PLC 自动洗车机控制设计

电气控制与PLC

课程设计

题    目:       自动洗车机控制设计                  

      院系名称：      电气工程学院                        

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1  系统概述

1.1  设计目的

与传统的洗车方式相比较，自动洗车机有着许多无可比拟的优点，自动洗车机具有安全可靠，快捷高效，洗车洁净，环保节水，不伤漆面，节省人工等优点，为了满足人们快速的节奏步伐和现代化社会的需求，需要设计一种全自动的高效快速的设备，自动洗车机给人们带来了无尽的方便，同时，也符合了现在社会技术发展的要求。

1.2  设计内容

自动洗车控制系统设计

1.3  设计要求

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。

2  方案论证

洗车机有很多种控制方案，这还要根据洗车机的种类而定。

2.1  洗车机的分类

一．按工作方式分：固定式和移动式

固定式：洗车机不动，汽车由机械牵引或自行缓慢通过洗车机的工作区域，洗车机通过各种检测设备反馈的信息，按照相应的指令程序自动运行，达到清洗汽车的工作方式，例如：隧道式连续洗车机、大（中、小）型通道机、无轨电车清洗机等。

移动式：即汽车不动，洗车机按照一定的程序在导轨上来回移动，同时执行洗车机指令的工作方式。如：龙门往复式洗车机、大（中、小）型移动洗车机等。

二．按清洗车型分：小车型、大车型、特种车型。

市场上用于商业用途的绝大部分都属于小车型洗车机，该类包含龙门往复式洗车机、隧道式连续洗车机、无刷往复式洗车机等。大车型洗车机只要包含大型移动式洗车机、大型通道式洗车机。特种车型洗车机主要是洗轮机、垃圾车清洗剂、列车清洗机等。

三．洗车机从原理方面可以分为硬支承洗车机，软支承洗车机、半硬支承洗车机。

硬支承洗车机是平衡转速远低于参振系统共振频率的洗车机。平衡校验时，支承摆架相对处于“硬”状态，因此，转子可以在接近实际轴承条件下进行平衡校正。具有操作简便，安全性能好的特点。

软支承洗车机是平衡转速大于参振频率的洗车机。平衡校验时，支承摆架相对处于“软”状态，因此转子校验平衡时，支承条件与实际轴承条件不同。具有测量精度高的特点。

半硬支承洗车机是平衡转速在0.3—0.5倍参振系统共振频率的洗车机，同时具有硬支承洗车机支承刚度高的特点，又有软支承洗车机精度高的优点。

四．洗车机从应用方面可以分为：立式和卧式洗车机；专用和通用洗车机。

卧式洗车机是被平衡转子的旋转轴在洗车机上呈水平状态的洗车机。适用于有转轴或可装配工艺轴的转子。如机床主轴、滚筒、风机、增压器、电机转子、汽轮机等等。

立式洗车机是被平衡转子的旋转轴在洗车机上呈垂直状态下的洗车机。适用于转子本身不具转轴的盘状工件。如离合器、齿轮、压盘及其总成、制动盘、风叶、水泵叶轮、汽车飞轮等盘类零件。

通用洗车机是指能对形状和支承形式比较规则的转子进行平衡的洗车机。通用式洗车机操作简单，效率也较高。

专用洗车机是能对支承形式和外观与一般转子不同的转子进行平衡的洗车机。例如特别针对发动机的曲轴，汽车的传动轴进行设计的洗车机。

2.2  自动洗车机种类的选择

本课题选择固定往返式洗车机，这种类型的洗车机适合采用PLC编程控制。往返式自动洗车机是：汽车停在固定位置不动，洗车设备根据车型来往复运动。

3  硬件设计

3.1  系统原理方框图

3.2  主电路设计

当闭合启动开关时，电动机M1的线圈得电，其主触头闭合，电动机M1正转，洗车机向右运动，当碰到右极限开关时，电机主触头KM1断开，KM2闭合，电机反转，洗车机向左运动。当电机M2的主触头KM3闭合时，喷水机启动运行开始喷水；当电机M3主触头KM4闭合时，电机M3开始运行，开始喷洒清洗剂；当电机M4主触头KM5闭合时，电机M4开始运行，刷子开始工作；当电机M5主触头KM6闭合时，电机M5开始运行，风机工作开始吹风。其主电路图如图3—1所示。

                     图3—1   自动洗车机主电路图

3.3I/O分配

根据外部设计要求，设定各个输入口、输出口的地址，X0、X1、X2、X3、X4分别代表左极限开关、右极限开关、启动开关、停止开关和复位开关；Y0—Y7分别代表各个输出量。I/O分配表如表3—1所示。

表3—1  自动洗车机I/O分配

根据PLC引脚的分配及引脚的功能，其与外部设备连接引线如下图3--2所示：

 图3—2 自动洗车机I/O接线图

3.5  元器件选型

根据外部设计要求，需要选择不同型号的各个元器件，以及元器件的代号、名称、型号以及数量。下表罗列了各种元器件的名称、代号、型号以及数量，如表3—2所示。

表3—2 各元器件的型号

3.6.1  单片机的特点

单片机主要应用于办公自动化设备、机电一体化、实时过程控制、日常生活及家用电器等领域。在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比；具有以下特点：

（1）   片内存储容量越来越大。

（2）  芯片引线齐全，容易扩展。

（3）  运行速度高，控制功能强。

（4）  单片机内部的数据信息保存时间很长，有的芯片可以达到100年以上。

但其也存在速度慢，功能不强，精度低、易受环境影响等缺点。

3.6.2   PLC的优点

1) 丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

2) 配套齐全、功能完善、适用性强

PLC发展到今天，已经形成了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，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。多种多样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) 系统的设计、工作量小、维护方便、容易改造

PLC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，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。

4) 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 耗能仅数瓦。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设备。

  经综合比较，本设计选用性能较好，控制较准确的PLC作为控制器。

3.6.3   PLC选择

选择PLC是首待解决的事情。一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面选择什么公司的PLC及外设。

1）欧姆龙PLC简介

OMRON C系列PLC产品门类齐、型号多、功能强、适应面广。大致可以分成微型、小型、中型和大型四大类产品。整体式结构的微型PLC机是以C20P为代表的机型。叠装式（或称紧凑型）结构的微型机以CJ型机最为典型，它具有超小型和超薄型的尺寸。小型PLC机以P型机和CPM型机最为典型，这两种都属坚固整体型结构。具有体积更小、指令更丰富、性能更优越，通过I/O扩展可实现10~140点输入输出点数的灵活配置，并可连接可编程终端直接从屏幕上进行编程，CPM型机是OMRON产品用户目前选用最多的小型机系列产品。OMRON 中型机以C200H系列最为典型，主要有C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型号产品。中型机在程序容量，扫描速度和指令功能等方面都优于小型机，除具备小型机的基本功能外，它同时可配置更完善的接口单元模块，如模拟量I/O模块、温度传感器模块、高速记数模块、位置控制模块、通讯联接模块等。可以与上位计算机、下位PLC机及各种外部设备组成具有各种用途的计算机控制系统和工业自动化网络。

在一般的工业控制系统中，小型PLC机要比大、中型机的应用更广泛。在电气设备的控制应用方面，一般采用小型PLC都能够满足需求。

2） 西门子PLC简介

德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

3） 三菱FX系列PLC简介

FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构

经过对几家公司生产的PLC主要从应用、价格、可靠性和对现场工作环境及设计资金等各个方面因素的考虑，三菱公司生产的PLC具有体积小，控制灵活，性价比高等优点，可与普通电脑编程通信等。本控制系统选用三菱FX2N--32MR型可编程控制器。。

3.6.4   FX2N PLC简介

    20世纪90年代，三菱公司在FX系列PLC的基础上又推出了FX2N系列产品。该机型在运算速度，指令数量及通讯能力方面有了较大的进步，是一种小型化、高速、高性能、各方面都相当于FX系列中最高档次的超小型的PLC。

FX2NPLC的基本单元可以根据控制规模大小外加扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成叠装式PLC控制系统。下图是FX2N可编程控制器基本单元实物图。

图1  FX2N可编程控制器实物图

3.6.5   传感器的选用

位置的检测有多种方案，可以用光电传感器、摄像头、电阻传感器等，但这些传感器易受环境影响，且自身精度不好控制，故本设计采用位置开关。

4软件设计

PLC的软件设计是指用户绘制流程图和编写程序的过程。PLC的程序设计是以指令为基础，结合被控对象工艺过程的控制要求和现场信号，对照自动洗车机系统的元件组成及控制过程，画出流程图，然后用编程语言进行编程的过程 

4.1主流程

根据设计要求以及要达到的目的，按照国标编写流程图，要求流程图能满足设计要求而且简单并操作方便。如图4—1所示。

 图4—1  自动洗车机主流程图

4.2梯形图

按照设计要求及要实现的目标，编写梯形图，要求符合设计目的，操作简单。如图4—2所示。

图4—2 自动洗车机梯形图

图4—2自动洗车机梯形图（续）

5系统调试

经过多次反复调试与修改，本次设计基本满足了自动洗车机控制的要求：当按下X2时，启动指示灯亮，表示洗车程序已启动，此时，实验台上表示洗车右移、喷水机喷水和刷子洗刷的输出口Y1、Y2、Y4对应的指示灯也亮了；按下开关X1模拟洗车到达右极限，此时，Y1的指示灯熄灭，表示洗车左移的按钮Y0指示灯亮起，Y2、Y4按钮指示灯继续亮；按下开关X0，模拟洗车到达左极限，此时，Y0、Y2、Y4按钮代表的指示灯全部熄灭，代表喷洒清洁剂的按钮Y3指示灯亮起和按钮Y1指示灯亮起;按下开关X1，模拟洗车到达右极限，Y1按钮指示灯灭，Y0和Y3按钮指示灯亮；按下开关X0，模拟洗车到达左极限，Y0、Y3指示灯灭，Y1指示灯亮，3秒后Y1指示灯灭，Y4指示灯亮，5秒后，Y1指示灯亮，Y4指示灯灭，若不按X1,则以这两种状态交替进行下去；按下X1后，表示洗车机到达右极限，实验台上仅Y0指示灯亮，表示洗车机左移，3秒后Y0指示灯灭，Y4指示灯亮，5秒后，Y0指示灯亮，Y4指示灯灭，若不按X0,则以这两种状态交替进行下去；按下X0，表明洗车机已到达左极限，试验台上仅Y1指示灯亮和代表风机动作的Y5指示灯亮;表示洗车机向右运动的同时风机工作吹风，按下X1后，模拟洗车到达右极限，Y1指示灯熄灭，Y0、Y5按钮指示灯亮；表明洗车机左移的同时吹风机工作吹风。重复2次动作后，实验台上所有指示灯均熄灭。为模拟故障复位，在实验时，按下手动复位按钮X4，实验台上复位指示灯亮。模拟故障停车时，按下停止按钮X3，实验台上所有的指示灯均熄灭，停止工作。C0—C8表示计数器，当数值计满时所对应的常开按钮闭合。

设计心得

经过近10天的努力，我的课程设计终于完成了。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

通过这次课程设计，我明白了自己原来知识还比较欠缺的。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己学的知识能够应付考试就可以了。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在设计过程中，我们发现了很多平时不容易发现的问题，还有许多问题不是在课本上就能自己解决的，我通过去图书馆查阅有关资料、上网搜索，还跟小组内成员及时讨论，总能找到解决的方案。我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验等方式，是自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但是收获也是同样巨大。

在整个设计的过程中，我懂得了许多知识，为将来的毕业设计打下了一定的基础，也培养了我学习探索的能力。相信这次课程设计会对以后的学习、工作还有生活都有很大的影响，而且大大提高了我的实践动手能力，使我充分体会到再创作过程中探索的艰难，同时也让我尝到了成功时的喜悦。

虽然这个设计也按时做完了，也学还不够完美，但在课程设计中所学到的知识是丰富的，也将为我以后的学习生涯提供了一个良好的基础。

参考文献

1. 王兆义.可编程控制器使用技术[M].北京：机械工业出版社.2004.

2. 常晓玲.电器控制系统和可编程控制器[M].北京：机械工业出版社.2004.

3. 殷洪义.可编程控制器选择设计与维护[M].北京：机械工业出版社.2002.

4. 高钦和，可编程控制器应用技术及其设计实例[M].北京:高等教育出版.2004

5. 阮友德.电气控制与PLC实训教程[M].北京：人民邮电出版社.2006.

6. 田瑞庭.可编程控制器应用技术.[M].北京：机械工业出版社. 1994.