儲(chǔ)昭碧，李健，孔艷，馮小英

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于S7-1200的全自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

儲(chǔ)昭碧，李健，孔艷，馮小英

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

介紹了一種最新的全自動(dòng)洗車(chē)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。為了減小全自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)的占用空間且提高控制系統(tǒng)的性能，該控制系統(tǒng)采用的是S7-1200系列的PLC，配合三相步進(jìn)電機(jī)、超聲波測(cè)距傳感器工作。介紹了整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程、1215C上各端口連線、脈沖發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)以及洗車(chē)過(guò)程的軟件流程。控制系統(tǒng)的所有器件占用空間明顯減小，仿真實(shí)驗(yàn)表明三相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

S7-1200PLC；全自動(dòng)洗車(chē)；控制系統(tǒng)；脈沖發(fā)生器

隨著科技的發(fā)展，汽車(chē)的數(shù)量逐漸增多，汽車(chē)數(shù)量的巨增與生活節(jié)奏的加快，使全自動(dòng)洗車(chē)機(jī)受到更多的青睞。傳統(tǒng)的人工洗車(chē)需要強(qiáng)大的勞動(dòng)力且洗車(chē)效率不高，在20世紀(jì)80年代中期，公交系統(tǒng)的大型停車(chē)場(chǎng)開(kāi)始采用機(jī)械化洗車(chē)方式，自動(dòng)洗車(chē)模式開(kāi)始誕生。現(xiàn)如今全自動(dòng)洗車(chē)行業(yè)正在快速發(fā)展，控制系統(tǒng)也在不斷升級(jí)，最終將徹底取代傳統(tǒng)的人工洗車(chē)。

全自動(dòng)洗車(chē)機(jī)的洗車(chē)流程如下：車(chē)輛刷卡駛?cè)脒M(jìn)行底盤(pán)沖洗、車(chē)輛檢測(cè)、預(yù)沖洗、噴灑高效清洗液、車(chē)身強(qiáng)力清洗、噴灑養(yǎng)護(hù)水蠟、車(chē)身強(qiáng)力風(fēng)干、車(chē)輛駛出等過(guò)程。諸多的過(guò)程確保了洗車(chē)效果。

全自動(dòng)洗車(chē)機(jī)的控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)能在惡劣的環(huán)境下完成各功能部件的控制任務(wù)，并且在工藝上要求各控制部件間動(dòng)作協(xié)調(diào)，工作穩(wěn)定可靠。由于頂部的調(diào)整托盤(pán)存儲(chǔ)空間有限，所以要求控制系統(tǒng)的所有控制器件所占空間盡量減小，減小控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，方便整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1　控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于S7-1200PLC［1］的全自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)是由信號(hào)檢測(cè)部分、系統(tǒng)控制部分、報(bào)警指示部分等組成。系統(tǒng)的控制框圖如圖1所示。

信號(hào)檢測(cè)部分由超聲波測(cè)距傳感器［2］和光電開(kāi)關(guān)組成，用來(lái)檢測(cè)車(chē)輛的出入以及車(chē)輛的位置；系統(tǒng)控制部分由道閘電機(jī)、水泵電機(jī)、三相步進(jìn)電機(jī)［3］、空壓機(jī)、電磁閥、限位開(kāi)關(guān)、單相異步電機(jī)、液位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)組成，道閘電機(jī)控制車(chē)輛的出入，三相步進(jìn)電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)和單相異步電機(jī)控制全自動(dòng)洗車(chē)機(jī)噴桿的工作，水泵電機(jī)和空壓機(jī)分別為噴桿提供高壓的水和氣，完成洗車(chē)和強(qiáng)力風(fēng)干過(guò)程，電磁閥和液位開(kāi)關(guān)控制洗車(chē)系統(tǒng)水路工作。報(bào)警指示部分由交通信號(hào)燈和觸摸屏［4］構(gòu)成，完成洗車(chē)異常警告和洗車(chē)過(guò)程顯示的工作。

圖1　控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Block diagram of the control system

2　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1PLC的選擇

傳統(tǒng)全自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)選擇的是德國(guó)西門(mén)子公司的S7-300系列的PLC，主要由電源模塊、CPU模塊、SM信號(hào)模塊、FM353功能模塊以及CP341通信模塊構(gòu)成。SM信號(hào)模塊用于整個(gè)控制系統(tǒng)數(shù)字量和模擬量的輸入輸出；FM353功能模塊通過(guò)硬件組態(tài)和編程可發(fā)高速脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制；CP341通信模塊可實(shí)現(xiàn)基于Modbus協(xié)議的主從站通訊。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，所占空間較大，安裝不便。

本控制系統(tǒng)選用的是德國(guó)西門(mén)子公司S7-1200系列的PLC。選擇該款PLC控制整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)［5］在于：1）在CPU方面，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)S7-1200系列的PLC有集成高速脈沖輸出，減少傳統(tǒng)控制系統(tǒng)里面FM353定位模塊的使用，節(jié)約成本，節(jié)省空間。S7-1200PLC的CPU經(jīng)過(guò)硬件組態(tài)和程序編制，能產(chǎn)生4個(gè)PWM脈沖信號(hào)，與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖端PUL、方向端DIR相連，用戶(hù)通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)和頻率即可控制噴桿的位置和速度；2）在SM方面，由于信號(hào)數(shù)量較多，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需要增加信號(hào)模塊，而本控制系統(tǒng)型號(hào)為1215C的CPU集成了大量AI，AO，DI，DO端口，減少信號(hào)模塊的使用，節(jié)省空間，方便安裝；3）在通信方面，S7-1200系列的PLC具有集成PROFINET接口和靈活的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，集成的PROFINET接口用于編程、HMI通信和PLC間的通信，型號(hào)為1215C的CPU集成2個(gè)PROFINET接口，滿(mǎn)足本控制系統(tǒng)需求，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)主從站點(diǎn)通信，本控制系統(tǒng)集成度高且靈活性強(qiáng)，僅需1個(gè)站點(diǎn)，所以無(wú)需增加通信模塊；4）在控制效果方面，硬件安裝完畢，在STEP7 Basic V13軟件里進(jìn)行仿真，得出沿X軸方向（X軸正向：車(chē)左前側(cè)到車(chē)左后側(cè)，X軸負(fù)向：車(chē)右后側(cè)到車(chē)右前側(cè)）運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)位置控制曲線，其位置和速度的變化過(guò)程如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)工作穩(wěn)定。X軸方向的步進(jìn)電機(jī)經(jīng)歷正轉(zhuǎn)、保持1、反轉(zhuǎn)、保持2的過(guò)程。對(duì)4個(gè)過(guò)程進(jìn)行如下闡述：正轉(zhuǎn)階段絲桿逐漸變長(zhǎng)，速度由初始位置開(kāi)始正向增加，達(dá)到額定速度時(shí)保持勻速；保持1階段X軸步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，Y軸方向（Y軸正向：車(chē)左后側(cè)到車(chē)右后側(cè)，Y軸負(fù)向：右前側(cè)到左前側(cè)）步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)階段絲桿逐漸縮短，速度由初始位置開(kāi)始反向增加，達(dá)到額定速度時(shí)保持勻速；保持2階段X軸步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，Y軸步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。整個(gè)過(guò)程與軟件部分設(shè)計(jì)目的保持一致。另外，在各個(gè)過(guò)程間轉(zhuǎn)換靈敏，控制效果明顯，符合本系統(tǒng)要求。

圖2　步進(jìn)電機(jī)位置控制曲線Fig.2　The curves of stepper motor position control

本控制系統(tǒng)有2點(diǎn)AI，13點(diǎn)DI，9點(diǎn)DO，選擇型號(hào)為1215C的CPU，該CPU集成2點(diǎn)AI，2點(diǎn)AO，14點(diǎn)DI，10點(diǎn)DO，以及2個(gè)集成PROFINET接口，滿(mǎn)足本控制系統(tǒng)的基本要求。1215C有16k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，4個(gè)高速的脈沖輸出，6個(gè)用于計(jì)數(shù)和測(cè)量的高速計(jì)數(shù)器。另外，它還具有PID控制器以及可擴(kuò)展3個(gè)通信模塊，為以后系統(tǒng)再升級(jí)提供有利的條件。

2.2控制系統(tǒng)硬件接線

S7-1200系列PLC的硬件都具有內(nèi)置安裝夾和可拆卸的端子板，內(nèi)置安裝夾使硬件能夠方便地安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的35 mm DIN導(dǎo)軌上，可拆卸的端子板使硬件之間只要進(jìn)行1次接線即可，比如本系統(tǒng)電源模塊和CPU模塊之間，只需1次接線就可實(shí)現(xiàn)供電。X軸和Y軸的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器與CPU 1215C都采用共陽(yáng)極連接［6］，CPU發(fā)出的4個(gè)脈沖分為2組，分別接X(jué)軸和Y軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，每組的2個(gè)脈沖連接PUL端和DIR端，ENA端接5 V的電平信號(hào)，用位置脈沖+方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴桿的位置控制。超聲波測(cè)距傳感器測(cè)得距離轉(zhuǎn)換為4～20 mA的信號(hào)接入AI端口，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～27 648的數(shù)字量，用CPU進(jìn)行處理，控制步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。1215C的CPU具有2個(gè)集成PROFINET接口，一個(gè)與觸摸屏連接，用于HMI通信，另一個(gè)用于編程。具體硬件連線圖如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)硬件接線圖Fig.3　Hardware block diagram of control system

3　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1S7-1200 PWM功能的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇的S7-1200的CPU提供了4個(gè)輸出通道用于高速脈沖輸出，可組態(tài)為PWM，PWM（脈沖寬度可調(diào)）是一種周期固定，脈寬可調(diào)節(jié)的脈沖輸出。脈沖發(fā)生器在STEP7 Basic V13軟件中使用CTRL_PWM指令實(shí)現(xiàn)，通過(guò)硬件組態(tài)和程序編制即可實(shí)現(xiàn)脈沖輸出，本系統(tǒng)使用的CTRL_PWM指令塊參數(shù)表如表1所示，PWM程序編制圖如圖4所示。

表1　CTRL_PWM指令塊參數(shù)Tab.1　The parameters of CTRL_PWM instruction block

硬件組態(tài)完成后，定義完變量，打開(kāi)OB1，從指令列表把CTRL_PWM指令塊拖入編輯器中，定義背景數(shù)據(jù)塊，編寫(xiě)模擬量賦值程序。當(dāng)EN端變?yōu)?時(shí)，指令塊通過(guò)Enable端使能或者禁止脈沖輸出，脈沖寬度通過(guò)程序中的Analog_input（模擬量輸入）來(lái)調(diào)節(jié)，當(dāng)CTRL_PWM指令塊正在運(yùn)行時(shí)，BUSY位一直為0。有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)ENO輸出為0，此時(shí)STATUS顯示錯(cuò)誤狀態(tài)。

圖4　PWM程序編制圖Fig.4　The PWM programming diagram

3.2汽車(chē)清洗和噴桿控制的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的預(yù)清洗和強(qiáng)力清洗、強(qiáng)力風(fēng)干的過(guò)程類(lèi)似，避免重復(fù)，僅述預(yù)清洗過(guò)程：車(chē)輛刷卡緩慢駛?cè)?，底噴打開(kāi)開(kāi)始清洗車(chē)底，車(chē)輛駛?cè)胍?guī)定洗車(chē)區(qū)域，噴桿從起始位置沿X軸正方向（車(chē)左前側(cè)到車(chē)左后側(cè)方向）運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的超聲波傳感器輸出電流巨增，單相異步電機(jī)工作，噴桿旋轉(zhuǎn)，噴桿沿Y軸正向（車(chē)左后側(cè)到右后側(cè)方向）運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)探頭的電流再次發(fā)生巨變，單相異步電機(jī)工作，噴桿旋轉(zhuǎn)，沿X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)，回到初始位置，預(yù)沖洗過(guò)程完成。強(qiáng)力清洗、強(qiáng)力風(fēng)干的過(guò)程也是讓噴桿讓汽車(chē)旋轉(zhuǎn)1周，不需要刷卡和開(kāi)啟底噴。預(yù)清洗流程如圖5所示。

圖5　預(yù)清洗流程圖Fig.5　Flow diagram of preclean process

4　結(jié)論

本文針對(duì)全自動(dòng)洗車(chē)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀以及實(shí)際的控制需求，設(shè)計(jì)出了基于S7-1200的最新全自動(dòng)洗車(chē)控制系統(tǒng)，給出了整體方案、硬件選型連線、軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和結(jié)論。系統(tǒng)所需空間明顯減小，系統(tǒng)性能得到改善，具有一定實(shí)用價(jià)值，可供類(lèi)似的控制系統(tǒng)作為參考，有望在實(shí)際中得到應(yīng)用。

［1］張春.深入淺出西門(mén)子S7-1200PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］時(shí)德鋼，劉曄，王峰，等.超聲波測(cè)距儀的研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（7）：480-482.

［3］李秀紅.高細(xì)分新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

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［5］Siemens.SIMATIC S7-1200-Micro Controller for Totally Integrated Automation［M］.Siemens AG，2009.

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Design of Automatic Car Washing Control System Based on the S7-1200

CHU Zhaobi，LI Jian，KONG Yan，F(xiàn)ENG Xiaoying
（School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China）

Introduced a new automatic washing machine control system design scheme.To reduce the occupied space and improve the performance in this automatic control system，control system used the S7-1200 series PLC，with the three-phase step motor，ultrasonic range sensor.Introduced the whole system work process，ports connection on 1215C，the realization of the pulse generator and the software flow of washing process.The space of all devices took up was significantly reduced in this control system，simulation results show that the three-phase step motor running is stable，the system design is reasonable.

S7-1200 PLC；automatic car washing；control system；pulse generator

TP23

A

2015-08-10

修改稿日期：2016-05-16

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51177035）

儲(chǔ)昭碧（1970-），男，博士，教授，Email：chuzhaobi@126.com