文档标题基于PLC的自动洗车控制系统文档介绍1 绪论1.1研究背景与意义我国汽车保有量不断增长汽车后市场服务的需求变得越发强烈自动洗车设备属于其关键构成局部正在慢慢替代传统人工洗车方式。不过在实际操作的时候不少自动洗车设备存在流程连贯性差设备反应迟缓安全防护缺少等情况比如车子定位不准就会致使喷淋或者刷洗偏移方向前后工序之间的转换如果有延误或者产生矛盾就会影响清洗均匀度或者令等待历时变长而且由于没有有效的故障检测手段和紧急停止功能还可能出现设备相撞或者水力资源被无端损耗之类的安全风险造成这些状况的原因主要是因为传统控制系统缺乏足够的智能化和协同作业能力所以无法达成精确快捷又安全的循环调节目的。可编程逻辑控制器PLC具备高可靠性强大的抗干扰能力以及灵活的编程形式在工业自动化领域被广泛采用把PLC技术运用到洗车控制系统当中可以达成复杂的逻辑计算并且做到精确的定时控制使得各个洗车步骤按照预先设定好的流程有条不紊地依次运行。本项研究希望规划出一套依托西门子S7 - 1200 PLC的自动洗车控制系统经由融合先进的传感技术执行装置以及人性化的操作界面形成一种高度自动化可靠又安全的方案此系统目标是给用户供应效率更高连贯性更强的洗车服务大幅缩减由于人工介入或者控制逻辑存在漏洞所引发的操作不稳定因素和风险以此来改善用户的体验感受并保护好设备以及车辆的安全。本系统研发同当下工业自动化和智能控制技术的发展潮流高度契合它把以前依靠经验或者单纯时序的洗车环节变成成可观察可运作可改良的智能流程给大众带来越发便捷安全高效的服务感受这项研究既有益于加强单台洗车设备的性能又表现出现代工业控制系统怎样恰当融入并改善生活场景对于促使传统服务业升级改造有着良好的带头效应。1.2国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国外关于自动洗车技术的研究开始得比较早特别是在欧美发达国家自动洗车设备经过了几十年的发展变化。早期的自动洗车机大多采用简单的时序控制方法就是依照固定的时限来切换各个流程这种做法对于车辆所在位置的适应能力不强常常会产生清洗不彻底或者设备空转之类的状况不过后来随着传感器技术和控制理论有所改善国外一些企业渐渐开始把超声波检测光电传感这些技术用到车辆定位上面使得洗车机能按照车辆的真实外形以及所处的位置去调整刷洗路线从而突出加强了清洗的效果。国外主要的洗车设备制造商一般把高性能PLC当作控制核心用成熟的组态软件来达成人机交互德国西门子美国罗克韦尔等品牌的PLC产品在这个领域得到全面的应用。近些年来图像处理技术也开始被运用到自动洗车行业当中经由对车辆外形加以识别和分析系统可以自动选取最佳的清洗模式做到个性化的洗车服务国外的研究还很看重节能环保技术的应用水循环利用系统低能耗风机等等这些使得自动洗车设备既能满足清洁的需求又能够削减经营的成本概括来说国外的自动洗车技术正在向着智能化节能化模块化的方向不断地发展进步。1.2.2 国内研究现状我国自动洗车技术的研究与应用比国外起步迟早期大多依靠进口设备成本高而且难保养近些年来伴随国内工业自动化水平改善和PLC技术全面化更多企业和科研单位投入到自动洗车控制系统自主研发当中张珅源针对依托S7 - 1200 PLC的智能自动洗车控制系统展开深入探究证实了西门子系列PLC适合用于洗车控制。王丰周和杨志成规划出以PLC为依据的自动洗车控制系统达成了水泵电机电磁阀等执行部件的协同控制这表明PLC方案具备高度的可靠性和灵活性。合肥工业大学的李晓龙就龙门式自动洗车机的控制系统执行了系统性的研究开发工作冯超健针对整机设计也展开了系统性研究开发他们给相关领域赋予了比较完整的技术参照。郑淳允等人分析了自动洗车模式的控制策略并探讨了不同状况下的改良控制办法侯瑞等人依靠工业控制计算机平台规划出自动洗车机系统扩大了控制方案的选择范围有些研究把单片机当作控制核心比如郭东福考察了单片机在自动洗车机电路系统中的应用不过这种方案在故障处理和保护能力上比较差。 从整体上看我国自动洗车控制技术已有很大的发展但是在系统综合程度智能化水准以及安全保障机制方面还是存在改进之处的。1.3主要研究内容本研究以基于PLC的自动洗车控制系统为核心其主要研究内容包含如下几部分其一针对控制系统硬件架构实施设计并对设备选型执行规划选定西门子S7 - 1200系列PLC作为控制核心规划CPU模块及扩展模块的设置方案规划电源回路与接地系统的布局而且规划高压水泵泡沫喷洒装置刷洗电机风干风机等执行机构的电气控制回路完成对接触器继电器电磁阀等激发元件的选型及其接线设计。PLC控制程序及安全逻辑设计方面要采用模块化编程理念设计出具备系统初始化模式转换急停处理等功能的组织块还要编写能够达成完整洗车工序的顺序功能图或者梯形图程序并规划出与自动流程相对立的手动操作功能块从而做到各执行机构的点动控制以及独立调试功能创建起设备之间的互锁保护机制其中涉及工序顺序互锁传感器验证互锁急停紧急处理等安全逻辑。第三要设计人机交互界面和检测系统先规划触摸屏界面的整体框架包含主要监测画面手动操作面板参数设置界面以及报警记录画面等还要开发出能动态表现洗车流程进度的检测画面创建分级报警机制并设计故障判断画面达成故障信息随时显示能够查询历史记录以及确认报警的功能。第四执行系统整合调试和功能验证在TIA Portal 软件环境下开展 PLC 程序检测核实控制逻辑是否正确然后做硬件关联检测和系统整体检测以确认各工序之间的连接模式转换以及安全保护等功能是否可靠。2 系统总体方案设计2.1洗车工艺流程分析本系统利用往复式洗车工艺该工艺原理为车辆行进到指定位置停下后往复机构便前后移动来清洗车辆。往复式洗车机一般包含小立刷碟刷泡沫喷洒装置蜡剂喷洒装置以及吹风系统等部件小立刷主要负责加强清洗车辆下半部分碟刷则着重清洗轮毂区域从而保证这些容易弄脏的地方得以彻底洁净在清洗期间泡沫或者其它清洗液会在车身上产生化学反应分解附着在车漆上的各种污垢为后面的刷洗步骤营造较好的基础。完整的洗车流程包含若干主要阶段当车辆驶入洗车工位时控制系统经由位置传感器识别车辆是否停好一旦确定便发出停车信号之后便是预冲洗阶段高压水枪会被激活用于先期清洗车身表面的灰尘与砂粒以免在后续刷洗时损伤车漆预冲洗结束以后泡沫喷洒装置开始工作把清洗泡沫均匀散布到车身表面静置一段时间让泡沫完全作用并瓦解污垢然后就进入到刷洗阶段这时顶刷侧刷小立刷以及碟刷会依次或者共同运转起来并且随着往复机构向前向后移动从而全方位地洗净车辆。刷洗完毕之后就到了清水冲洗这个阶段高压水枪又开始工作要把车身表面的泡沫以及剩下的污渍全部冲洗掉接下来是风干阶段大功率风机被开启产生出高速气流来把车身表面的水珠吹走这样就能做到干燥的目的有些高级的洗车机在风干之前会喷洒助干剂或者车漆保养液以此来改善干燥的效果并且加强车漆的亮度整个洗车流程一般只需几分钟具备高效又方便的优点。2.2控制系统功能需求按照洗车工艺流程和使用场景本控制系统须要符合如下几类功能需求其一为自动模式功能需求系统需具有一键启动洗车的功能操作人员只需按下启动按钮系统便会依照预设流程自动完成全部洗车工序在自动运行期间系统应可遵照各工位传感器所检测到的信号自动判断车辆位置并精准地触发相应工序从而保证各工序之间无缝衔接此外系统还要及时监测设备的运行状况并在触摸屏上动态显示当前的进程。手动模式的功能需求在于要便于设备的调试守护以及故障处理系统需赋予一种脱离自动流程的 Manual 操作功能。处于手动模式时操作人员可针对高压水泵泡沫喷淋装置各个刷洗电机往复机构风机等执行元件实施单独的点动控制做到单步调试和局部功能检测手动模式和自动模式之间要有安全可靠可信赖的切换机制不能让两个模式同时起作用而引发控制矛盾。系统需形成完备的设备联锁机制只有在车辆到达以后相关设备才能被允许开启防止出现设备空转或者误动作的情形系统还要设置急停按钮一旦按下这个按钮那些正在运行的活动就要立刻终止以此来保证人员以及设备的安全。系统应当具有故障监测和报警能力要随时监测水压液位电机过载这些重要参数要是察觉到异常状况就会自动关闭设备并且发出声光报警在触摸屏上显示出故障信息方便操作人员迅速找到问题并加以解决。2.3系统总体架构本控制系统总体架构属于典型的工业控制结构即以PLC为核心以触摸屏作为人机交互界面该系统包含三个层次现场设备层控制层以及运作层。现场设备层涵盖各种传感器执行机构及变频器等其中传感器用于收集车辆位置水压液位等现场信号执行机构例如水泵风机电机等它们负责执行具体的洗车行为而变频器可调控往复机构的运行速度与方向控制层以西门子S7 - 1200PLC为核心其职责在于接收由现场设备传来的信号遵照预先设定好的控制逻辑实施计算处理然后向执行机构下达控制命令运作层则经由西门子KTP700触摸屏来达成其功能涉及显示系统运行状况接受操作指令并记入警报信息等事宜。系统存在全自动和手动这两种控制模式它们经由模式选择开关来实现切换在全自动模式当中PLC依照顺序功能图所设计的流程自动开展洗车工序并不需要人的干预在手动模式下操作人员能够借助触摸屏上的手动操作按钮针对各个执行机构执行单独控制这有利于设备的调试以及故障的查找全自动模式和手动模式之间具备互锁逻辑从而保证某一时刻只有一个模式被有效执行防止出现控制上的矛盾。PLC控制程序集成了系统的安全保护机制包含急停处理设备互锁以及故障判断等功能急停按钮被串联进控制回路当中当按下此按钮的时候会断开所有的输出信号而且PLC程序一旦检测到急停信号就会去执行相应的安全保护措施设备互锁逻辑能够保证各个工序按照预定顺序来执行也就是只有在车辆到位信号处于有效状态的情况下刷洗电机才会被允许开启故障判断程序会按时对各个传感器以及执行元件所反馈回来的信息实施观测只要察觉到存在任何异常现象便会立刻切换到安全模式之中并且把有关故障的情况加以记录下来整套系统的结构布局十分清楚明了各层嵌套关系也十分明晰这便给后面实施硬件选购和软件规划给予了全面的参照标准。3控制系统硬件设计3.1 PLC控制器选型与配置3.1.1 PLC选型依据PLC处于整个控制系统的核心地位它的选型同系统的可靠性扩展性以及经济性休戚相关本系统在开展PLC选型的时候重点考量了如下几个要素其一为I / O点数需求从自动洗车控制系统的功能分解情况来看该系统必要接收由车辆位置传感器水压传感器液位传感器模式选择开关急停按钮等等产生的输入信号而且还要发出针对水泵接触器风机接触器刷洗电机继电器电磁阀变频器启停信号等的输出信号经由初步计算可知本系统的数字量输入点大概需要十来个数字量输出点同样需要十来个至于模拟量的输入输出需求则比较小归于中小规模的控制系统之列。控制性能方面要达到一定要求洗车控制系统需精准执行各工序的时序控制这便要求PLC具备稳定的扫描时段以及可靠的指令执行能力。系统还要展开逻辑运算和数据处理所以对PLC的计算能力存在一定要求通信能力也是必要考量点系统要与触摸屏实施数据交换达成运行状态显现及操作指令传递的目的于是PLC需配备以太网通信接口或者别的标准通信接口从品牌与生态角度来讲西门子属于工业自动化领域的知名品牌它的S7 - 1200系列PLC存在诸多优点比如性能稳定编程软件功能全面技术支持完备等而且这种PLC在同类型毕业设计当中被广泛采用可参考的资料很多。 综合考虑前面这些要素之后这个系统决定采用西门子 S7 - 1200 系列 PLC 当作控制核心。3.1.2 配置方案西门子S7 - 1200系列包含多种CPU型号各型号在I/O点数程序存储容量扩展能力等方面存在差异本系统选择了CPU1214C DC/DC/DC型号此型号具备14个数字量输入点和10个数字量输出点可以满足本系统基本的I/O需求CPU1214C支持扩展信号模块的安装如果将来要增多I/O点或者整合模拟量功能就可以经由连接信号板或者信号模块达成灵活的扩展在电源设置上CPU1214C采用直流24V供电需配置合适的直流电源模块把交流220V转变成直流24V以给PLC和传感器供电。CPU1214C的存储容量足够用它有足够多的程序存储空间和数据存储空间可以存放这个系统所需的控制程序参数设置以及历史数据记录它的处理速度符合洗车控制系统即时性的需求其扫描时间远远低于洗车流程所需的时间精度从通信接口来看CPU1214C带有以太网通信端口支持PROFINET通信协议很轻易就能同西门子触摸屏相连从而做到编程下载在线观察和数据交换在借助RS485通信模块时它可以连上变频器之类的设备给日后经由变频器做通信控制留下了余地总的来说CPU1214C这样的设置方案既符合功能需求又兼具经济性和可扩展性。3.2主要执行机构选型3.2.1 变频器选型往复机构属于往复式洗车机的关键运动部件它前后行走速度的控制会直接左右洗车效果及运行效率为达成往复机构的无级调速并做到平稳起停本系统采用变频器来操控往复推动电机变频器依照PLC发出的控制信号来调节电机的供电频率以此改变电机的转速而且还能完成软启动和软停止减小机械冲击在品牌选取上本系统选择了西门子V20系列变频器此系列变频器存在体积小安装便捷参数设置简单这些长处而且与西门子PLC适配性良好。本系统设有两台V20变频器一台功率为1.5千瓦用于带动往复机构的行走电机经由PLC的数字量输出端子来操控变频器的正转反转及停止从而达成往复机构的前进和后退运动。另一台变频器功率为2.2千瓦用来调控风干风机的运行频率借助调整风机的转速可以既保障干燥效果又减小能耗和噪音这两台变频器都是采用端子控制的方式其启停和方向皆由PLC的开关量输出信号直接控制此种控制方式较为简单又很可靠足以符合本系统的需求变频器的主回路电源来自系统的总配电箱而控制回路则与PLC的输出模块相接进而形成起完整的驱动链路。3.2.2 风机、水泵与电机选型自动洗车系统包含诸多执行机构高压水泵泡沫泵刷洗电机以及风机均属之这些设备的选型会径直影响系统的清洗效果及其运行的可靠性高压水泵为给予冲洗水压的主要设备要能生成足够高的水压及流量从而把车身表面的污垢有效地冲掉。本系统采用了功率合适的高压柱塞泵该泵的输出压力可符合洗车的需求并且装有压力开关以作过压保护泡沫泵负责将清洗泡沫从储液箱输向喷洒管路需具备良好的耐腐蚀性和稳定的输送能力。刷洗电机用于带动顶刷侧刷小立刷和碟刷转动该电机需拥有充足的扭矩和转速而且要能在频繁开闭的工况下稳定运行本系统采用三相异步电机并结合接触器实施控制经由PLC输出端来操控接触器的吸合及断开从而做到对电机的启动与停止控制。在选取电机型号的时候考虑到了防护等级以此来应对洗车环境下湿气和水雾的状况离心式风机属于烘干阶段的关键部件本系统采用了功率为1.5 千瓦的南方风机品牌的离心式风机由2.2 千瓦的V20变频器来驱动它经由调节风机转速能够得到恰当的风速与风量保证车身表面的水珠能够被有效地吹散掉。 所有执行机构的电源都是经过对应的接触器或者继电器由PLC输出模块所控制由此创建起层次分明的电气推进体系。3.2.3 传感器选型传感器属于控制系统用以感知现场状态的关键元件其所选类型会直接左右系统对于车辆位置及设备状态的监测精准度当前系统大致涉及如下几种类别的传感器。其中车辆位置探测传感器负责判定车辆是否驶入洗车工位也关乎其是否达到各个工序的启动点鉴于洗车场所存在水雾与光照条件的改变情况该系统决定采用光电传感器或者接近开关作为位置监测部件此类传感器具备响应快速抗干扰性强的优势至于传感器的安装地点则需精心设计布局既保证在车辆停稳之际能稳定触发相应机制又防止出现不必要的误触现象发生。水压传感器负责监测高压水泵的出水压力一旦水压出现异常即过低或者过高系统就能立即察觉并执行相应举措发出警报或者实施停机保护。液位传感器用来检测水箱以及清洗液箱的液位水平当液位触及下限之后系统应当发出警报并且暂停洗车流程通知操作人员添加水或者清洗液一般情况下电机过载保护依靠热继电器来达成每当电机过载的时候热继电器就会启动它的辅助触点会把信号传递给PLC从而激发故障警报程序各个传感器所发出的信号都会被连接到PLC的数字量或者模拟量输入模块当中然后由PLC内部的程序执行逻辑分析和数据运算处理。 传感器选型需符合功能需求也要重视防护等级及环境适应性如此一来即便处于潮湿震动等恶劣工况传感器仍能长时间稳定运行。3.3人机交互设备选型3.3.1 西门子KTP700 PN Basic触摸屏人机交互界面充当着操作人员和控制系统之间的媒介其设计品质会左右系统的易用性与可守护性本系统选定西门子KTP700 PN Basic触摸屏作为人机交互工具此触摸屏属于西门子精简面板系列的产品具备7英寸显示尺寸采用TFT真彩显示分辨率为800×480像素可以清楚地显示文字图形以及动画效果触摸屏为工业级设计防护等级达至IP65足以应对洗车场所潮湿又多尘的环境。KTP700 PN Basic具备以太网通信接口支持PROFINET协议能经由单根标准网线同西门子S7 - 1200 PLC直接相连达成数据的高速稳定传递此类通信形式既简化了现场布线又便于程序的下载及在线调试其触摸屏组态软件采用西门子WinCC此软件包含诸多控件与图形库利于轻松规划出美观实用的操作界面。 KTP700 PN Basic具有数据记录功能能够把报警信息运行时间等数据存入触摸屏内部存储器这样就方便日后展开查询与分析。从显示效果通信能力环境适应性以及开发便捷性这些方面综合来看KTP700 PN Basic算是本系统比较合适的触摸屏选择方案。3.3.2 其他操作与指示元件本系统除了触摸屏之外还设置了多个实体操作及指示元件以此来满足基本的操作以及安全防护需求模式选择开关用以在全自动模式和手动模式二者之间实施切换一般会采用两位旋钮开关该开关的触点信号会被接入PLC的数字量输入端口当中。急停按钮属于关键的安全元件应当具备十分显眼的红色蘑菇头样式并且按下之后可以自动锁定转动即可重新设置急停按钮上的常闭触点被串联到控制回路的电源电路上而且它的状态信号也会被接入到PLC的输入端口中从而达成硬件与软件两重保障的目的。启动按钮和停止按钮用以控制全自动洗车流程的启动与中止在自动模式下操作员按下启动按钮之后系统会依次执行洗车工序按下停止按钮时系统要么等到当前工序结束才停止要么立刻停下这取决于程序的设置指示灯用来显示系统的运行状况包含电源指示运行指示以及故障指示等方面往往采用不同色彩的 LED 指示灯红色象征警报或者故障绿色体现正常运行黄色则是待机或者警示状态蜂鸣器会在故障出现的时候发出声音警告从而引起操作员的关注这些实体操作元件和触摸屏相辅相成触摸屏具备全面的信息显示能力和参数调整功能而实体按钮给出的是更为直观更为稳定的操作手段特别是在紧急情形之下实体急停按钮的可靠性是触摸屏所不能比拟的。3.4电气控制系统设计3.4.1 主电路设计主电路是从电源到各个执行机构电机的电力输送途径其包含总电源开关熔断器接触器主触点热继电器变频器以及电机这些元件。主电路的设计要按照电气安全准则来执行保证线路容量充足保护手段完备该系统采取三相五线制供电方式总电源进线先经过总断路器然后再分配给各分支回路。总断路器具备过载和短路保护功能当系统发生重大故障时可以切断总电源。各执行机构的电源回路均设有分支断路器及接触器分支断路器用于防护该回路的过载与短路故障而接触器由PLC输出模块控制用以实施远程的电机启停操作。针对变频器所驱动的电机变频器自身已包含完备的保护功能其输入电源经过分支断路器之后直接接到变频器上变频器的输出端再接向电机从主电路的设计来看还考虑到了安全隔离的要求一旦执行维修任务就可以通过断开分支断路器来保证相关回路彻底断电而且按照各电机的额定电流来选定主电路各种元件的截面面积并且保证长时间运行的时候不会出现过热情况关于主电路各个元件的选型以及接线方式都在电气原理图上做了细致的标注这样做方便现场施工人员操作也有益于日后开展维护工作。3.4.2 控制电路设计控制电路包含PLC输入输出模块同传感器按钮接触器线圈指示灯等元件的关联线路其设计影响PLC是否能准确获取现场信号也能左右它能否稳固地激发执行机构。本系统控制电路以直流24V供电经由开关电源模块把交流220V转变成直流24V给PLC传感器触摸屏等设备供电PLC的数字量输入端口接有各种开关量和传感器信号模式选择开关急停按钮位置传感器水压开关液位开关等等这些信号先通过PLC内部的光电隔离电路再被传递到CPU去处理。PLC的数字量输出端口要接接触器线圈继电器线圈电磁阀指示灯蜂鸣器这些执行元件它的输出模块存在继电器输出这种类型也存在晶体管输出这种类型继电器输出适合用来控制交流负载晶体管输出适合用来控制直流负载。在规划输出回路的时候要按照负载类型以及功率来选定恰当的推动方式要是大功率的接触器线圈也许得增添中间继电器来做到隔离推动从而免除给PLC输出模块带来过大的电流冲击在控制电路中所有的接线端子都应该清楚标注上号而且和电气原理图里的编号一一相对应这样才能便于调试和查找故障。3.4.3 I/O地址分配表I/O 地址分配表是 PLC 编程以及现场接线所依照的准则会把每个输入输出信号指派给独有的 PLC 地址使得程序里的变量和现场设备形成一一对应关系此系统中数字量输入信号包含模式选择开关信号急停按钮信号启动按钮信号停止按钮信号车辆到位传感器信号各个工位触发传感器信号水压正常信号液位正常信号电机热继电器状态信号等这些信号按照接线端口的差异而分别被指派到 I0.0I0.1 等地址当中。数字量输出信号包含高压水泵接触器控制泡沫泵接触器控制顶刷电机接触器控制侧刷电机接触器控制小立刷电机接触器控制碟刷电机接触器控制风机变频器启停控制往复机构变频器正反转控制指示灯控制蜂鸣器控制等这些输出信号对应分配到 Q0.0Q0.1 等地址上如果模拟量信号必要例如连续水压信号可以接到模拟量输入模块里面并分配相应的模拟量通道地址I/O 地址分配表要明确标注每个信号所对应的设备名称信号类型以及备注说明这样编程人员和接线人员才能精准把握。 此表格绘制完成之后应当把它列为设计文档的附录部分而且还要贴在电气控制柜内部便于日后执行维护工作时加以翻阅查看。3.4.4 电气原理图电气原理图是电气控制系统设计成果的关键输出部分其用图形符号表现电路中各个元件的关联情况及其工作原理这个系统里的电气原理图由EPLAN软件绘制而成包含主电路图控制电路图PLC输入输出接线图变频器接线图以及触摸屏接线图等主电路图显示了总电源进线分支断路器接触器主触点热继电器变频器和电机之间的联系并且标记了各元件的型号参数以及导线截面积。图3-1 变频器控制回路接线图控制电路图体现出PLC输入输出模块同外部元件之间的接线联系其中包含传感器的供电情况以及信号线的对接按钮和开关的接线状况接触器线圈的控制回路等内容PLC输入输出接线图细致地标明了各个I/O点所关联的设备及其端子号利于现场实施接线并执行检查工作变频器接线图表现了变频器主回路和控制回路的接线情形牵涉到电源输入电机输出以及控制端子的连接等方面触摸屏接线图着重显示它电源和通信线的结合方式。 所有电气原理图均依国家标准电气图形符号绘制而成图面清晰可见标注颇为详尽其可直接给予电气控制柜装配及现场施工以指示作用。图3-2 PLC外部接线图4 控制系统软件设计4.1编程环境与编程语言本系统中的PLC控制程序由西门子TIA Portal软件开发而成TIA Portal是西门子公司新推出的工业自动化软件平台其集成了PLC编程HMI组态驱动设置等多种功能形成了一个统一的开发环境达成硬件设置程序编制调校观察的一键式操作。在TIA Portal当中用户能够便捷地增加S7 - 1200 PLC以及KTP700触摸屏设备并执行网络设置与参数调整此软件包含诸多编程工具和调校特性变量表运作在线观测强制赋值故障检测等明显提升了程序开发的速度。本系统在编程语言上主要采用梯形图梯形图属于PLC编程中最常应用的一种图形化编程语言它的符号和结构保留了继电器控制电路的特征存在直观易懂利于守护的优势。就从事电气控制的技术人员而言梯形图与传统继电器电路图比较接近其学习的难度较小本系统中的控制逻辑重点在于顺序控制以及逻辑判断非常恰当用来完成梯形图所表示的功能从程序结构来讲本系统运用模块化编程理念把各类不同的功能归纳到单独的程序块里面主程序组织块承担全局统筹的任务自动流程功能块达成洗车顺序控制的目的手动操作功能块应对点动控制相关事宜而报警处理功能块则专注于故障检测及响应工作。 这种模块化的程序结构提升了程序的可读性与可守护性而且有益于团队协作开发并方便后续功能拓展。4.2自动洗车流程程序设计自动洗车流程属于本系统非常核心的功能模块会依照预先设定好的工序顺序自行去完成洗车工作这个系统利用顺序功能图的方式来规划自动洗车流程顺序功能图是一种用来表述顺序控制系统流程的图形工具它把整个控制过程拆解成许多个步骤各个步骤对应一种相对稳定的状态这些步骤之间经由转换条件相互切换本系统中的自动洗车流程包含待机预冲洗泡沫喷洒刷洗清水冲洗风干结束等主要阶段每个阶段均有一组输出动作相对应。在待机状态的时候系统会等待启动指令并且等候车辆到位信号当操作人员按下启动按钮以后而且车辆到位传感器发觉车辆已经停靠在洗车工位之上时系统就会开始预冲洗流程这时高压水泵会被激活从而对车身实施最初的冲洗。预冲洗会在达到预先设置好的时间之后自行切换到泡沫喷洒阶段泡沫泵会被打开把清洗泡沫喷射到车身表面经过一段时间的反应等待之后再进入到刷洗阶段。 刷洗阶段属于该流程里最为繁杂的部分要统筹控制顶刷侧刷小立刷碟刷的转动情况以及往复机构的前后动作程序经由控制变频器的正反转来达成往复机构的前进与后退还要按照各个工位传感器发出的信号来辨别车辆相对于刷洗机构所处的位置以保证刷洗范围全面无遗。刷洗完毕之后便进入到清水冲洗这一步骤当中高压水泵再度被启动起来其目的在于把车身表面所残留的泡沫以及污垢冲洗得更为彻底。紧接着就是风干阶段当风机开始运作的时候就会产生出高速度的气流用以将附着在车身表面的水滴给吹干掉等到风干结束之后系统会自动显示一条已完成的信息从而转回成待命模式好为下一辆要接受清洗作业的车辆做准备而在这种自动化操作流程得以执行期间系统始终会持续关注紧急停止按钮和各类故障警报信号的情况只要察觉到有任何不正常之处就会立刻中止整个流程并切换到一种更为安全的状况之中。 整个自动流程的设计把各工序之间的时序配合和互锁关系纳入考量范围以此保障系统运行既稳定又可靠。图4-1自动洗车流程图4.3手动控制程序设计手动控制程序设计是为设备调试守护及故障处理需求而开发的功能模块处于手动模式时操作者可经由触摸屏或者实体按钮对各个执行机构执行单独的点动控制不会受到自动流程顺序的限制手动控制程序设计需着重关注安全问题防止因误操作造成设备损坏或者人员受伤所以手动控制程序采取了诸多保护手段。手动模式和自动模式经由模式选择开关来实现转换程序里采用互锁逻辑以保证两者不会同时生效模式选择开关置于手动位的时候自动流程程序就会被屏蔽掉而手动控制程序则会被激活若开关位于自动位则手动控制程序会失效在手动控制程序当中各个执行机构的控制都设定了专属的使能条件即只有当系统没有处于急停状态而且不存在严重故障的情况下手动操作才被准许执行针对往复机构的手动控制程序预设了限位保护措施一旦往复机构到达两端极限位置就会自动停止运行从而规避超程碰撞现象的发生。手动控制程序可单独控制高压水泵泡沫泵各刷洗电机往复机构风机等执行机构的启停针对往复机构还设置了正转和反转的点动按钮便于调试期间调整行走位置。手动控制程序包含对各传感器状态的显示功能操作人员经由触摸屏能查看到每个传感器的当前值这样就能判断传感器是否正常工作手动控制程序的设计依照调试工作的实际需求具备灵活的控制能力并凭借完善的保护机制保障操作安全。图4-2 手动洗车流程图4.4安全联锁与报警程序设计安全联锁和报警程序属于系统安全运行的关键部分它们运作时会随时监测各种安全状况一旦出现异常就立刻执行保护动作。安全联锁逻辑重点在于设备间的相互制约关系以及工序的先后顺序限制比如处于自动化模式的时候只有当车辆到位信号有效才行成这时刷洗电机才能被激活如此一来便不会出现设备空转或者操作错误的情况再比如高压水泵和泡沫泵不能连续过久地运行所以程序里存在换班使用的逻辑从而免除给管道施加过高的压力针对往复机构的前进和后退控制程序也设立了互锁机制保证任何时候只有一个方向处于生效状态规避正反转接触器一同吸合引发短路的事故。在报警程序设计上系统持续检测各类故障信号电机过载故障水压异常故障液位过低故障传感器信号异常等均在检测范围之内。一旦出现故障报警程序首先会记录故障代码及发生时间接着按照故障严重程度确定系统的响应方式针对轻微故障系统也许只会发出报警提示而不会终止洗车流程而对于严重故障系统则会马上停止全部输出而且会在触摸屏上显示出故障信息还发出声光报警等到操作人员认定故障并解决之后经由按下复位按钮就能消除报警状态让系统回复正常。 报警程序具备历史记录功能会把每次报警的详细信息保存到触摸屏当中这样便于日后展开查询及分析工作从而有助于察觉设备存在的潜在问题凭借完备的安全联锁及报警程序系统可在多种异常状况下保障人员车辆以及设备的安全。5人机交互界面设计5.1 HMI组态与通信配置人机交互界面经由西门子WinCC组态软件来开发此软件包含于TIA Portal平台之内可以同PLC编程环境紧密对接。在着手设计界面前要先在TIA Portal当中形成PLC与触摸屏之间的传达关联也就是要在项目树里面增添KTP700 PN Basic这种触摸屏设备再经由以太网把PLC和触摸屏接入同一PROFINET网络并设置好各自的 IP 地址使得它们位于同个网段当网络组态完毕之后还要在PLC程序里指定一些供触摸屏共用的数据变量这些变量会用作触摸屏表现系统状况以及接受操作命令之用。WinCC供应诸多组态工具及控件库设计人员可经由拖拽把按钮指示灯数值显示文本域等控件放在画面上并关联对应的PLC变量比如设置一个按钮控件并结合PLC中的起动变量当触摸屏上的按钮被按下时相关联的PLC变量会被置位进而引发起动逻辑。组态结束之后可以借助TIA Portal的仿真功能针对HMI界面展开离线检测核实控件功能以及画面间的转换逻辑通信设置和变量关联属于HMI设计的基本工作唯有准确创建起PLC与触摸屏之间 的数据通道后续的界面设计才有可能达成对监测和控制功能的有效执行。5.2主监控界面设计主监控界面是操作人员最频繁使用的一处画面其需直观表现洗车系统的整体运行状况与当前进程该系统主监控界面大致包含如下几个区域上方为标题栏显 示系统名称及当前时间。中部为工艺流程示意图以图形化形式体现洗车机结构布局及车辆位置经由不同颜色的指示灯或者动态效果来表示正在执行的工序比如 系统处在预冲洗阶段的时候高压水枪图标会闪烁或者改变颜色等到刷洗开始以后刷子图标就会出现旋转动画这样一种动态可视化的设计使得操作人员可以 一目了然地知晓系统当前所处的状态。中部偏下部分是关键状态显示区该区用以显示水压值液位高度往复机构位置等重要参数这些参数以数值或者进度条形式显现出来右边部分属于主要操作按钮区包含系统启动停止复位模式切换等关键操作按钮这些按钮被设计成比较突出方便操作人员立即找到。下方为状态栏其上显示系统当下所处的工作模式是否存在故障急停状况等信息主监测界面还专门设置了画面切换按钮利用此按钮能够转进到手动操作界面参数设定界面报警记录界面等子界面当中。 整个主监控界面布局恰当信息量大既能满足日常观察需求又能维持界面的简洁性防止出现信息过载的情况。5.3手动操作与报警界面设计手动操作界面专为设备调试与维持而设此界面上各执行机构的控制按钮各自分开安排涉及高压水泵的启动与停止泡沫泵的启动与停止顶刷的启停侧刷的启停小立刷的启停碟刷的启停往复机构的正转反转以及停止风机的启停等等每一个按钮旁边都有相对应的状态指示灯设备运行的时候指示灯就会点亮要是防止误操作针对一些比较危险的设备动作程序会设置确认对话框操作人员得要再确认一次才行手动操作界面还显示出各个传感器当前的情况方便调试人员判定传感器的工作情况好不好。 界面中存在速度调节控件其可调整变频器的输出频率从而改变往复机构的行走速度和风机的转速以此来适应不同车型或不同的清洗需求。报警界面用以表现系统运行时出现的各种故障信息此界面大致有三个部分当前报警区历史报警区以及操作区当前报警区以列表形式列出那些还未被确认与清除的故障情况其中每项记录涵盖故障代码故障说明以及产生时间对于未确认的故障会用高亮颜色标注出来。历史报警区保存了所有先前发生的故障信息方便维护人员展开查询与分析操作区设有报警确认报警复位以及清空历史之类的功能键当操作人员解决完故障之后可以经由这些键来对待报警实施相应的处理报警界面具备故障查找提示的机能就是说当你选中某条故障记录的时候界面下方就会显现该故障也许存在的原因及其解决办法从而有助于维护人员立即找到并解决问题经过完备的报警界面规划之后系统的可维护性便切实得到了加强。