基于PLC的龙门往复式洗车机系统设计

摘 要：随着生活质量的提高，洗车也逐渐实现自动化。针对市场上已有的洗车设备存在机械设备复杂、成本高、浪费水资源等问题，以PLC为控制中心，结合变频器技术、传感器技术和气动技术，利用人机界面进行系统参数设置和工作状态检测，完成了龙门往复式洗车机系统的设计，具有一定的推广价值。

关键词：全自动洗车机 PLC 变频器 传感器

0 引言

经过市场调查，传统的人工洗车存在劳动量大、浪费水资源、洗车速度慢、效率低等弊端。目前市场上常见的国内洗车机主要有两种类型，一种是隧道式洗车机，另一种是龙门往复式洗车机，两者的区别就在于隧道式洗车机是车辆运动，而龙门式洗车机是洗车机做往复运动。两种方法都可以实现洗车流程的全自动控制，但是隧道式洗车机各工位向生产线一样分散布置，作业场地较大，设备的机械结构比龙门式洗车机复杂，成本较高，一般适应于大城市的洗车作业。本设计改进了传统的龙门式系洗车机的机械结构，利用PLC作为控制中心实现洗车智能化，而且性能稳定，节约水资源，降低了洗车机前期投入的成本，适合中小城市的推广。

1 智能控制系统分析

龙门往复式洗车机的机械结构总体布局如图1所示。

洗车机在进行清洗作业时，需要将车辆停在指定位置，通过传感器采集车辆的尺寸和位置后，将信息发送给PLC，由PLC控制系统各部分结构有序动作，完成车辆预冲洗、高压冲洗和喷撒清洗剂、刷洗、高压冲洗、风管吹干一系列洗车过程。

为了保证不同车高差距车辆的洗车效果，同时又兼顾经济性，本设计对顶刷的机械机构和检测手段都做了改进。传统的方法是用单一的气缸或者气缸加平衡块组合的方式，本设计中，顶刷的上下和前后运动均采用电机控制。上下运行的驱动机构安装于龙门架的导轨上，利用预先设定好距离的两只激光测距传感器检测顶刷与车顶的距离，通过PLC控制电机的上下运行。

另外对侧刷的控制方法做了改进。常用的控制方法是用一组气缸推动侧刷向车身靠拢，但是车宽不同时会造成小侧刷与车身距离差距比较大，洗车效果大打折扣。再者当侧刷出现磨损后同样更会增加刷毛与车身之间的距离。本设计解决方法是在洗车机两侧安装两组激光测距传感器，用模拟量模块采集两侧距离信号，然后通过PLC对车宽数据进行比对，车宽较小时，小侧刷的一组气缸工作，车宽较大时两组气缸同时工作，从而用简单的方法解决了因为车宽差距造成的洗车效果差距。同时，这种方法可对待洗车辆的停车位置进行初步判断，如果两侧传感器数据差较大，则说明车辆停放不正，系统报警。这样就避免了出现因为车辆停放不正导致的侧刷对车身的损害，同时也保证了底盘的清洗效果，方案实施经济实惠。

当车辆到达洗车工位后，龙门架上的传感器检查车身尺寸和汽车位置后，通过人机界面选择洗车程序。首先对车辆预冲洗，打开喷淋装置对车身及底盘喷淋，清除车体表面部分灰尘和泥沙，也可湿润吸附在车身的泥沙，为后续高压冲洗和刷洗做准备。第二步高压冲洗和喷撒清洗剂，开启高压水泵，随着龙门架移动从车头向车尾冲洗，冲洗掉附着在车身上的泥沙和杂物，避免在毛刷刷洗过程中泥沙划伤车漆。冲刷后的洗车机返回车头位置，然后开启清洗剂喷淋系统，从车头经过车身向车尾喷淋清洗剂，喷淋结束后龙门架退回至车头。第三步刷洗，大侧刷、小侧刷、顶刷分别从车头向车尾清洗车身、轮毂和车顶。这里对控制毛刷的电机运动速度没有特殊要求，只有大侧刷在清洗车身和车头时需要进行正反转控制，顶刷和小侧刷只需要单一方向运动。刷完后，将清水打开，冲洗车身上的污水和浮沫，第一次刷洗结束。第二次刷洗过程，侧刷和顶刷的动作过程不变，刷洗后先开启高压冲洗再启动风管系统，完全清除清洗液后对车身吹干。

为了确保安全洗车和清洗效果，全自动洗车机主要有以下几点控制要求：

（1）整机前后运动控制：龙门架往返运动有高低速控制要求。闭锁保护功能应根据流程控制的需要而定。

（2）小侧刷、大侧刷、顶刷能做自转运动，风管和顶刷也要能上下运动，配合龙门架移动至车顶、车头和车尾，和侧刷相互配合确保洗车效果。

（3）为保护车辆，洗车前，风管和顶刷应停留在龙门架顶端，大侧刷和小侧刷应该立于机架的两侧。

2 控制系统的设计

整个洗车流程以PLC作为控制中心，设计遵循工业自动化系统相关标准及工艺设计要求。为确保安全高效的洗车，系统采用可靠的检测方法，运用多种类型的传感器采集不同信号，如检测车头车尾位置和尺寸、电机运动行程，检测气缸控制状态、毛刷和车身之间的距离等，确保洗车操作的智能化和安全性。控制系统的原理如图2所示。

当车辆到达指定位置后，通过安装在龙门架两侧的测距传感器，系统首先检测有无车辆和龙门架与车身之间的距离，另有红外传感器采集车辆的长度、宽度等数据发送给PLC，PLC收到信号后做相应的运算和处理，发送控制指令到指示灯、人机界面、电磁阀和电机驱动装置，实现状态显示和对龙门架、毛刷、水泵、风机和气缸的控制。机械式行程开关也安装在龙门架导轨两侧，为洗车机提供限位保护。限位开关等保护装置受到触发时也会产生信号送至PLC。系统采用人机交互界面不仅可以实时修改控制参数，还能实现洗车过程的可视化，及时反应故障报警和历史参数变化。控制系统选用高性能的可编程控制器、传感器、变频器及人机界面，实现洗车过程的精确控制，并对设备运行情况进行实时监控，达到设备智能化。

2.1 硬件设计

全自动洗车机的运动过程复杂，选择PLC时不仅要考虑检测信号和控制对象的类型，还要考虑I/O点数以及扩展性需求等综合因素。车身两侧的两组大侧刷和小侧刷位置对称，选择借助三通电磁阀将两侧刷子的伸缩同步控制在同一电磁阀上，检测气缸行程的磁性开关串联后接入PLC，减少使用的PLC输入输出点数，控制程序也会变得简单。在对全自动洗车机的开关、传感器信号和被控制指示灯、电机、气缸等执行机构的数量进行分析后，结合输入输出信号类型、扩展性需求、响应速度等综合因素，系统选用了内置32位输入和32位输出点的三菱FX3U-64MR型号PLC，配套FX3U-4AD模拟量输入模块。该控制中心性能稳定、运算速度快，充分满足洗车机控制要求。PLC的外部接线如图3所示。

控制机架行走的电机要配合其他运动部件的需要进行前进后退和停止，为了提高洗车效率，在运动过程中还需要调整龙门架的运动速度。控制龙门架运行的电机要求可以往返运行，并且能够高低速运行，以提高洗车效率。系统选用FR-D740-1.5K型变频器，该变频器结构紧凑，经济性高，功能多变，可通过面板进行参数设置，调节龙门架行走电机的速度。利用PLC的Y0至Y3输出端口控制龙门架前进、后退、高速和低速运行。变频器的接线如图4所示。

2.2 软件设计

该洗车机以PLC为核心控制器，由于各个洗车过程顺序执行，可采用步进顺控指令编程。系统上电后PLC首次扫描，扫描正常就进行系统初始化，复位清零程序的各个状态位S和寄存器区M，扫描异常则进行故障检测。初始化后检测没有故障则启动洗车程序，否则出现故障报警并停机。系统启动流程如图5所示。

PLC采用软件设计梯形图。在PLC内部软元件D存储区通过人机界面输入系统参数并保存，可选手动和自动两种洗车模式，手动模式下步进运行程序，逐步调试洗车过程。为了便于工作人员进行设备调试和检修，手动模式下禁止开启喷淋系统，各工序延时时间设置为短时。在运行过程中，延时参数也可实时观察，以方便调试出最佳运行效果。

2.3 系统的仿真与调试

利用GT Designer3触摸屏组态软件设计洗车机的监控。在GT Simulator3模拟器上显示PLC程序执行结果，对设计进行检验和方针调试。人机界面设计监控系统主画面、运行状态监控画面、输入状态监控画面、参数设定画面等，使监控系统的所有功能都能发挥作用。在模拟过程中，PLC程序运行无误，通过触摸屏给定输入信号可控制洗车机的启停运行，在触摸屏上也能动态监控洗车运行状态及车辆统计。系统主画面可以选择手动和自动两种洗车方式，利用指示灯监视洗车机工作状态，画面同时显示洗车数量统计。运行状态监控画面对水阀、风管、毛刷、龙门架等主要输出状态进行监控，判断系统执行器件是否可靠工作。输入状态监控画面显示输入端口数据状态，可判断输入传感器是否有效工作。还可以设置洗车过程中动作延时的参数画面，保证洗车效果。

3 结语

本设计改进了洗车机的机械结构及工作流程，以PLC为控制中心，确定了输入输出点数并绘制了PLC外部接线图和软件控制流程图。利用PLC与触摸屏通讯连接，在触摸屏上仿真运行直观展示了系统运行状态监控画面。该洗车系统控制灵活方便，节约水电，且机械结构简单、投入成本不高，适合在中小城市推广。

本设计下一步会对控制系统进行完善，如机械结构仍需验证，控制流程仍需改进。另外洗车机没有考虑废水循环处理，造成水资源的浪费，下一步将会考虑增加系统的水循环控制，真正做到系统优化、节约能源、保护环境。

基金项目：2022年安徽省质量工程项目（编号：2022zygzsj059）；2022年安徽省高校自然科学重点项目（编号：2022AH052762）。

参考文献：

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