基于plc控制的家用汽车自动清洗装置控制系统设计

设计题目基于PLC控制的家用汽车自动清洗装置控制系统设计
目录
1. 前言 (3)
1.1 国内汽车自动清洗机的主要几种形式 (3)
1.1.1 人工洗车： (3)
1.1.2 高压清洗机洗车： (4)
1.1.3 泡沫清洗机洗车： (4)
1.1.4 全自动计算机洗车机： (4)
2. 汽车自动清洗机的总体方案设计 (5)
2.1 汽车自动清洗机总体方案论证 (5)
2.2 主要机构的运行过程分析以及设计特点 (6)
2.2.1 设计特点 (6)
2.2.2 主要机构的运行过程分析 (6)
2．3 汽车自动清洗机总体方案设计 (8)
2.3.1 汽车自动清洗机的组成及主要技术参数 (8)
2.3.2 汽车自动清洗机的清洗动作步骤： (9)
2.3.3 汽车自动清洗机的总体设计 (9)
2.3.4 汽车自动清洗机的控制方案的分析设计 (11)
3. 汽车自动清洗机的控制系统的分析与设计 (12)
3.1 汽车自动清洗机的控制系统电路的分析 (12)
3.2 可编程控制器（PLC）的组成 (12)
3.2 PLC控制系统设计的基本原则和一般步骤 (13)
3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则 (13)
3.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤 (13)
3.3 汽车自动清洗机PLC控制系统的硬件设计 (14)
3.3.1 汽车自动清洗机控制要求和控制分析 (14)
3.3.2 控制系统I/O点的确定和PLC的选型 (15)
3.3.3 PLC的I/O地址分配表及接线图 (16)
3.4 汽车自动清洗机PLC控制系统的软件设计 (18)
3.4.1 PLC控制系统软件设计方法 (18)
3.4.2 汽车自动清洗机的清洗流程分析 (18)
3.4.3 PLC程序的编制 (20)
4. 结论与展望 (22)
4．1结论 (22)
4.2不足之处及未来展望 (22)
5. 致谢 (2)
参考文献 (24)
前言
随着汽车数量的日益增长，老百姓对汽车的消费观念发生着巨大的改变，人们从过去单一化的消费观念转变为追求多元化的消费观念。

随之而来的便是带动了汽车清洗保养等行业的发展，其中汽车的清洗便是不可缺少的内容。

汽车清洗可作为汽车美容、保养的一个前期必须工序或者一个独立的汽车服务项目，有着广阔的市场前景和可观的发展空间。

目前，大多数国内的汽车清洗由传统的人工完成。

大多数汽车洗车点通常只是简单的由人工擦洗或采用高压水枪冲洗完成。

利用人力资源，对汽车进行涂抹泡沫，然后采用高压水泵，利用水泵对汽车进行冲洗；再在自然光及风等自然条件下，让清洗的汽车进行自动风干，虽然可以达到清洗汽车的目的，但过分依赖于劳动力，操作时间长，洗车过程慢，并且浪费了大量的水资源，经济性差，不适合和洗车业的发展需求。

如何实现高效、高质量的汽车自动清洗装置，就成了汽车清洗行业发展的必然要求。

所以，基于市场发展，节水和坏境保护以及洗车业投资和成本控制的角度出发，开发一种即满足汽车清洗速度快、效率高的要求又能满足节水环保且设备投资较低的洗车机。

因此，本次设计就是采用PLC控制，利用定时器，通过线路的通断来实现汽车自动清洗流程。

它可以大大的节省洗车的人力、物力资源，同时它可以高效、准确的完成洗车任务，为客户提供便利，而且极大限度的节约水资源，符合当代建设节约型社会的时代需要。

1.1 国内汽车自动清洗机的主要几种形式
汽车清洗的主要目的就是把汽车上的灰尘油污清洗干净，使汽车清洁亮丽。

目前常见的洗车方法主要有以下几种：
1.1.1 人工洗车：
先用抹布蘸水擦湿车身，再涂上洗车液用抹布擦洗一遍，然后用清水冲洗，最后用干抹布吸水、吸干。

这种洗车方法会对车身油漆有损伤，降低车身漆面光洁度。

1.1.2 高压清洗机洗车：
分为高压冷水清洗机和高压热水清洗机。

热水清洗机里加了一个加热装置，使用热水清洗能迅速冲洗净大量冷水不容易冲洗的污垢和油渍，令清洁效率得到大幅度提高。

但是往往因为热水清洗机价格偏高且运行成本高，大部分用户可能会选择普通的冷水高压清洗机；当然为了提高清洁效率和效果，还是有不少专业客户会选择热水清洗机的。

前者方便大多数用户使用，后者除了提供常温的高压水外，还增加了电加热装置，输出高压水的温度可调节，清洁效果更好。

但高压水枪压力大，易对车身油漆造成伤害，会使车身电路内部进水，锈蚀金属件，造成电线短路，产生危险。

1.1.3 泡沫清洗机洗车：
泡沫清洗机与高压清洗机不同之处在于它输出的水不但可以增压（输出压力约为0.1～0.5MPa），而且还能加入专用的清洗剂，再通过压缩空气（由空气压缩机提供），使清洗剂泡沫化，然后从泡沫喷枪喷出，能将泡沫状的清洗液均匀地涂敷于车身外表，通过化学反应，从而起到极佳的除尘和去油污作用。

1.1.4 全自动计算机洗车机：
计算机洗车机是利用计算机控制毛刷和高压水枪来清洗汽车的一种设备。

它可通过编制多种洗车程序来完成不同要求地洗车效果。

具有洗车效果好，效率高，节水等特点。

全自动洗车机与现在广为采用的、落后的人工洗车方式相比，有着无可比拟的优点-：
（1）洗车洁净：全自动洗车机由程控，采用仿形超软洗涤工具，能排除人为因素，保证洗车质量。

（2）安全可靠：全自动洗车机由计算机按设计程控全过程的操作，完全避免人工操作引起的人身、设备事故。

（3）快捷高效：它极大的提高了洗车的工作效率。

（4）不伤漆面：全自动清洗机采用科学合理的棉刷，洗涤过程中不会损伤车身漆面。

计算机洗车刷压力均匀、洗车速度及方向稳定，对汽车车身表面漆面造成的损伤很小，远小于人工洗车造成的损伤。

（5）环保节水：全自动洗车机可配套使用循环废水处理技术，不仅使大部分水循环使用，减少污水排放量，满足了环保要求，而且可以大量节约水资源。

（6）节省人工：全自动洗车机只需要一个人操作，比人工洗车节省用工量。

全自动计算机洗车机根据功能类别主要分为汽车移动式全自动计算机洗车机和汽车固定式全自动计算机洗车机两类。

汽车自动清洗机的总体方案设计
2.1 汽车自动清洗机总体方案论证
目前，汽车清洗主要集中在轿车、小型面包车等各种小型客车的外表清洗上，所以本课题设计的自动清洗机主要功能应集中在安全、有效的清洗各种小型客车的外表上。

从大体方面入手，汽车的清洗是由车辆和机架（毛刷）的相对运动来完成的，所以我们有两种设计方案：
1.机架不动，汽车沿轨道前进完成清洗；
2.车不动，机架运动完成清洗；
第一种方案在机架下方安装一导轨（或传送带），由链条或者其它工具带动汽车前进。

其特点是各机构按洗车工艺顺序分立布置，汽车按照轨道前进依次进入高压喷淋、清洗液清洗、毛刷清洗和风干等工序，最终完成汽车清洗任务。

由于其各个工序分开布置，所以设备占地面积和所需作业场地很大。

其工艺流程如图2.1所示。

图2.1 汽车移动式洗车机工艺流程
第二种方案汽车不动，清洗机的机架运动，从而带动顶刷和侧刷有规律性的运动来完成清洗工作。

其特点是各工序机构集中于一个工位，同一个工位需要完成所有工序任务。

而且通过事先做好的几类不同的车型所制定好的方案可以很方便的进行清洗。

它的优点是清洗结构紧凑、简单、占地面积小，从而降低成本。

其工艺流程如图2.2所示。

图2.2 汽车固定式洗车机工艺流程
不仅如此，第一种方案的清洗机在清洗汽车时随着车辆的运动水和清洗机要不停的喷洒车辆，无形中就会浪费掉一些水资源以及清洗剂；而第二种方案就能很好的避免水和清洗剂的浪费，在这一运动过程中，汽车是不动的，动的只是清洗机的机架，这样水和清洗剂就可以很准确的喷向所需的地方。

很大程度上减少了水资源的浪费。

而且占地面积小，成本低、环保。

综上所说，本次设计决定按照第二种方案进行设计，在使用第二种方案进行设计时又加入了自己独有的一点不同之处，这个设备主要由龙门架、一支顶刷、一对侧刷（立刷）、以及负责小车行进的传送机构组成。

2.2 主要机构的运行过程分析以及设计特点
2.2.1 设计特点
由于市场上绝大多数自动洗车装置是需要人为的将小车停入清洗装置内，因此在本次设计中将单独的设计一套小车的传送装置来更好的完善自动清洗装置。

汽车在整个清洗过程中是固定不动的，为了完成汽车的清洗的任务，清洗机的各部分均需完成各自的相对独立的功能。

由于各部分相对于汽车的相对运动轨迹不同，必须对洗车机各机构进行运动过程分析，以使各机构在时间和空间上能够协调工作，保证清洗过程的顺利进行。

2.2.2 主要机构的运行过程分析
传送装置的作用是自动的将停放在指定地点的汽车运送到自动清洗装置内以及清洗完成后将汽车在送到原来的停放位置，改变了原来需要人为的将汽车开
入和送出清洗装置的这种现象。

它的运动主要是通过汽车自身的重量向底板施加压力当压力到达设定值时压力传感器动作，电机启动通过电机的正反转来控制传送带实现汽车的往返运动，利用时间继电器来控制汽车行进的距离。

如图（2.3）所示
图2.3 传送装置示意图
1、底板
2、压力表
3、压力传感器
4、电磁阀
5、油泵
6、油箱
7、传送带
8、电机
顶刷的作用是对汽车的上表面轮廓进行仿形刷洗，它的运动包括自身绕中心轴的旋转运动及与车身轮廓形状相近的运动(如图2.4）。

绕中心轴旋转运动通过电动机来实现。

而与车身轮廓相近的运动通过机架的行走及气缸来完成。

图2.4 顶刷行程轨迹示意图 1 顶刷
侧刷的作用是完成汽车侧面等部位的清洗工作。

它的运动主要包括自身绕中心轴转动和回转中沿车身的运动。

其回转中心运动轨迹与车身形状相似（如图
2.5）。

图2.5 侧刷运动轨迹示意图
1、2侧刷 3汽车
2．3 汽车自动清洗机总体方案设计
2.3.1 汽车自动清洗机的组成及主要技术参数
汽车自动清洗机的组成：主要由机械系统、驱动系统、控制系统以及水处理循环系统以及汽车传送装置组成。

在本次的设计中只着重与控制系统的设计及传送装置中控制系统的设计，对于涉及到的其他系统只做必要的简单描述不做深入的设计与研究。

本设计汽车自动清洗机的主要技术参数参见表2-1。

表2-1 汽车自动清洗机的技术参数
适用车型轿车、小型面包车等各种小型客车
设备尺寸2500mm(长)*2700mm(宽)*2900mm(高)
洗车尺寸5000mm(长)*2000mm(宽)*2000mm(高)
轨道长度8000mm
清洗方式水洗、风干
设备配置顶刷1支、侧刷2支、底盘清洗架1组、传送装置1组
2.3.2 汽车自动清洗机的清洗动作步骤：
（1）汽车停到指定地点通过传送装置将汽车停到清洗装置内；
（2）清洗装置开始启动，洗车机架开始移动；
（3）高压喷头喷水（水刀）冲掉车体上（包括地盘）的泥土等附着物；
（4）毛刷清洗车辆表面及轮廓；
此步骤中，顶刷向下运动到达汽车的前端表面，同时侧刷到位，开始清洗，此过程为清洗车前端。

然后侧刷与顶刷随整机一起沿轨道运动，清洗汽车车身及两侧。

(5) 停止洗刷，开启风干装置，洗车机沿轨道返回；
（6）传送装置再次启动将汽车送出到起始地点。

2.3.3 汽车自动清洗机的总体设计
（1）汽车自动清洗机的总体设计方案
汽车自动清洗机的总体方案如图2.6所示。

图2.6 汽车自动清洗机总体设计方案
在本设计方案中，主要PLC来控制汽车自动清洗机的工作，通过控制使其完成喷水、刷洗、清洗液清洗以及风干等一系列动作。

（2）机械部分设计
机械系统主要由龙门架（机架）、导轨、顶刷机构、侧刷机构和风干系统等构成。

其总体布局如下图2.7所示。

图2.7 汽车自动清洗机总体布局
1轨道 2机架 3顶刷 4侧刷 5风干系统 6底板 7传送带
（3）驱动系统设计
驱动系统的作用是根据控制系统发出的指令，将来自液压和气压的各种能转化为毛刷运动的机械能的系统。

本设计中，机架的行走，顶刷、侧刷的旋转和风干系统的运行采用了电气驱动的驱动方式。

顶刷的上下运动和侧刷的左右运动通过气压驱动的驱动方式。

（4）控制系统设计
控制系统主要通过可编程控制器PLC来控制实现。

PLC是一种工业控制用的专
用计算机。

它可以按照逻辑条件和一定的时序、顺序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数以及模拟量的越限报警等数字信号进行监视和处理。

其具有如下几个特点：
（a）可靠性高，抗干扰能力强。

(b) 灵活性强，控制系统具有良好的柔性。

(c) 编程简单，使用方便。

(d) 控制系统易于实现，开发工作量少，周期短。

(e) 维修方便。

(f) 体积小，能耗低。

(g) 功能强，性价比高。

用户程序所需要实现的逻辑控制，需要的继电器、中间继电器、定时器、计数器等功能组件都由存储单元来替代，因而数量非常大。

一台小型的PLC所具备的组件（软组件）数量就可以达到成百上千个，相当于过去一个大规模甚至超过超大规模的继电-接触器控制系统。

另外，PLC所提供的软组件的触点（如软继电器）可以无限次使用，方便地实现复杂的控制功能。

同时，PLC的连网通信功能有利于实现分散控制、远程控制、集中管理等功能，与同等规模或成本的继电-接触器控制系统相比，无论其功能和性能，都具有无可比拟的优势。

综上所说，不难看出，PLC控制器有着诸多的优点；因此，PLC是一种较理想的控制工具。

2.3.4 汽车自动清洗机的控制方案的分析设计
汽车自动清洗机主要包括机架行走机构、侧刷刷洗机构、顶刷刷洗机构、风干系统、清水管路系统和清洗剂管路系统。

传送装置通过一台交流异步电动机作为驱动源。

通过压力传感器的开关点来实现电机的正反转，从而使传送带前进或后退利用时间继电器来控制汽车行进的距离。

龙门架（机架）通过两台交流异步电动机作为驱动源。

通过控制行走电机的正转、反转。

使机架前进或后退。

同时，为保证汽车清洗机在轨道上运行的安全性、有效性，在轨道两端特设立两个行程开关，即一个汽车前端感测开关和汽车后端感测开关，以控制机架行走的范围。

洗车机前的自动传送装置，传送带是由一台交流异步电动机作为驱动电源，
通过前方的定时器来启动传送带。

侧刷刷洗机构，刷子转动由两台交流异步电动机作为驱动源，通过控制两台电机的启动与停止，来控制刷子的转动。

顶刷刷洗结构，刷子转动由一台交流异步电动机作为驱动源，不需要进行正反转控制。

它也是通过控制电机的起停来控制刷子的转动。

风干系统由一台风机和相应管路组成。

它的通断可通过控制电机的启动与停止来实现。

清水管路系统主要由一台水泵以及相应的管路组成，水泵的运转通过控制电机的起停来完成。

清洗剂管路系统与清水管路系统相似，也是由一台水泵和相应的清洗剂管路构成，清洗剂管路工作也是通过控制电机的启动与停止来实现。

总而言之，整个汽车自动清洗机运行需要各个机构相协调配合，只有这样，才能保证清洗机安全运行，从而达到安全、高效的清洗车辆的目的
汽车自动清洗机的控制系统的分析与设计
3.1 汽车自动清洗机的控制系统电路的分析
通过对汽车自动清洗机主要机构的运行过程分析可以确定一共需要9台异步交流电动机。

机架的行走两台、顶刷一台、侧刷的转动两台、汽车清洗机的供水（清洗剂）两台、风干系统的风机一台、传送装置一台。

在此只简单统计出需要多少台电机，以便于确定在后续的PLC控制系统中需要用到多少输出点。

本次设计中将不参与主电路的设计。

3.2 可编程控制器（PLC）的组成
PLC是一种工业控制用的专用计算机，在设计理念上，是计算机技术与继电-接触器控制电路相结合的产物，因而它与工业控制对象有非常强的接口能力[13]。

由于PLC本质上仍然是一台适合于工业控制的微型计算机，所以其基本结构和组成也具备一般微型计算机的特点：以中央处理单元（CPU）为核心，在系统程序（相当于操作系统）的管理下运行。

PLC与控制对象的接口由专门设计的I/O部件来完成，通常还需要配以专用的供电电源及其它专用功能模块。

PLC的基本组成
部件如下：
(1) 中央处理器（CPU）
(2) 内存单元
(3) 电源单元
(4) 输入/输出单元
(5) 接口单元
(6) 外接设备
3.2 PLC控制系统设计的基本原则和一般步骤
3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则
对于工业领域或其它领域的被控对象来说，电气控制的目的是在满足其生产工艺要求的情况下，最大限度的提高生产效率和产品质量。

为达到此目的，在可编程控制器系统设计时应遵循以下原则：
（1）最大限度地满足被控对象的要求；
（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、适用及维护方便；
（3）保证系统的安全可靠
（4）考虑生产发展和工艺改进的要求，在选型时应留有适当的余量。

3.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤
由于PLC的结构和工作方式与一般的微型计算机和继电器相比各有特点，所以其设计的步骤也不相同，具体设计步骤如下：
（1）详细了解被控对象的生产工艺过程，分析控制要求；
（2）根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备；
（3）选择PLC机型；
（4）分配PLC的I/O点，设计I/O连接图；
（5）PLC软件设计，同时可进行控制台的设计和现场施工；
（6）系统调试，固化程序，交付使用。

3.3 汽车自动清洗机PLC控制系统的硬件设计
3.3.1 汽车自动清洗机控制要求和控制分析
（1）汽车自动清洗机的控制要求
（a）完成汽车外观的清洗、风干的自动循环，并且根据需要同时进行清洗汽车底盘的工作；
（b）在侧刷和顶刷没有到位的情况下，洗车机不能继续进行；
（c）在洗车机运行费异常的情况下，可停止工作，刷子复位；
（d）清洗机行走时不能超越轨道，故应设置行程停止开关，以保证安全运行。

（e）在传送装置没有将汽车送到位时不能启动清洗装置，清洗机架复位完成后传送装置才能再次启动将汽车送出清洗装置。

（2）汽车自动清洗机的控制分析
汽车自动清洗机主要包括机架行走机构、侧刷刷洗机构、顶刷刷洗机构、风干系统、传送系统、清水管路系统和清洗剂管路系统。

传送系统通过压力传感器的来控制一台交流异步电动机，通过控制电机的正反转使传送带前进或者后退。

同时为了保证清洗机的安全性在传送带运行的同时不能启动清洗装置。

只有当机架通过汽车后端感测开关完全复位后传送带才能启动将汽车送出清洗装置。

龙门架（机架）通过两台交流异步电动机作为驱动源。

通过控制行走电机的正转、反转。

使机架前进或后退。

同时，为保证汽车清洗机在轨道上运行的安全性、有效性，在轨道两端特设立两个行程开关，即一个汽车前端感测开关和汽车后端感测开关，以控制机架行走的范围。

侧刷刷洗机构，刷子转动由两台交流异步电动机作为驱动源，通过控制两台电机的启动与停止，来控制刷子的转动。

顶刷刷洗结构，刷子转动由一台交流异步电动机作为驱动源，不需要进行正反转控制。

它也是通过控制电机的起停来控制刷子的转动。

洗车机前的自动传送装置，传送带是由一台交流异步电动机作为驱动电源，通过前方的定时器来启动传送带。

风干系统由一台风机和相应管路组成。

它的通断可通过控制电机的启动与停
止来实现。

清水管路系统主要由一台水泵以及相应的管路组成，水泵的运转通过控制电机的起停来完成。

清洗剂管路系统与清水管路系统相似，也是由一台水泵和相应的清洗剂管路构成，清洗剂管路工作也是通过控制电机的启动与停止来实现。

总而言之，整个汽车自动清洗机运行需要各个机构相协调配合，只有这样，才能保证清洗机安全运行，从而达到安全、高效的清洗车辆的目的。

3.3.2 控制系统I/O点的确定和PLC的选型
(1) 控制系统的输入组件和输出组件的数量
(a)输入组件的数量
整机的启动按钮和停止按钮各一个，共两个开关量。

同时为了防止汽车自动清洗机行走超出轨道，在轨道上安装一个汽车前端感测控制开关和一个汽车后端感测控制开关，两个开关量。

同时若清洗机在洗刷过程中发生故障，需安装一个复位开关，使清洗机复位到原点，从而进行排除故障，机架导轨两端限位开关两个，以及传送装置中的压力传感器一个。

因此整个系统共有输入开关量8点。

（b）输出组件的数量
整个行走机架的前进、后退需要通过电动机的正反转来控制，因此控制电路中需要控制接触器2个，即需要输出开关量2点。

水泵喷水、喷洒清洗剂的控制需要2个控制阀，共需要开关量输出2点。

两侧刷电动机需要控制接触器2个，即需要输出开关量2点。

顶刷电机需要控制接触器1个，即需要输出开关量1点。

风干系统的控制，需要1个控制接触器，开关量输出1点。

以及传送带的驱动电机正反转控制需要两个控制接触器，开关输出2点。

因此整个系统共需开关量输出10点。

(2) PLC的选型
PLC的选型主要有以下两点：
（a）PLC容量的选择，
（b）PLC机型的选择。

由于生产PLC的厂家众多，实现的功能虽基本相同，但性能、价格和编程语言却有较大差别，一般从以下几个方面考虑：
（a）功能方面
（b）价格方面
（c）售后服务
综上所述，本系统设计开关量输入8点，开关量输出9点。

考虑汽车清洗机的功能和扩展性等综合因素，故本系统设计选择西门子S7-200 CPU22X系列的产品。

西门子S7-200 CPU22X系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。

根据经验公式，并综合考虑PLC的选型定为S7-200 CPU226，其I/O总数为40点，输入24点，输去16点；可带7个扩展模块；用户程序内存容量为8KB；内置高速计数器，具有PID控制器的功能；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型的控制系统。

所以，本系统PLC为S7-200 CPU226是非常合适的。

PLC外形图如下图3.1
图3.1 PLC外形图
3.3.3 PLC的I/O地址分配表及接线图
(1) I/ O地址分配表
根据上文中输出/输入量的分析，其I/O地址分配表如下表4-1和表4-2。

表4-1 输入地址分配表
输入
启动按钮SB1 I0.0
压力传感器I0.1
机架导轨前段限位开关I0.2
机架导轨后端限位开关I0.3
清洗机汽车前端感测开关I0.4
清洗机汽车后端感测开关I0.5
复位开关SB3 I0.6
停止开关SB2 I1.0。