張珅源

（江蘇師范大學(xué)，江蘇徐州，221116）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車銷售量的快速增加，特別是新能源汽車持續(xù)熱銷，人們對(duì)汽車的清洗需求也越來越大，快捷方便、智能自動(dòng)以及標(biāo)準(zhǔn)高效洗車也成為了研究的熱點(diǎn)。

在本項(xiàng)研究前，筆者對(duì)區(qū)域市場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研，目前區(qū)域內(nèi)95%洗車點(diǎn)的洗車依然采用傳統(tǒng)的人工方式，整車清洗流程為“工作人員手持高壓水槍先對(duì)車進(jìn)行全方位的沖洗→沖掉明顯的泥漬后使用泡沫槍打沫→工作人員手持抹布對(duì)整車全方位擦拭→擦拭后使用高壓水槍進(jìn)行沖洗→擰干的抹布擦去水漬→車體自然風(fēng)干”六個(gè)環(huán)節(jié)，從調(diào)研流程可以看出，此種方式不僅耗時(shí)久、人工成本高，還造成了水資源浪費(fèi)，洗車效率較低等痛點(diǎn)。

基于智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)在研制時(shí)將秉持“節(jié)能、環(huán)?！钡目沙掷m(xù)發(fā)展理念，遵循簡(jiǎn)單、便捷、實(shí)用、高效的原則，通過全面分析市場(chǎng)需求進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、調(diào)整等，最終設(shè)計(jì)出一款合理、規(guī)范、節(jié)水、省時(shí)、安全、高效的智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)省成本、優(yōu)化管理、提高效率以及優(yōu)質(zhì)服務(wù)等。

2 基于PLC的智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)分析

■2.1 基于PLC的智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

基于PLC的智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)如圖1 所示，它是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和PLC為控制核心，通過傳感識(shí)別系統(tǒng)獲得汽車長(zhǎng)寬、位置等詳細(xì)信息，并將獲取的詳細(xì)信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，將信號(hào)發(fā)送到PLC，通過PLC的各個(gè)執(zhí)行元件智能自動(dòng)控制機(jī)械手位置、水槍及油泵等“自動(dòng)洗車”動(dòng)作，智能控制系統(tǒng)集洗車機(jī)的自動(dòng)控制、系統(tǒng)保護(hù)等多個(gè)高級(jí)功能為一體，其智能自動(dòng)操作的流程為：洗車用戶將車輛開到指定位置→掃碼付款→關(guān)閉車窗車門→泡沫噴洗（可選）→智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行清洗車身、車尾及車頂?shù)溶囕v的全方位→風(fēng)干系統(tǒng) 啟動(dòng)對(duì)車輛進(jìn)行風(fēng)干。

圖1 基于PLC的智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)示意圖

■2.2 智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)的安裝執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)的安裝執(zhí)行遵循以下7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①GB/T3805-2008 特低電壓 (ELV) 限值；②GB50016-2014 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》；③GB50015-2009 建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范；④GB50303-2002 建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范；⑤GB/T 9969-2008 工業(yè)產(chǎn)品使用說明書 總則；⑥GB3836.1-2000 防爆電器通用標(biāo)準(zhǔn)要求；⑦GB/T18757-2008 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)企業(yè)參考體系結(jié)構(gòu)與方法論的需求。

■2.3 智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)及工藝設(shè)計(jì)

基于PLC的智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無需人工，可以對(duì)長(zhǎng)為10000mm、寬為3800mm、高為3100mm 的汽車進(jìn)行清洗，用戶可根據(jù)不同車型的需求，在3~5 分鐘內(nèi)自動(dòng)、一鍵完成快速清洗、泡沫清洗以及打蠟清洗三個(gè)洗車模式，每車次耗水量約120L/車次。其設(shè)備選型與參數(shù)如表1 所示，此處重點(diǎn)介紹電源/功率、龍門架、供液設(shè)備、風(fēng)干系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及滾刷設(shè)計(jì)等。

表1 智能自動(dòng)洗車設(shè)備選型與參數(shù)

(1)整機(jī)工作電壓380V、使用功率30kW。

(2)龍門架的結(jié)構(gòu)采用3~6mm 鋼板，所有的金屬結(jié)構(gòu)要經(jīng)過防腐、淋化鍍鋅、噴塑處理，確保有長(zhǎng)久的防腐能力。

(3)智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)的供液設(shè)備主要由柱塞泵、泡沫泵及噴蠟泵三個(gè)泵構(gòu)成：主泵使用柱塞泵，功率15kW，用于高壓水槍對(duì)頑固污漬的清洗噴射，水流壓力達(dá)8~9MPa；泡沫泵與噴蠟泵的功率為0.75kW，可根據(jù)用戶需求的洗車模式而選用。

(4)風(fēng)干系統(tǒng)設(shè)計(jì)。風(fēng)干系統(tǒng)采用大功率離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備結(jié)構(gòu)框架采用主動(dòng)連接方式，有效保證智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)的穩(wěn)定性并節(jié)約空間，并能在自動(dòng)洗車的最后一個(gè)流程最大程度利用風(fēng)力使用戶汽車快速風(fēng)干。

(5)滾刷設(shè)計(jì)。滾刷5 支，材料選用超軟耐磨泡棉，整體設(shè)計(jì)為“7 字”形態(tài)，錯(cuò)位分布，設(shè)置原點(diǎn)及限位傳感器，并配有機(jī)械限位，確保既可以全方位的清洗，又可以對(duì)車身安全進(jìn)行保護(hù)。

(6)導(dǎo)向行駛軌道。導(dǎo)向行駛軌道采用國(guó)標(biāo)重載工字鋼材，驅(qū)動(dòng)軸、動(dòng)力輪采用高碳鋼加工，以確保軌道使用壽命。行駛導(dǎo)軌兩端設(shè)有機(jī)械限位并安裝原點(diǎn)傳感器，動(dòng)力輪兩端面設(shè)有擋邊，防止偏離或脫軌。

3 基于PLC的智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■3.1 基于PLC的智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于S7-1200PLC的智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)遵循工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及工藝設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)架構(gòu)采用西門子S7-1200 可編程控制器PLC作為控制核心，承擔(dān)邏輯、運(yùn)動(dòng)控制功能，系統(tǒng)控制方案整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制方案整體架構(gòu)

智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)裝有紅外感應(yīng)器，并配有語音提示、LED 屏幕顯示及報(bào)警裝置。用戶按照提示慢速行駛到指定區(qū)域后（設(shè)有減速帶），由感應(yīng)器反饋車輛駛?cè)胄畔⒉⑤斔徒o后臺(tái)處理器。當(dāng)車輛停在指定區(qū)域內(nèi)，語音及LED 數(shù)顯均會(huì)提示車輛已到達(dá)工作位置，并提醒掃碼支付洗車費(fèi)用。當(dāng)掃碼支付完成后，系統(tǒng)語音提示關(guān)閉車門及車窗，進(jìn)入待洗車狀態(tài)。傳感識(shí)別系統(tǒng)采集汽車長(zhǎng)寬、位置等數(shù)據(jù)參數(shù)，通過分析、計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果發(fā)送給控制核心PLC，PLC接到收指令后，通過邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、機(jī)械手、水泵、水槍、風(fēng)機(jī)等輸出設(shè)備的控制。限位開關(guān)等保護(hù)裝置受到觸發(fā)時(shí)也可以通過繼電器裝置產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)輸送至可編程控制器PLC。PLC采用RS485 方式通過網(wǎng)絡(luò)和控制柜上的計(jì)算機(jī)使通訊線與伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通訊，從而保證上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器，通過伺服電機(jī)精準(zhǔn)控制電機(jī)位置，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)洗車機(jī)的精確操作。

■3.2 可編程控制器PLC選型：S7-1200

智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)的運(yùn)行過程非常復(fù)雜，為了安全、可靠、便捷及自動(dòng)運(yùn)行，選擇核心器件PLC時(shí)，不僅要求能夠滿足自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)的功能要求，還要保證穩(wěn)定、可靠、安全運(yùn)行。因此，本系統(tǒng)選用德國(guó)西門子公司推出的S7-1200 型號(hào)PLC作為控制單元，基于S7 系列西門子PLC的各種功能模板、人機(jī)界面、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)軟件及控制方案功能強(qiáng)大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作便捷，且應(yīng)用廣泛、運(yùn)行過程穩(wěn)定，不需要投入大量時(shí)間用于維護(hù)，性價(jià)比高。

S7-1200 設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集，這些特點(diǎn)的組合使它能夠?yàn)橹悄茏詣?dòng)洗車控制提供完美的解決方案。其CPU 將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路組合到一個(gè)設(shè)計(jì)緊湊的外殼中以形成功能強(qiáng)大的PLC。具體實(shí)物如圖3 所示：①電源接口；②可拆卸用戶接線連接器（保護(hù)蓋下面）； ③存儲(chǔ)卡插槽（上部保護(hù)蓋下面）；④板載I/O 的狀態(tài)LED；⑤PROFINET（以太網(wǎng)）連接器（CPU的底部）。S7-1200 提供了各種信號(hào)模塊和信號(hào)板用于擴(kuò)展CPU 的能力，還安裝了附加的通信模塊以支持其它通信協(xié)議，如本系統(tǒng)采用了RS485 方式。

圖3 德國(guó)西門子可編程控制器S7-1200

■3.3 基于S7-1200 的智能自動(dòng)洗車機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于S7-1200 的智能自動(dòng)洗車機(jī)的硬件系統(tǒng)主要包括位置檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)及清選三大模塊。

3.3.1 位置檢測(cè)模塊

位置檢測(cè)模塊主要由位置傳感器構(gòu)成，用其進(jìn)行環(huán)境信息的獲取和處理，主要包括超聲波測(cè)距傳感器（7 個(gè)）、限位開關(guān)（4 個(gè)）以及光電開關(guān)（2 個(gè)）。超聲波測(cè)距傳感器、限位開關(guān)以及光電開關(guān)三者配合使用，既可檢測(cè)距離，又可以防止距離超過限定值，起到多重安全保護(hù)作用。其硬件選型與參數(shù)如表2 所示。

表2 位置模塊硬件選型與參數(shù)表

超聲波測(cè)距傳感器主要用于檢測(cè)障礙物距離，以免碰撞與刮蹭，本系統(tǒng)選用了LGUB4000，該傳感器感應(yīng)范圍為100~2000mm，盲區(qū)0~100mm，響應(yīng)時(shí)間小于162ms，防護(hù)等級(jí)為IP67，能適應(yīng)水霧、油以及輕微震動(dòng)的環(huán)境下均可以正常工作，而腐蝕性較強(qiáng)；光電開關(guān)選用德力西激光漫反射遠(yuǎn)距離傳感器，產(chǎn)品型號(hào)為E3K100，該傳感器光點(diǎn)可見，檢測(cè)距離在7m 內(nèi)可調(diào)，工作電壓為直流24V 到240V。該傳感器防護(hù)等級(jí)為IP66，抗干擾性能強(qiáng)，密封嚴(yán)實(shí)、防水防塵，適用于各種水環(huán)境；限位開關(guān)選用施耐德ZCKJ404H29，該產(chǎn)品金屬轉(zhuǎn)軸， 360°可調(diào)節(jié)，具有IP66 防護(hù)等級(jí)，能適應(yīng)洗車機(jī)的各種水環(huán)境。

3.3.2 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)模塊是智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)的核心部件，包括輪轂電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)及轉(zhuǎn)向電機(jī)等，其功能主要是檢測(cè)輪轂電機(jī)的初始角度，電機(jī)品牌選用意大利TRANSTECNO 品牌，其運(yùn)動(dòng)模塊PLC接線如圖4 所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)模塊PLC接線圖

3.3.3 清洗控制模塊

清洗模塊選型及主要參數(shù)如表3 所示， HCA726S 的主要作用能實(shí)時(shí)檢測(cè)傾角，計(jì)算毛刷相對(duì)位置；MIK-DZI 主要作用實(shí)時(shí)測(cè)量毛刷電機(jī)電流計(jì)算毛刷轉(zhuǎn)矩、功率及洗刷壓力；4V230 的造型要能夠滿足氣缸缸徑、最大運(yùn)動(dòng)速度等控制要求。

表3 清洗模塊硬件選型與參數(shù)表

■3.4 基于S7-1200 智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及流程分析

3.4.1 軟件設(shè)計(jì)

在完成了S7-1200智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，需進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。按照系統(tǒng)功能軟件設(shè)計(jì)分為位置檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)模塊及清洗模塊，并對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行流程圖設(shè)計(jì)，其中核心部分位置檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)模塊的控制流程如圖5 所示。

圖5 位置檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)模塊的控制流程圖

3.4.2 控制流程分析

根據(jù)上述智能自動(dòng)洗車系統(tǒng)的設(shè)備選型、工藝設(shè)置、參數(shù)指標(biāo)以及軟硬件設(shè)計(jì)，確定自動(dòng)洗車流程，如為快速?zèng)_洗模式：用戶進(jìn)入等待區(qū)→選擇洗車模式→掃碼支持→系統(tǒng)判斷支付是否成功→完成支付→用戶將車駛?cè)胂窜噮^(qū)→系統(tǒng)上電檢測(cè)→洗車系統(tǒng)定位完成→高壓水槍電刷啟動(dòng)、清水沖洗→風(fēng)干系統(tǒng)風(fēng)干→風(fēng)機(jī)關(guān)閉→機(jī)械手復(fù)位→系統(tǒng)斷電，等待下一次洗車任務(wù)。用戶也可根據(jù)自己的需求選擇泡沫沖洗或打蠟清洗模式，具體流程如圖6 所示。

圖6 基于S7-1200 的PLC的智能自動(dòng)洗車控制流程圖

4 結(jié)語

智能自動(dòng)洗車控制從目前汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)自動(dòng)洗車機(jī)的需求以及痛點(diǎn)出發(fā)，提出了基于S7-1200 的PLC智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成了整體架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)以及控制流程設(shè)計(jì)。雖然目前已經(jīng)取得了一些研究成果，但尚存在著許多待完善方面，下一步，我們將搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，完成該系統(tǒng)的性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證基于S7-1200 的PLC智能自動(dòng)洗車控制系統(tǒng)的安全、可靠性。