风干系统风干→风机关闭→机械手复位→系统断电，等待下一次洗车任务。用户也可根据自己的需求选择泡沫冲洗或打蜡清洗模式，具体流程如图6 所示。

图6 基于S7-1200 的PLC的智能自动洗车控制流程图

4 结语

智能自动洗车控制从目前汽车产业对自动洗车机的需求以及痛点出发，提出了基于S7-1200 的PLC智能自动洗车控制系统设计方案，完成了整体架构、硬件设计以及控制流程设计。虽然目前已经取得了一些研究成果，但尚存在着许多待完善方面，下一步，我们将搭建实验平台，进行实验数据分析，完成该系统的性能评估实验，进一步验证基于S7-1200 的PLC智能自动洗车控制系统的安全、可靠性。