基于PLC的自动洗车装置设计

摘 要汽车产业的快速发展，将使汽车服务业出现爆炸式的增长。对汽车有一定的保值增值作用的日常护理行业汽车美容业迎来了专业化、规模化、产业化发展的时机。洗车行业也成为一种新兴行业，发展势头日渐迅猛，可谓商机无限。但是，洗车行业准入门槛低，科技含量极低，大部分洗车行采用人工洗车，洗车设备较为简陋，基本上以高压冲洗为主，极其浪费水资源，污染环境。而少数电脑洗车房，资金投入多，占地面积大，洗车效率低，都相继关门。而自动洗车机则可以有效解决上述问题。它内置三菱FX2N系列PLC控制器，采用先进的传感器技术，自动对需要服务的汽车进行清洗，清洗完毕自动停止刷洗，实现了洗车的自动化控制。在建设、美化城市、创建现代化大都市的城市发展主题中，追求时尚、效率和环保已成为汽车美容服务行业的重要内容和发展方向。目前，城市落后的人工洗车方式已不能适应现代化城市的市容卫生和行业发展的需求，也不符合企业的规模经营、专业化、规范化的要求，更谈不上行业的可持续发展。要想中国的洗车行业健康有序地发展，要用新的理念、新的思路和新的方法来管理洗车行业，提升行业的形象和竞争力。全自动（PLC)洗车机，顺应时代的需要应运而生。它的出现是向传统洗车方式的挑战，中国的洗车行业要发展，必须与国际洗车业接轨，缩小与国际先进洗车行业的差距，因此，推广和应用全自动洗车机势在必行。关键字:PLC 、控制器、汽车目录摘要1第一章PLC的介绍21.1 PLC的起源21.2 PLC的发展历程21.3 PLC控制系统的设计基本原则21.4 PLC的功能31.5 PLC的特点31.6 PLC的应用领域4第二章自动洗车介绍52.1 自动洗车的系统介绍52.2 传感器6第三章课题的程序设计83.1 系统程序控制要求83.2 程序的I/O分配表83.3 PLC端子接线图93.4 状态流程图103.5 程序梯形图11第四章调试运行154.1 调试方法154.2 调试154.3 运行过程154.4 调试运行中的问题16结束语17致谢18参考文献19第1章 PLC的介绍 PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。11 PLC的起源 PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务 。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。12 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。13 PLC控制系统的设计基本原则1.最大限度的满足被控对象的控制要求。2.在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。3.保证控制系统安全可靠。4.考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。 14 PLC的功能 1.数据采集与输出。 2.控制功能：包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。3.数据处理功能：包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。 4.输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。 5.通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成集中管理、分散控制的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机. 6.支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。7.编程、调试等，并且大部分支持在线编程。15 PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪2.配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易.3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。16 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1.开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3.运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5.数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 第2章 自动洗车的介绍第一代是人工操控洗车机：在80年代初期自动洗车机还刚起步，各项技术都还不成熟，洗车机的运行完全依靠人的操控来完成。因此对操控人员有着相对较高的技术要求，且因为操控人员本身的技术和素质不同，造成了许多人为的不可预知的不安全因素；同时因为技术方面的种种限制，对可洗车型也有所限制，很快第一代洗车机被市场淘汰了。第二代是仿形洗车机：在90年代中期各种工业控制技术被大量应用在洗车机产品上，第2代产品较之第1代产品已大有进步，不再完全依靠人工来操控，而是由“电流传感器”来控制洗车刷的运行轨迹。第2代洗车机已经使用了数量不多的传感器，但是这些传感器只能判断车辆停放的位置，车辆的总长度等。现在在国内市场上看到的洗车机产品大多属于第二代洗车机，虽然不再需要完全人工操作，但是工作人员还是要在一旁进行监控，避免发生意外。随着科技技术的发展，各种新型传感器的发明和PLC系统的完善，具有投资少、占地小、用水省、效率高并且安全保护齐备等诸多特点的新型的自动洗车机相继出现随着科技技术的发展，各种新型传感器的发明和PLC系统的完善，具有投资少、占地小、用水省、效率高并且安全保护齐备等诸多特点的新型的自动洗车机相继出现。在控制核心方面，采用了两台ES系列PLC进行位置采样和驱动动作控制，其中一台DVP24ES安装在移动机架上，通过RS485通讯把各传感器信号送到主控柜PLC（DVP14ES），同时，主PLC把各驱动部的运行指令通过通信送达从PLC，这样既减少了配线数量，又节约了成本；同时，由于上下通讯的导线减少，来回移动所造成的断线情况也大大减少，在很大程度上提高了产品的可靠性。驱动部分则采用台达VFD-M系列的迷你型变频器，小巧的体积、丰富的功能和稳定的性能，在该设备上得到完美体现。在洗车程序上，独到的误信号过滤功能、独特的来回摆尾冲洗动作设置、车缝的规避检测、专用遥控器和台达PLC的无缝连接、以及完善的连锁保护，能满足任何车型的洗车需求；加上台达机电产品使用方便和稳定可靠的性能，造就了“水斧”GT系列环绕型无接触免擦拭全自动电脑洗车机成功面世。新一代“水斧”GT系列环绕型无接触免擦拭全自动电脑洗车机同传统的洗车设备相比，具有无可比拟的优势，主要体现在以下几个方面：(1)洗车效率高，洗一台车只需100秒 (2)用水省，洗一台车只需55升水（蒸汽洗车耗水少，但是时间长，2台/小时）；(3)洗车成本低，操作方便，具有遥控和HMI操作；(4)适用车型广，可以洗任何车型（某些洗车机无法清洗皮卡和货车在车头和车箱之间的缝隙）；(5)免接触，沙粒不会擦伤车体油漆21 自动洗车的系统介绍洗车系统由以下几部分组成1.一个支撑水平滚筒和垂直滚筒的门架，由一个双向操作（向前和向后）的电动机驱动。2.一个用于旋转水平滚筒和垂直滚筒的电动机。3.一个用于升降水平滚筒的电动机。图21自动洗车示意图(1)自动循环冲洗初始条件门架在“后部”位置(后限位开关闭合)，水平滚筒在升起的位置(上限位开关闭合)，一辆车在冲洗区(车辆出现接近传感器闭合)。当初始条件满足时，按下起动按钮，开始进行如下的循环过程：1)循环指示灯亮，等待10s。2)水平滚筒向下移动(KM1闭合)5s。3)水平滚筒开始旋转(KM3闭合)并且门架向前运动(KM4闭合)。设置喷水泵和旋转滚筒的电动机同时被激活。4)门架向前运动，碰到门架前限位开关时停止，这时门架自动后退(KM5闭合)。5)门架后退，碰到后限位开关时停止，同时滚动停止旋转，并发出升起水平滚筒的指令(KM2闭合)，直到到达上限位开关，结束循环。(2) 手动立即停止 一个锁存按钮可以在任何时候停止循环(立即停止所有电动机)。要开始一个新的循环，必须执行以下操作：1)按下手动升起滚筒按钮，将水平滚筒升至上限位置(至上限位开关)。2)按下门架后退按钮，将门架退至后部位置(至后限位开关)。22 传感器1.传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。2.传感器的组成：通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中 , 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分 ；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱 , 因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用 , 传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。 此外 , 信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源 , 因此 , 信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。3.传感器的分类：根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：(1)物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。(2)化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。4.压力传感器工作原理 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用(1)应变片压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。(2) 金属电阻应变片的内部结构它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。(3)电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。第3章 课题的程序设计31 系统程序控制要求PLC自动洗车系统的基本要求是1.汽车进入洗车机能够自动开始工作。2.能够对汽车自动进行清洗工作。3.在汽车清洗完毕能够自动对其吹干。4.在汽车离开洗车机后能自动停止工作。 32 程序的I/O分配表输入输出名称地址功能名称地址功能XX0压力传感器XM1Y1刷子到位电机AX1压力传感器AM2Y2刷子返回电机BX2压力传感器BM3Y3正转电机M4Y4反转电机M5Y5电热机Y6电风扇Y7清水泵M6Y10洗涤液水泵M7Y11电磁阀YV2Y12电磁阀图32 I/O分配表33 PLC端子接线图 图33接线图 34 状态流程图S20S0S21S22S25S24S23X0Y7Y11T0 K200Y10Y12T1 K100S26Y1 112111 T0T1X1T2T3C0X2/C0M8002S28S27S30S29S31Y7Y11T0 K150Y3T2 K50Y4T3 K50C0 K6Y2Y10Y12T1 K80T1X1T2Y1Y3T2 K50Y4T3 K50T3/C1S32S33S34S35S31C1X2T0T4C1 K6Y2Y7Y11T0 K300Y5Y6T4 K1000/X0RST C0RST C1RETT035 程序梯形图35第4章 调试、运行41 调试方法1.要查接线、核对地址。要逐点进行，要确保正确无误。2.检查模拟量输入输出。看输入输出模块是否正确，工作是否正常。3.检查与测试指示灯。控制面板上如有指示灯，应先对应指示灯的显示进行检查。一方面，查看灯坏了没有，另一方面检查逻辑关系是否正确。指示灯是反映系统工作的一面镜子，先调好它，将对进一步调试提供方便。4.检查手动动作及手动控制逻辑关系。完成了以上调试，继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。要查看各个手动控制的输出点，是否有相应的输出以及与输出对应的动作，然后再看，各个手动控制是否能够实现。如有问题，立即解决。5.把程序输入进行调试，在调试过程中仔细观察每一步的运行情况，最好记录，而后进行修改，查漏补缺，完善程序。42 调试根据调试方法，把正式运行调试前的调试工作做完，在确保接线、地址、器件等部件都以达到调试标准后，把程序输入PLC进行每一步的运行调试，检查每一步是否能够运行，运行中是否出现错误，或是与设计要求不符，把每一个过程详细记录下来，以便于进行修改完善。不符合要求的，则对其部分程序段进行修改即可。43 运行过程1.进行第一次清水清洗接通X000即接通X压力传感器，表示有汽车进入洗车机，洗车机开始工作，Y007与Y011灯亮，表示有清水对汽车进行冲洗，20秒后停止，进入第二阶段。2.进行第一次的洗车液冲洗Y010与Y012灯亮，表示有洗车液对汽车进行冲洗，10秒后停止，进入第三阶段。3.进行毛刷正转清洗Y001与Y003灯亮，表示刷子到位开始对汽车进行正转刷洗，5秒后停止，进入第四阶段。4.进行毛刷反转清洗Y004灯亮，表示刷子开始对汽车进行反转刷洗，5秒后停止。3、4步骤如上反复6次工作，后刷子返回原为，而后进入下一阶段。5.再一次的清水清洗如上第一阶段，再一次工作。6.再一次洗车液冲洗如上第二阶段工作。7.按照第三步与第四步工作。8.最后对汽车清水冲洗Y007与Y011灯亮，表示对汽车进行清水冲洗，3秒过后进入洗车的最后阶段。9.进行擦干Y005与Y006灯亮，表示电热管与风扇开始工作，对汽车进行擦干处理。 44 调试、运行中的问题在调试运行中出现了许多问题，经过调试运行修正都得以解决，在当中出现的错误如：第一是程序的步数太多，程序过于繁琐，后来进过多次的修改，最终把程序简化；第二是编程过程中没有注意，地址重复。结束语经过这次的课程设计，使得我对PLC的掌握进一步的增强，加深了对PLC它们的理解，并对PLC产生了浓厚的兴趣，但是我也深深的知道自己的不足之处，比如说对应用指令的不熟悉，大大地加深了我的程序复杂程度。多在学习过程中不能想通的问题，在PLC调试过程中，终于得以解决。可以看出它对理论教学起到了必要的补充和额拓宽作用，对培养既具有扎实理论功底又具有相当实践能力的人才必不可少。在这次的课程中，我发现PLC在工业控制中的作用很大，它能使人的控制转变成电脑的控制，大大地降低了产品的成本，很大地提高生产效率。在此过程中我还发现到修改完善程序的重要性。当时编完一个程后感觉是正确的。就是这样还要仔细检查自己的程序。考虑到各种可能发生的情况。经过这次课程设计培养了我们的设计能力以及全面的考虑问题能力。学习的过程是痛苦的但是收获成功的喜悦更是让人激动的。相信通过这次课程设计它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。致 谢本课题在选题及完成过程中得到老师的悉心指导。从课题的选择到项目的最终完成，杨老师都始终给予我细心的指导，帮助我开拓思路。在论文完成过程中，老师多次询问完成进程，帮助我解决设计过程中的难题。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!参考文献1 廖常初三菱FX2n系列微型可编程控制器使用手册机械工业出版社 20042 尹宏业主编PLC可编程控制器教程北京：航空工业出版社 19973 廖常初主编PLC编程及应用 北京：机械工业出版社 20024 张万忠主编可编程控制器应用技术北京：化学工业出版社 20025 张凤珊主编 电器控制及可编程控制器北京：中国轻工业出版社 20016 廖常初 PLC梯形图的顺序控制设计法.电工技术杂志20017 邓则名、邝穗芳等 电器与可编程序控制器应用技术北京：机械工业出版社 19978 曹辉可编程序控制器系统原理及应用电子工业出版社 20039 余雷声主编电气原理与PLC应用北京：机械工业出版社 1996第 17 页 共 22 页