基于PLC的龍門往復式洗車機系統設計

摘 要：隨著生活質量的提高，洗車也逐漸實現自動化。針對市場上已有的洗車設備存在機械設備復雜、成本高、浪費水資源等問題，以PLC為控制中心，結合變頻器技術、傳感器技術和氣動技術，利用人機界面進行系統參數設置和工作狀態檢測，完成了龍門往復式洗車機系統的設計，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：全自動洗車機 PLC 變頻器 傳感器

0 引言

經過市場調查，傳統的人工洗車存在勞動量大、浪費水資源、洗車速度慢、效率低等弊端。目前市場上常見的國內洗車機主要有兩種類型，一種是隧道式洗車機，另一種是龍門往復式洗車機，兩者的區別就在于隧道式洗車機是車輛運動，而龍門式洗車機是洗車機做往復運動。兩種方法都可以實現洗車流程的全自動控制，但是隧道式洗車機各工位向生產線一樣分散布置，作業場地較大，設備的機械結構比龍門式洗車機復雜，成本較高，一般適應于大城市的洗車作業。本設計改進了傳統的龍門式系洗車機的機械結構，利用PLC作為控制中心實現洗車智能化，而且性能穩定，節約水資源，降低了洗車機前期投入的成本，適合中小城市的推廣。

1 智能控制系統分析

龍門往復式洗車機的機械結構總體布局如圖1所示。

洗車機在進行清洗作業時，需要將車輛停在指定位置，通過傳感器采集車輛的尺寸和位置后，將信息發送給PLC，由PLC控制系統各部分結構有序動作，完成車輛預沖洗、高壓沖洗和噴撒清洗劑、刷洗、高壓沖洗、風管吹干一系列洗車過程。

為了保證不同車高差距車輛的洗車效果，同時又兼顧經濟性，本設計對頂刷的機械機構和檢測手段都做了改進。傳統的方法是用單一的氣缸或者氣缸加平衡塊組合的方式，本設計中，頂刷的上下和前后運動均采用電機控制。上下運行的驅動機構安裝于龍門架的導軌上，利用預先設定好距離的兩只激光測距傳感器檢測頂刷與車頂的距離，通過PLC控制電機的上下運行。

另外對側刷的控制方法做了改進。常用的控制方法是用一組氣缸推動側刷向車身靠攏，但是車寬不同時會造成小側刷與車身距離差距比較大，洗車效果大打折扣。再者當側刷出現磨損后同樣更會增加刷毛與車身之間的距離。本設計解決方法是在洗車機兩側安裝兩組激光測距傳感器，用模擬量模塊采集兩側距離信號，然后通過PLC對車寬數據進行比對，車寬較小時，小側刷的一組氣缸工作，車寬較大時兩組氣缸同時工作，從而用簡單的方法解決了因為車寬差距造成的洗車效果差距。同時，這種方法可對待洗車輛的停車位置進行初步判斷，如果兩側傳感器數據差較大，則說明車輛停放不正，系統報警。這樣就避免了出現因為車輛停放不正導致的側刷對車身的損害，同時也保證了底盤的清洗效果，方案實施經濟實惠。

當車輛到達洗車工位后，龍門架上的傳感器檢查車身尺寸和汽車位置后，通過人機界面選擇洗車程序。首先對車輛預沖洗，打開噴淋裝置對車身及底盤噴淋，清除車體表面部分灰塵和泥沙，也可濕潤吸附在車身的泥沙，為后續高壓沖洗和刷洗做準備。第二步高壓沖洗和噴撒清洗劑，開啟高壓水泵，隨著龍門架移動從車頭向車尾沖洗，沖洗掉附著在車身上的泥沙和雜物，避免在毛刷刷洗過程中泥沙劃傷車漆。沖刷后的洗車機返回車頭位置，然后開啟清洗劑噴淋系統，從車頭經過車身向車尾噴淋清洗劑，噴淋結束后龍門架退回至車頭。第三步刷洗，大側刷、小側刷、頂刷分別從車頭向車尾清洗車身、輪轂和車頂。這里對控制毛刷的電機運動速度沒有特殊要求，只有大側刷在清洗車身和車頭時需要進行正反轉控制，頂刷和小側刷只需要單一方向運動。刷完后，將清水打開，沖洗車身上的污水和浮沫，第一次刷洗結束。第二次刷洗過程，側刷和頂刷的動作過程不變，刷洗后先開啟高壓沖洗再啟動風管系統，完全清除清洗液后對車身吹干。

為了確保安全洗車和清洗效果，全自動洗車機主要有以下幾點控制要求：

（1）整機前后運動控制：龍門架往返運動有高低速控制要求。閉鎖保護功能應根據流程控制的需要而定。

（2）小側刷、大側刷、頂刷能做自轉運動，風管和頂刷也要能上下運動，配合龍門架移動至車頂、車頭和車尾，和側刷相互配合確保洗車效果。

（3）為保護車輛，洗車前，風管和頂刷應停留在龍門架頂端，大側刷和小側刷應該立于機架的兩側。

2 控制系統的設計

整個洗車流程以PLC作為控制中心，設計遵循工業自動化系統相關標準及工藝設計要求。為確保安全高效的洗車，系統采用可靠的檢測方法，運用多種類型的傳感器采集不同信號，如檢測車頭車尾位置和尺寸、電機運動行程，檢測氣缸控制狀態、毛刷和車身之間的距離等，確保洗車操作的智能化和安全性。控制系統的原理如圖2所示。

當車輛到達指定位置后，通過安裝在龍門架兩側的測距傳感器，系統首先檢測有無車輛和龍門架與車身之間的距離，另有紅外傳感器采集車輛的長度、寬度等數據發送給PLC，PLC收到信號后做相應的運算和處理，發送控制指令到指示燈、人機界面、電磁閥和電機驅動裝置，實現狀態顯示和對龍門架、毛刷、水泵、風機和氣缸的控制。機械式行程開關也安裝在龍門架導軌兩側，為洗車機提供限位保護。限位開關等保護裝置受到觸發時也會產生信號送至PLC。系統采用人機交互界面不僅可以實時修改控制參數，還能實現洗車過程的可視化，及時反應故障報警和歷史參數變化。控制系統選用高性能的可編程控制器、傳感器、變頻器及人機界面，實現洗車過程的精確控制，并對設備運行情況進行實時監控，達到設備智能化。

2.1 硬件設計

全自動洗車機的運動過程復雜，選擇PLC時不僅要考慮檢測信號和控制對象的類型，還要考慮I/O點數以及擴展性需求等綜合因素。車身兩側的兩組大側刷和小側刷位置對稱，選擇借助三通電磁閥將兩側刷子的伸縮同步控制在同一電磁閥上，檢測氣缸行程的磁性開關串聯后接入PLC，減少使用的PLC輸入輸出點數，控制程序也會變得簡單。在對全自動洗車機的開關、傳感器信號和被控制指示燈、電機、氣缸等執行機構的數量進行分析后，結合輸入輸出信號類型、擴展性需求、響應速度等綜合因素，系統選用了內置32位輸入和32位輸出點的三菱FX3U-64MR型號PLC，配套FX3U-4AD模擬量輸入模塊。該控制中心性能穩定、運算速度快，充分滿足洗車機控制要求。PLC的外部接線如圖3所示。

控制機架行走的電機要配合其他運動部件的需要進行前進后退和停止，為了提高洗車效率，在運動過程中還需要調整龍門架的運動速度。控制龍門架運行的電機要求可以往返運行，并且能夠高低速運行，以提高洗車效率。系統選用FR-D740-1.5K型變頻器，該變頻器結構緊湊，經濟性高，功能多變，可通過面板進行參數設置，調節龍門架行走電機的速度。利用PLC的Y0至Y3輸出端口控制龍門架前進、后退、高速和低速運行。變頻器的接線如圖4所示。

2.2 軟件設計

該洗車機以PLC為核心控制器，由于各個洗車過程順序執行，可采用步進順控指令編程。系統上電后PLC首次掃描，掃描正常就進行系統初始化，復位清零程序的各個狀態位S和寄存器區M，掃描異常則進行故障檢測。初始化后檢測沒有故障則啟動洗車程序，否則出現故障報警并停機。系統啟動流程如圖5所示。

PLC采用軟件設計梯形圖。在PLC內部軟元件D存儲區通過人機界面輸入系統參數并保存，可選手動和自動兩種洗車模式，手動模式下步進運行程序，逐步調試洗車過程。為了便于工作人員進行設備調試和檢修，手動模式下禁止開啟噴淋系統，各工序延時時間設置為短時。在運行過程中，延時參數也可實時觀察，以方便調試出最佳運行效果。

2.3 系統的仿真與調試

利用GT Designer3觸摸屏組態軟件設計洗車機的監控。在GT Simulator3模擬器上顯示PLC程序執行結果，對設計進行檢驗和方針調試。人機界面設計監控系統主畫面、運行狀態監控畫面、輸入狀態監控畫面、參數設定畫面等，使監控系統的所有功能都能發揮作用。在模擬過程中，PLC程序運行無誤，通過觸摸屏給定輸入信號可控制洗車機的啟停運行，在觸摸屏上也能動態監控洗車運行狀態及車輛統計。系統主畫面可以選擇手動和自動兩種洗車方式，利用指示燈監視洗車機工作狀態，畫面同時顯示洗車數量統計。運行狀態監控畫面對水閥、風管、毛刷、龍門架等主要輸出狀態進行監控，判斷系統執行器件是否可靠工作。輸入狀態監控畫面顯示輸入端口數據狀態，可判斷輸入傳感器是否有效工作。還可以設置洗車過程中動作延時的參數畫面，保證洗車效果。

3 結語

本設計改進了洗車機的機械結構及工作流程，以PLC為控制中心，確定了輸入輸出點數并繪制了PLC外部接線圖和軟件控制流程圖。利用PLC與觸摸屏通訊連接，在觸摸屏上仿真運行直觀展示了系統運行狀態監控畫面。該洗車系統控制靈活方便，節約水電，且機械結構簡單、投入成本不高，適合在中小城市推廣。

本設計下一步會對控制系統進行完善，如機械結構仍需驗證，控制流程仍需改進。另外洗車機沒有考慮廢水循環處理，造成水資源的浪費，下一步將會考慮增加系統的水循環控制，真正做到系統優化、節約能源、保護環境。

基金項目：2022年安徽省質量工程項目（編號：2022zygzsj059）；2022年安徽省高校自然科學重點項目（編號：2022AH052762）。

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