基于PLC的自动洗车机课程设计

题目：自动洗车机

院    系：工学院电气与电子工程系

专    业：电气工程及其自动化    

班    级：电气工程XXXX班   　  

姓    名：XXXXXX  　　　　　　  

学    号：XXXXXXXXXXXX      　　

指导教师：XXXXXX  　　　　　　  

二〇一五年六月

PLC课程设计任务书

一、基本情况

 学时：1周    学分：1学分   适应班级：

二、进度安排

本设计共安排1周，合计30学时，具体分配如下：

实习动员及准备工作： 学时

总体方案设计：4学时

硬件设计：10学时

软件设计：10学时

撰写设计报告：4 学时

总结： 学时

教师辅导： 随时

三、基本要求

1、课程设计的基本要求

电气控制与PLC课程设计的主要内容包括：理论设计与撰写设计报告等。其中理论设计又包括总体方案选择，硬件系统设计、软件系统设计；硬件设计包括单元电路，选择元器件及计算参数等；软件设计包括模块化层次结构图，程序流程图，应用程序。程序设计是课程设计的关键环节，通过进一步完善程序设计，使之达到课题所要求的指标。课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。

2、课程设计的教学要求

电气控制与PLC课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到6次以上的学生，该课程考核按不及格处理。在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。

课程设计的任务相对分散，每3-4名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。

四、设计题目及控制要求

题目：自动洗车机

要求：

1.按下启动按钮，洗车机开始往右移，喷水设备开始喷水，刷子开始洗刷。

2.洗车机右移到达右极限开关后，开始左移，喷水及刷子继续工作。

3.洗车机左移到达极限位置后，开始右移，喷水机及刷子停止工作，清洗机设备开始动作喷洒清洗剂。

4.洗车机右移到达极限位置，开始左移，继续喷洒清洁剂。

5.洗车机左移到达极限位置，开始右移，清洁剂停止喷洒，当洗车机往右移3s后停止，刷子开始洗刷。

6.刷子洗刷5s停止，洗车机继续右移3s，刷子又开始洗刷5s停止，洗车机继续右移，到达右极限开关后停止，然后往左移。

7.重复上面第6步，左移碰左极限开关停止。

8.洗车机往右移，风机设备动作将车吹干，碰到右极限开关时，洗车机往左移，直到碰到左极限开关，重复2次动作。洗车整个过程完成。启动灯熄灭。

9.原点复位设计

若洗车机正在动作时发生停电或故障，则故障排除后必须使用原点复位，将洗车机复位到原点，才能做洗车全流程的动作，其动作就是按下[复位按钮]，则洗车机的右移、喷水、洗刷、风扇及清洁剂喷洒均需停止，洗车机往左移，当洗车机到达左极限开关时，原点复位灯亮起，表示洗车机完成复位动作。

五、设计报告

设计完成后，必须撰写课程设计报告。设计报告必须完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于2000字，图形绘制规范。设计报告的格式如下：    

1、封面    

2、摘要   

3、目录

4、正文

(1) 所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；

(2) 方案选择及论证；

(3) 硬件电路设计及描述（包括硬件的选型及电路图、输入输出接线图等的设计）；

(4) 软件设计流程及描述（流程图及文字说明；

(5) 源程序代码及调试；

5、心得体会   

6、参考文献 

六、考核方法

电气控制与PLC技术课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。 

考核分三个方面进行：平时表现20%；设计过程25%；设计报告 40%；设计答辩15%。

有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理：

1、设计期间累计迟到、早退达8次；

2、设计期间累计旷课达6节；

3、设计报告雷同率超过50%或无设计报告；

4、不能完成设计任务，达不到设计要求。

摘  要

本文PLC的课程设计采用西门子S7-300PLC来实现自动洗车机的自动清洗任务。并利用Microsoft Visio 绘图工具，进行主电路图、I/O接线图和流程图的绘制，最后利用SIMATIC Manager编程软件完成梯形图的程序设计。在老师的指导下，对PLC的编程程序进行仿真和调试。

本次设计中，自动洗车控制系统采用了四个输入信号（I0.0-I0.3），八个输出信号（Q0.0-Q0.7）。其中喷水、刷子动作和喷洒洗洁剂等电动机的运行由PLC的程序控制执行。自动洗车机启动后能按顺序完成要求动作，结束后自行停止，若断电停止在得电后不会自行启动，用PLC实现了洗车的自动化。PLC的程序设计和编程文中选择西门子S7-300型PLC进行操作，该型号西门子为中小型，有着模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高等优点，有助于本文设计实现。

关键词：自动洗车机  西门子S7—300  PLC设计  

2.4  PLC的选择    4

2.6  PLC I/O接线图    6

3.1  流程图    8

3.2  PLC梯形图    11

3.3  仿真调试    15

心得体会    19

参考文献    20

第1章  绪论

1.1  课题简述

如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱[2]。

而我们本次设计的自动洗车机，也是应运而生，随着汽车种类的增多和汽车均价的下降，有车族人数不断攀升，而随之兴起的汽车周边产业中，洗车行业则算是龙头。我们的生活中见到的大都是人力洗车，所以我们需要研究和设计自动洗车系统，来优化洗车行业、提升洗车效率。

1.2  课题背景和意义

1.2.1  背景

经过多年的发展，为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。

SIMATIC S7-300 PLC是中小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-300 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。本次设计是将PLC用于自动洗车机的运行和实现，对学习和实用是很好的结合[3]。

1.2.2  课题研究的必要性

（1）可以促进我国PLC产业与当下热门行业的结合

（2）研究自动洗车机可以推动洗车行业的发展和自动化；

（3）使有车族对汽车的使用和保养更加方便快捷

（4）劳动力，让洗车行业更加高效

1.3  课题要求

（一）本次课题的设计要求为：

1.进行总体设计规划，合理分配I/O点，并绘出电气控制线路的原理草图；

2.绘制电气原理图，计算并选择电器元件；

3.编写PLC软件清单并进行模拟调试；

4.编写课程设计说明书。

（二）本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有：

1.是自动洗车机可以按照规定的程序运行；

2.满足PLC对所有装置的控制；

3.对自动洗车机实现的设计和个人程序调试。

本课题应解决的主要问题是如何使PLC实现自动洗车机洗车的功能和多种要求，在实际当中对PLC运用于洗车技术并不多见，以致人们难以根据它的具体情况正确选用参数进行系统控制，也就难以满足如何实现并且达到高效可靠的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探讨。

第2章  硬件电路设计

2.1 热继电器的选择

热继电器的工作原理是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用[4]。

我们选用JR16B-60/3D型热继电器。其中“J”表示继电器，“R”为热的谐音，“16”表示设计序号，“60”表示额定电流，“3D”表示三相保护。相关元件主要技术参数如下：

（1）额定电流为20（A）；

（2）热元件额定电流为32/45（A）。

2.2 接触器的选择

CJX2系列交流接触器主要用于交流50Hz或60Hz、额定绝缘电压690V,在AC-3使用类别下，额定工作电压380V、额定工作电流至620A的电力系统中，供远距离接通和分断电路及频繁地起动和控制交流电动机。并可与适当的热过载继电器或电子式保护装置组合成电磁起动器，以保护可能发生过载的电路。

选用CJl0Z-40／3型接触器，其中“C”表示接触器，“J”表示交流，10为设计编号，“40”为额定电流，“3”为主触点数目[5]。

2.3  总电路图

由题目可知，我们需要设置的装置有：洗车机、清洗机、刷子、风机和喷水机。分别设置交流接触器来开断和控制电路，设置熔断器和隔离开关保护电路，根据题意和选择好的器件，我们最终设计出的总电路图如图2.1所示。

图 2.1  自动洗车机电路图

2.4PLC的选择

生活中常见的洗车一般都是人力清洗，用时较长，而且由于工作时间较长会导致疲劳，工作精度下降。基于此，我们考虑利用PLC的知识，设计一个可以自动清洗车辆的自动洗车机，在工作效率、工作精度和工作时间上为洗车这一行业提供便利及创新。

随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。在产品规模方面，向两极发展。一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。而其中，西门子PLC的优势也很明显，第一，西门子PLC抗干扰能力比较强，也比较耐用，维护率，损坏率比较低；第二，西门子PLC的通信效果特别好；第三，西门子PLC的软件SIMATIC Manager比较好用；第四，技术支持服务比较好；第五，网上资料比较多。所以我们选用了课程所学的西门子PLC，型号为S7-300。西门子的S7系列有快速的CPU处理速度，大程序容量，以及编程及监控功能强大，维修简单，所以性价比比较高[6]。

西门子PLC的一般结构如图2.2。

图2.2 PLC一般结构图

（1）处理单元（CPU）与通用计算机中的CPU一样，PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。

（2）存储器10存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型有RAM、EPROM、EEPROM等。

（3）I/O模块

输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。

（4）电源模块输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。

2.5  PLC输入、输出口分配（I/O分配）

根据图2.1总电路图，我们设置PLC的I/O分配，其中I0.0-I0.3共4个输入端点，Q0.0-Q0.7共8个输出端点，如表2.1所示。

表2.1  I/O分配表

根据I/O分配和电路图，我们设计出I/O接线图，如图2.3所示。其中SB1、SB2分别为启动和复位两个手动按钮，Q0.2-Q0.5为喷水、刷子等电动机，Q0.6和Q0.7为启动灯、复位灯。

图2.3 I/O接线图

第3章  软件设计

3.1  流程图

自动洗车机执行流程为：

（1）按下启动按钮，洗车机开始往右移，喷水设备开始喷水，刷子开始洗刷。

（2）洗车机右移到达右极限开关后，开始左移，喷水及刷子继续工作。

（3）洗车机左移到达极限位置后，开始右移，喷水机及刷子停止工作，清洗机设备开始动作喷洒清洗剂。

（4）洗车机右移到达极限位置，开始左移，继续喷洒清洁剂。

（5）洗车机左移到达极限位置，开始右移，清洁剂停止喷洒，当洗车机往右移3s后停止，刷子开始洗刷。

（6）刷子洗刷5s停止，洗车机继续右移3s，刷子又开始洗刷5s停止，洗车机继续右移，到达右极限开关后停止，然后往左移。

（7）重复上面第6步，左移碰左极限开关停止。

（8）洗车机往右移，风机设备动作将车吹干，碰到右极限开关时，洗车机往左移，直到碰到左极限开关，重复2次动作。洗车整个过程完成。启动灯熄灭。

（9）原点复位设计：

若洗车机正在动作时发生停电或故障，则故障排除后必须使用原点复位，将洗车机复位到原点，才能做洗车全流程的动作，其动作就是按下[复位按钮]，则洗车机的右移、喷水、洗刷、风扇及清洁剂喷洒均需停止，洗车机往左移，当洗车机到达左极限开关时，原点复位灯亮起，表示洗车机完成复位动作。

设计流程图如图3.1。

图3.1 流程图

3.2  PLC梯形图

根据流程图（图3.1），我们在SIMATIC Manager编程软件中，进行梯形图的编程，具体程序如图3.2所示。

图3.2 梯形图

3.3  仿真调试

由编程完成的梯形图进行运行操作，我们可以得到程序仿真图，模拟自动洗车机的运行过程。

点击I0.0启动按钮，启动后实现Q0.1右移，Q0.2喷水，Q0.3刷子动作，Q0.6启动灯亮（运行过程中，启动灯Q0.6一直亮）。

右移直至触碰到I0.3右极限开关，此时运行Q0.0左移、Q0.2喷水、Q0.3刷子动作。

左移到触碰左极限开关I0.2后，开始Q0.1右移、Q0.4清洁剂喷洒。

右移直至触碰右极限开关I0.3，开始Q0.0左移、此时Q0.4清洁剂继续喷洒。

左移直至触碰左极限开关I0.2，停止喷洒清洁剂，Q0.3刷子开始动作。

Q0.1右移3s，Q0.3刷子动作5s停止再次右移，交替进行，直至再次右移至极限。

右移触碰右极限开关I0.3，此时Q0.3刷子继续动作。

Q0.0左移3s、Q0.3刷子动作5s停止再次左移，交替进行，直至左移至左极限。

左移触碰左极限开关I0.2，此时刷子停止动作，实现Q0.1右移、Q0.5风机动作。

右移触碰右极限开关I0.3，开始Q0.0左移，此时Q0.5风机继续动作。

左右移动往返重复2次，Q0.5风机持续动作，Q0.6启动灯一直亮。

动作2次后，直至再次触碰到I0.2左极限开关，完成整个洗车过程，停止时Q0.6启动灯灭，无电动机动作。

心得体会

经过小组4人的研究与讨论，最终我们完成了基于西门子S7-300PLC的自动洗车机简单设计。在本次设计中，我们先在书籍和网络上调查了洗车机的背景和发展概况，对自动洗车机有了初步的了解，之后我们进行了硬件的电路图绘制，对各个电机进行了保护。再根据绘制的总电路图，选择主要的硬件器件，主要包括热继电器和接触器。之后是设计重点，相关于PLC的选择和设计，我们选用了常见的西门子S7-300型号PLC，相对于三菱等牌子更加智能和优化，基于此PLC选择，我们对洗车机的要素进行了I/O分配，然后绘制出I/O接线图，完成了硬件设计。软件设计是重点也是难点，我们先根据题目要求写出工作流程图，然后根据流程图编程梯形图，在编程的过程中，我们在左移、右移、风干和复位编程上面没有遇到阻碍，但是在喷水、刷子工作和喷洒清洁剂上面遇到了问题，导致第一次没能成功运行，最后经过咨询老师和同学，我们又设计了计时器，然后重新编程了喷水、刷子工作和喷洒清洁剂，才得以成功运行，得到了最后的仿真模拟图，完成了本文的设计。

在本次设计中，我不仅仅是巩固实践了PLC的学习内容，更是充分了解到了自己在PLC方面的不足，我在I/O接线图和梯形图编程上还有一些漏洞，比如不会设置时间和对程序重复设置的错误，在老师的耐心指导下，我改正并且牢牢记住了。感谢老师和同学的帮助，也感谢学校提供给我一个实践编程的机会，相信在不久的将来，我会在PLC上更大的进步。

参考文献

[1] 柳春生.电器控制与PLC[M]. 北京:机械工业出版社,2010. 

[2] 程子华.PLC原理与实例分析[M]. 北京:国防工业出版社,2006.

[3] 高钦和.可编程控制器应用技术[M]. 北京:高等教育出版社，2004.

[4] 廖常初.PLC编程及应用[M]. 北京:机械工业出版社,2005.

[5] 易传禄.可编程控制器应用指南[M]. 上海:科普出版社,2002.

[6] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M]. 北京:机械工业出版社,2012.

[7] 程宪平.现代电气控制及PLC应用技术[M]. 武汉:华中科技大学出版社,2003.