1、基于 S7-200PLC 的自动洗车机控制系统设计 目 录 摘 要 .1 第一章 自动洗车机的介绍 2 第二章 PLC 概述 3 2.1 PLC 简介 .3 2.2 PLC 的特点 .3 2.3 PLC 的功能 .3 2.4 PLC 的结构与工作原理 .4 2.5 PLC 的分类 .4 第三章 方案设计 5 3.1 设计任务与要求 5 3.2 编程元件地址分配 6 3.3 外部引脚分布 7 3.4 控制程序流程图 8 3.5 控制程序设计思路 13 3.6 系统控制程序 13 第四章 系统调试及结果分析 24 设计心得 .31 参考文献 .31 摘 要 随着我国汽车保有量的迅速提高，汽车清洗行
2、业迎来了一个重要的发展机遇，自助洗 车机作为洗车工作必不可少的设备，其清洗效果，清洗速度，清洗成本以及对节水和环境 保护的要求，成为其开发和生产必须要考虑的内容。 本文主要通过对自助洗车机功能要求和运行分析，确定了自助洗车机的总体设计方案, 并主要进行了自助洗车机的驱动和控制系统的设计，针对自助洗车机的特点，采用自助投 币，喷水，洗刷，喷洒清洗剂和风干等过程，应用了可编程控制技术对自助洗车机 PLC 控 制系统进行了硬件设计和软件编程。PLC 采用梯形图编程语言对其运行过程实行监控，最 终实现了自助洗车机的传动和控制要求。 关键词：自助洗车机、控制、软件编程、可编程控制器 第一章 自动洗车机的
3、介绍 当今的社会汽车行业发展迅猛，汽车维修保养行业竞争更是愈演愈烈，洗车机由此得 以广泛应用。自助洗车机分为龙门往复式和隧道式两种机型，通过对毛刷，水泵，机体行 走机构和风机等部件的驱动控制，全自动完成对车辆的刷洗和风干。龙门往复式洗一辆车 仅耗时 1.5min4min，隧道式满负荷运行时每辆车仅耗时 1.5min 左右，避免了手工洗车用 水的随意性。洗车机配备专用的水处理设备后，可对洗车污水进行回收净化循环利用，可 以节约水资源，是一个很有发展前景的符合现代化建设需要的机电一体化产品。PLC 可靠 性高，编程简单且易维护，用作自助洗车机控制系统的核心，更能体现它的这些完美品质。 以下是自助洗
4、车机的优点： （1）使用自助洗车机效率高，能大大减少劳动力、降低劳动强度，节省成本。 （2）一般使用新科技研发的自助洗车机清洗与人员手洗比起来更容易吸引客户，在提 高整体形象的同时，又能大幅度提高的经济收入。 （3）自助洗车机完全可以采用循环水设备，水用量在原有上可减少 1/3，更可有效的 合理利用水资源，节能环保。 第二章 PLC 概述 2.1 PLC 简介 PLC（Programmable Logic Controller）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字 运算操作的电子装置。采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺 序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能
5、通过数字式或模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统 形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全， 功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小， 维护方便，容易改造； 体积小，重量轻，能耗低等特点。广泛应用于钢铁、石油、化工、 电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 2.2 PLC 的特点 PLC 有如下特点： (一) 高可靠性 (二)丰富的 I/O 接口模块 (三) 采用模块化结构 (四) 编程简单易学 (五) 安装简单维修方便
6、 2.3 PLC 的功能 现在的 PLC 一般具有如下主要功能： （1）开关量逻辑控制功能 （2）定时/计数控制功能 （3）数据处理功能 （4）监控、故障诊断功能 （5）步进控制功能 （6）A/D、D/A 转换功能 （7）停电记忆功能 （8）远程 I/O 功能 （9）通信连网功能 （10)扩展功能 2.4 PLC 的结构与工作原理 PLC 的基本组成为四部分：中央处理器（CPU）存储器、输入/输出（I/O）模块和电 源。 CPU 是 PLC 的神经中枢，是系统的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能， 完成以下任务： （1）接收并存储用户程序和数据； （2）用扫描的方式接收现场输入设备的状
7、态和数据； （3）诊断电源、PLC 内部电路工作状态和编程过程中得语法错误； （4）完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务； （5）更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数 据通信等功能。 存储器是 PLC 存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括随机存取存储器 （RAM）和只读存储器（ROM） 。 I/O 模块是 CPU 与现场 I/O 设备或其他外部设备的桥梁。 PLC 配有开关式稳压电源模块，用来给 PLC 的内部电路供电 2.5 PLC 的分类 世界上 PLC 产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品， 一个流派是日本产品
8、。美国和欧洲的 PLC 技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此 美国和欧洲的 PLC 产品有明显的差异性。而日本的 PLC 技术是由美国引进的，对美国的 PLC 产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型 PLC 上。美国和欧洲以大中型 PLC 而闻名，而日本则以小型 PLC 著称。 本次课设综合实验台及其性能指标，最后决定采用西门子 PLC S7-200 系列。 西门子 PLC 主要产品是 S5、S7 系列。S7 系列是西门子公司在 S5 系列 PLC 基础上近 年推出的新产品，其性能价格比高，其中 S7-200 系列属于微型 PLC、S7-300 系列属于中 小型 PLC、S7-4
9、00 系列属于中高性能的大型 PLC。 第三章 方案设计 3.1 设计任务与要求 根据要求，本次课程设计将设计投币 100 元的自助洗车机。 有 3 个投币孔，分别为 5 元、10 元及 50 元 3 种，当投币合计 100 元或超过时，按启 动开关洗车机才会动作，启动灯亮起。七段数码管会显示投币金额（用 BCD 码） ，当投币 超过 100 元时，可按退币按钮，这时七段数码管会退回零，表示找出余额。 洗车机动作流程： 1） 按下启动开关之后，洗车机开始往右移，喷水设备开始喷水，刷子开始洗刷。 2） 洗车机右移到达右极限开关后，开始往左移，喷水机及刷子继续动作。 3） 洗车机左移到达左极限开关
10、后，开始往右移，喷水机及刷子停止动作，清洁剂设 备开始动作喷洒清洁剂。 4） 洗车机右移到达右极限开关后，开始往左移，继续喷洒清洁剂。 5） 洗车机左移到达左极限开关后，开始往右移，清洁剂停止喷洒，当洗车机往右移 3s 后停止，刷子开始洗刷。 6） 刷子洗刷 5s 后停止，洗车机继续往右移，右移 3s 后，洗车机停止，刷子又开始 洗刷 5s 后停止，洗车机继续往右移，到达右极限开关停止，然后往左移。 7） 洗车机往左移 3s 后停止，刷子开始洗刷 5s 后停止，洗车机继续往左移 3 s 后停止， 刷子开始洗刷 5s 后停止，洗车机继续往左移，直到碰到左极限开关后停止，然后往右移。 8） 洗车机
11、开始往右移，并喷洒清水与洗刷动作，将车洗干净，当碰到右极限开关时， 洗车机停止前进并往左移，喷洒清水及刷子洗刷继续动作，直到碰到左极限开关后停止， 并开始往右移。 9） 洗车机往右移，风扇设备动作将车吹干，碰到右极限开关时，洗车机停止并往左 移，风扇继续吹干动作，直到碰到左极限开关，则洗车整个流程完成，启动灯熄灭。 10） 若洗车机正在动作时发生停电或故障、则故障排除后必须使用原点复位，将洗车 机复位到原点，才能做洗车全流程的动作，其动作就是按下复位按钮，则洗车机的右移、 喷水、洗刷、风扇及清洁剂喷洒均需停止，洗车机往左移，当洗车机到达左极限开关时， 原点复位灯亮起，表示洗车机完成复位动作。
12、3.2 编程元件地址分配 本文自动洗车控制系统采用了八个输入信号和九个输出信号，采用西门子 S7-200 系列 的 CPU224，该 CPU 有 14 点输入、 10 点输出，能够满足需求。各输入输出信号如表 1 所 示： 表 1 自动洗车控制系统 I/O 地址分配表 控制信号 信号名称 编程元件 地址编码 5 元投币按钮 I0.0 I0.0 10 元投币按钮 I0.1 I0.1 50 元投币按钮 I0.2 I0.2 启动按钮 SB1 I0.3 退币按钮 SB2 I0.4 停止复位按钮 SB3 I0.5 右极限信号 SQ1 I0.6 输入信号 左极限信号 SQ2 I0.7 启动灯 HL1 Q0
13、.0 退币动作 KM1 Q0.1 洗车机右移 KM2 Q0.2 洗车机左移 KM3 Q0.3 刷子刷洗 KM4 Q0.4 喷水动作 KM5 Q0.5 喷洒清洁剂 KM6 Q0.6 风扇动作 KM7 Q0.7 输出信号 复位灯 HL2 Q1.0 3.3 外部引脚分布 根据 PLC 引脚的分配及引脚的功能，其与外部设备连接引线如下图所示： P L C C P U 2 2 4 K M 1 K M 2 K M 7 K M 4 K M 3 K M 5 K M 6 H L 1 S B 1 S B 2 S B 3 S Q 1 S Q 2 I 0 . 0 I 0 . 1 I 0 . 2 Q 0 . 0 Q 0
14、 . 1 Q 0 . 2 Q 0 . 3 Q 0 . 4 Q 0 . 5 Q 0 . 6 Q 0 . 7 Q 1 . 0 I 0 . 0 I 0 . 3 I 0 . 4 I 0 . 6 I 0 . 7 I 0 . 1 I 0 . 2 I 0 . 5 H L 2 2 2 0 V A C 2 4 V D C 2 4 V D C C O M 2 4 V D C 2 4 V D C M L + M L + M L + L + M 图 1 PLC 引脚分布图 3.4 控制程序流程图 洗车机的总流程图如下图 2 所示： 开始 投币 1 0 元 5 0 元5 元 计算总金额并显示 达到 1 0 0 元 ？
15、超过 1 0 0 元可退币 启动 ， 启动灯亮 N Y 洗车机右移 ， 喷水机喷水 ， 刷子洗刷 洗车机左移 ， 继续喷水洗刷 右极限 ？ N Y 左极限 ？ N Y A 洗车机右移 ， 喷水洗刷停止 ， 喷洒清洁剂 右极限 ？ 洗车机左移 ， 继续喷洒清洁剂 N Y 左极限 ？ 洗车机右移 ， 停止喷洒清洁剂 Y N 3 S ? 洗车机停止 ， 刷子洗刷 N Y 5 S ？ N A B Y 刷子停止 ， 洗车机右移 3 S ？ 洗车机停止 ， 刷子洗刷 N Y 5 S ？ 刷子停止 ， 洗车机右移 N Y 右极限 ？ 洗车机左移 N Y 3 S ？ N B C Y 洗车机停止 ， 刷子洗刷
16、5 S ？ 刷子停止 ， 洗车机左移 N Y 3 S ？ 5 S ？ N 洗车机停止 ， 刷子洗刷 Y N 刷子停止 ， 洗车机左移 Y 左极限 ？ N Y C D 洗车机右移 ， 喷水机喷水 ， 刷子洗刷 右极限 ？ 洗车机左移 ， 继续喷水洗刷 N Y 左极限 ？ 洗车机右移 ， 停止喷水洗刷 ， 风扇动作 N Y 右极限 ？ 洗车机左移 ， 风扇继续动作 N Y 左极限 ？ 洗车流程结束 ， 启动灯灭 N Y 结束 D 图 2 自动洗车机程序流程图 3.5 控制程序设计思路 通过控制要求可知，本程序设计主要分为两部分：投币程序和洗车程序。首先开始投 币，当投入的总钱数大于等于 100 元
17、后才能启动洗车程序，洗车指示灯亮，开始洗车。洗 车程序结束，洗车机碰到左极限开关自动停止，洗车指示灯亮熄灭。在洗车过程中，如果 出现故障，可按复位按钮，所有动作停止，洗车机复位。排除故障后，洗车机可重新开始 运行。 3.6 系统控制程序 主程序梯形图如下： 显示投币金额数的子程序 xianshi 如下： 清零投币金额数的子程序 qinglin 如下： 第四章 系统调试及结果分析 在程序编写完成后，先检验其是否符合设计初衷，是否能达到相应的指标。首先是投 币程序的调试，检验投币时程序是否能得到信号，在满足条件的情况下能否得到响应。然 后是洗车程序的调试，在模拟仿真软件和实验室进行仿真，如果仿真结
18、果与控制要求有差 别，则对程序进行修改，直至到达控制要求。通过多次的调试和修改，最终程序达到了控 制要求。 实验室仿真接线图如图 3 所示： 图 3 仿真接线图 仿真过程的程序监控如下： 图 4-1 投币与显示金额 按下投币按钮（例如五十元投币按钮） ，相应编程原件（如 I0.2）产生一个上升沿脉冲， 计数一次，整数加法指令会将相应的金额计入 VW100 中，并通过子程序 xianshi 显示出金 额总数。如图 4-1 所示。 图 4-2 启动洗车过程 当投币总金额达到一百元时，按下启动按钮 SB1， I0.3 接通，启动灯亮并自锁。如图 4-2 所示。 图 4-3 洗车机右移并喷水洗刷 中间
19、继电器 M0.1、M0.2、M0.3 置位，线圈 Q0.2、Q0.4 、Q0.5 接通，洗车机向右移动， 喷水机喷水，刷子洗刷。如图 4-3 所示。 图 4-4 到达右极限开始左移 达到右极限开关 SQ1 时，I0.6 接通，M0.1 复位，M0.6 置位。线圈 Q0.2 断电，Q0.3 接通，洗车机停止右移，开始左移。喷水机继续喷水，刷子继续洗刷。如图 4-4 所示。 图 4-5 右移并停止喷水洗刷，开始喷洒清洁剂 达到左极限开关 SQ2 时，I0.7 接通，M0.6、M0.2、M0.3 复位，M0.7、M1.1 置位。线 圈 Q0.3 断开，Q0.2 接通，洗车机停止左移，开始右移； Q0
20、.5 断开，喷水机停止喷水； Q0.4 断开，刷子停止洗刷； Q0.6 接通，喷洒清洁剂。如图 4-5 所示。 图 4-6 洗车机左移并继续喷洒清洁剂 洗车机右移到达右极限开关后，M0.7 复位，M1.0 置位。线圈 Q0.2 断开，Q0.3 接通， 洗车机停止右移，开始往左移，并继续喷洒清洁剂。如图 4-6 所示。 图 4-7 洗车机右移并停止喷洒清洁剂 洗车机左移到达左极限开关 SQ2 时，I0.7 接通，M1.0、M1.1 复位， M1.2 置位。线圈 Q0.3 断开，Q0.2 接通，洗车机停止左移，开始往右移；线圈 Q0.6 断开，清洁剂停止喷洒。 如图 4-7 所示。 图 4-8 洗
21、车机左移计时 3S 到达右极限开关 SQ1 时，I0.6 接通，M1.6 复位，M1.7 置位。线圈 Q0.2 断开，Q0.3 接通，洗车机停止右移，向左移，T41 开始计时。如图 4-8 所示。 图 4-9 碰到左极限开关后停止并熄灭启动灯 碰到左极限开关 SQ2 时，I0.7 接通，M3.1、M3.2 复位。线圈 Q0.3 断开，洗车机停止 左移；Q0.7 断开，风扇停止； M3.5 置位，线圈 Q0.0 断开，熄灭启动灯。如图 4-9 所示。 图 4-10 右移动作的控制 当 M1.6 置位时，线圈 Q0.2 接通，洗车机右移。如图 4-10 所示。 图 4-11 左移动作的控制 当 M
22、0.6 置位时，线圈 Q0.3 接通，洗车机左移。如图 4-11 所示。 图 4-12 刷子洗刷的控制 当 M0.2 置位时，线圈 Q0.4 接通，刷子开始洗刷。如图 4-12 所示。 图 4-13 喷水机喷水的控制 当 M0.3 置位时，线圈 Q0.5 接通，喷水机开始喷水。如图 4-13 所示。 图 4-14 喷洒清洁剂的控制 当 M1.1 置位时，线圈 Q0.5 接通，清洁剂开始喷洒。如图 4-14 所示。 图 4-15 风扇的控制 当 M3.1 置位时，线圈 Q0.7 接通，风扇设备动作。如图 4-15 所示。 图 4-16 洗车机的停止复位 当按下停止复位按钮 SB3 时，I0.5
23、接通，线圈 Q1.0 接通，复位灯亮一下，中间继电器 复位，所有动作停止，子程序 qinlin 开始运行，显示器清零。如图 4-16 所示。 通过仿真调试，所得结果与设计要求相符。 设计心得 通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设 计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的 问题怎样用理论去解决。 在本次设计中，还学习到了大量以前没有学到过的知识。在查阅资料的过程中，我懂 得了要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中使我查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。 在平时，我所学习的知识是有限的，在以后的工作中肯定会遇到许多未知的领域，
24、这方面 的能力便会使我受益非浅。 在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量 的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工 作积累了经验，增强了信心。 参考文献 1 赵相宾. 可编程控制器技术与应用系统设计. 机械工业出版社， 2002 2 廖常初. PLC 编程及应用. 机械工业出版社，2005 3 胡学林. 可编程控制器原理及应用. 电子工业出版社， 2007 4 苗常初. PLC 编程及应用. 机械工业出版社，2003 5 易传禄. 可编程控制器应用指南. 上海科普出版社，2002 6 王兆义. 可编程控制器教程. 上海交通大学出版社，2006
