一、引 言

（一）课题的研究背景和意义

随着我国科学技术的进步，人们的生活质量都得到了很大的提高，汽车更是取代了80年代的自行车潮。与此同时，洗车成为人民社会生活中必不可少的部分[1]，然而现在更多的用户更青睐于全自动的洗车方式，这种清洗方式大大降低了人工的工时，它是用到计算机控制相关程序来实现整个洗车流程的，主要有喷水清洗，打蜡和吹干等流程。这种洗车方式的成本不大，而且工作时的清洗效率比较高，但是在我们国家很多洗车行还是在用人工来洗车。人工操作的效率太低，而且消耗的时间过于长，逐渐将会被淘汰[2]。由于传统的人工洗车方式具有很多弊端，并且现在也很难适应时代的发展，所以研发一款可以代替人工，并且清洗效率高，整洁度好的全自动洗车机具有很大的市场前景。本课题利用PLC控制技术来实现自动洗车操作的。通过理论分析对设备的总体结构和相关的控制系统进行了设计，使自动洗车机在社会中得到运用，促进社会的发展和进步。

（二）自动洗车机国内外研究现状分析

1、国内研究现状

由于之前我们国家人民的生活水平不高，很少有家庭里有汽车，洗车行业是在最近十年才开始兴起的。洗车行业这个不算什么高的技术活，很多百姓都可以开一家店面，而且对于劳动者来说上手很快。由于这个行业没有什么相关部门重点扶持，所以有关的行业标准也不是很完善，有很多小的洗车行达不到环保的标准。而一些具有时代特色的全智能洗车设备在我们国家应用和推广的不是很多。

桂林理工大学的陈韦松和谢永智等人，他们在之前研究了立式的洗车设备的机械结构和有关的工作机理。这种智能的洗车机设备主要由支架、减速器、气压控制和清洗时的关键零件毛刷组合而成。清洗车身的裙刷和立刷的运动主要是通过PLC控制气压缸的伸长和压缩实现的。与毛刷相配合的一些流程动作也是利用可编程控制器来实现。这种设备让裙刷在车身进行前后的运动来清洗淤泥，然后回来的时候风机就开始工作，进行吹干，清洗效果比较出色。车门窗位置的清理工作主要是立刷起到了作用，立刷之间的位置通过结构上的导轨来进行调节，这样可以适合一些比较复杂的车型。而横刷是清洗车顶的有效部件，泡沫棉不仅可以贴合车顶，允许的变形程度也大，并且不会把雨刷卷入毛刷中[3]。

合肥工业大学的王昊在2018年对无接触式自动洗车机的系统结构进行了总体设计，通过PLC和国产的伺服系统以及相关的传感器进行了洗车设备的系统设计。此洗车机通过超声波定位，采用陶瓷柱塞水泵对车身进行清洗，二连杆机械臂式的设计，通过伺服电机的驱动，控制精准，速度快，效率高，占地面积小，并且喷嘴的设计，使得耗水量大大减少，符合现代社会绿色环保的理念[4]。

2、国外研究现状

汽车最初起源于欧洲的一些国家，当时洗车设备的发展也是从那边先开始的。日本看到了洗车行业存在的巨大市场，所以他们在这个行业内发展很迅速，这也是因为他们在汽车工业方面的技术也比较成熟。有这样一种说法，全球的洗车行业受到了日本的启发，所以都在进行相关技术的普及。国外汽车行业经过百年的发展，科学洗车、环保洗车的理念已深入人心[5]。现阶段外国主流的洗车方式主要有智能洗车，整齐洗车还有就是不需要水来洗车，而智能洗车应用的最多[6]。

日本MK精工株式会社，他们设计了一台新型洗车设备，这个设备是利用光学原理来感知车子的外形轮廓，而且还有障碍物识别功能，遇见障碍物就会自动抬起，可以避免损坏车体，独特的设计只需要来回这么移动一个周期就可以完成清洗干燥工作。有着能够兼顾安全问题和高清洁度的视觉感知系统。

德国德加福公司设计了隧道式自动洗车设备，这台清洗设备的部件比较多，主要有整体的机械结构，电路控制系统，吹干系统，清洗装置以及喷水系统构成。这台设备的外表面经过了特殊的处理方式，有着非常出色的耐腐蚀性能。其工作流量为2L/min，高压管长度为12m，轨道长为12m。

（三）论文研究的主要内容

本文所设计的龙门往复式自动洗车机是以PLC（可编程控制器）作为控制器件，通过各种传感器作为感应元件，来确定各个刷子与将要清洗的车辆间的距离，来确定刷子的下一步动作，自动洗车机在前进的过程中完成一次刷洗汽车。具体研究内容如下：

1. 阐述课题背景，对国内外相关研究现状进行总结和分析；
2. 完成自动洗车机的总体结构设计；
3. 完成自动洗车机设备控制方面相关硬件部分的选型；
4. 完成自动洗车机设备控制方面相关软件程序的编写；
5. 完成本文的总结归纳工作，并给出未来发展相应的展望。

一、自动洗车机总体结构设计

（二）自动洗车机的结构特点

现如今大部分洗车店还在采用人工洗车，但人工洗车会造成水资源和人力资源的浪费。虽然隧道式洗车机可以节约人力，但是这种洗车机是用架子坐在导轨上，利用带过使车子运动，这样就需要不停地喷洒水，造成很大的浪费，还会增加设备用量和加大投资成本，而且会增加洗车机的长度和宽度，从而增加了占用空间。但是最新设计的往复式清洗设备主需要汽车行驶到指定的洗车区域，然后通过洗车桁架在下面的跑道上往复移动来实现对汽车的清洗工作。设备的这种工作方式可以节约水资源，从成本方面来说也可以降低一部分的成本，因为整个过程被清洗的汽车是静止不动的，运动的部件只是清洗设备的相关部件，这样一来就可以做到比较准确位置的清洗，所以减少了水的使用量。这种装置的主要结构为龙门架，还有左右位置以及上面的毛刷。由于该种洗车机清洗小型汽车，结合当前轿车的外形尺寸，可以确定往复式洗车机的机器长为2.2米，宽为3.6米，高为2.9米。

（三）自动洗车机的设计要求

1、原始参数

研发的自动洗车装置的有关数据见表1-1。

表1-1  自动洗车装置有关数据

适用车型	小型汽车
设备尺寸，m	2.2×3.6×2.9
洗车尺寸，m	5.0×2.0×2.0
轨道长度，m	9.6
清洗方式	水洗
洗车能力，辆/小时	20-25辆
设备配置	顶刷1支、侧刷2对

2、自动洗车机运动轨迹及清洗步骤

由于自动清洗设备自身的结构特点，被清洗的车辆是不需要移动的，所以要求清洗设备的相关机构必须保质保量的完成自己所负责区域的清洗工作。因为汽车的外表面并不是规则的平面，所以不同的清洗机构对于汽车表面的运动路线也是不同，所以需要对相关清洗机构进行运动轨迹的分析，这样可以避免一起工作的时候产生干涉的现象，提高清洗效率。

清洗设备最上面安装的刷子叫顶刷，它主要用来洗刷车辆的上表面的灰尘。这个刷子的运动主要由两部分组成，一部分是沿着自己轴身的旋转工作，另一个是与车的上表面做相对运动，相关原理如图2.1所示。绕第一部分的运动可以靠电机驱动的方式来实现，第二部分的运动需要利用清洗设备的框架轨道来实现移动。

图1-1 清洗设备的顶刷运动轨迹原理图

清洗设备的外围安装有侧向清洗刷，它可以对车辆的外围进行清洗处理。考虑到其特殊的工作方式，所以这个刷子也是需要具有两部分运动，第一部分为固定清洗时自身的转动，第二部分是当一个位置清洗完转换到第二个位置的移动，移动的路线如图1-2所示。

图1-2 清洗设备的侧向毛刷移动路线图

对于被清洗车辆的轮毂和轮毂周围的位置就需要用较小的侧刷子来清洗。这个刷子的运动也是由两个部分组成，一部分是自身的旋转便于清洗固定位置，另一个就是整体旋转系统沿着车辆左右两侧往复运动，具体的运动轨迹如1-3所示。

清洗步骤：

1. 首先把车辆停靠在指定区域，并拉好手刹；
2. 启动清洗设备，清洗机开始进入工作状态，向车身移动；
3. 清洗设备的喷水系统启动，喷出高压水流；
4. 清洗设备的刷子开始工作，刷洗车辆的外表面；

在这个过程中，所有的刷子都开始进行旋转运动，上面的毛刷向下移动准备对汽车顶部进行仿形刷洗，小侧刷清洗车辆轮毂和两侧下部。

当大侧刷的刷毛有很大一部分接触到车的表面了，这时清洗设备停止移动，随着大侧刷的清洗，到汽车的后挡风玻璃位置时，上面的刷子下降，进行清洗，这时洗车机暂时停止行走，大侧刷开始清洗车辆后端。

1. 停止刷洗，洗车机沿轨道返回

图1-3 清洗设备的小侧刷移动路线图

二、控制系统硬件设计

（一）可编程控制器的构成

PLC属于一种编程控制系统，它具有特别强大的功能，用户可以利用它进行定时和计数外还有一些运算等操作，它现在被广泛的使用在厨房电器、农业、畜牧业和工业中[11]。这种控制设备其实就是一种应用于工业的计算机，只不过个头不是很大，它的使用需要技术人员编写好程序指令，然后就可以控制相关设备运行，它由这六个方面构成：

1. CPU[12]
2. 存储器
3. 电源
4. 输入/输出单元
5. 接口单元
6. 外接设备

（二）控制系统的硬件构成

在本系统中，往复式洗车机的系统分为以下几个部分：

1. 控制部分。该部分主要通过可编程控制器PLC发布一些指令。
2. 驱动部分。该部分主要是根据控制系统发出指令，电机按照指令进行各种动作。
3. 检测部分。该检测部分主要是对一些位置进行，将检测的数据发送给可编程控制器，以实现对洗车机的操控。

（三）自动洗车设备的控制要求及分析

1、自动洗车设备的相关要求

1. 可以自动清洗车辆的外表面；
2. 毛刷与车辆要有一定的接触，洗车设备才能移动；
3. 如果洗车过程中出现故障，可以随时停止，并且毛刷迅速回位；
4. 设备移动过程中要控制好终点位置，防止脱离轨道，可以在始末位置装上行程开关。

2、自动洗车装置有关的控制部分研究

设计的装置主要由移动机构、三个清洗机构还有水路流道系统等构成。

移动机构主要是利用两台380v的异步电机来实现移动的。此机构若想向前移动就可以让电机正转，机构若想向后移动，就可以让电机反转。为了避免该结构出轨，需要在机构首尾两端装有感测开关，以便控制机构的。

侧面较大的刷子，也需要用两台电机来进行驱动，毛刷的旋转通过电机的启动与停止来控制，当然这个机构也需要安装行程开关，这样可以提高清洗的效率，也可以控制行走小车行走范围。

最上面的刷子，只需要一台电机来进行控制旋转，而且它的要求不高，不需要正反转，只要是旋转就可以了，这个就可以通过电机的开关来实现。在与车身轮廓相近的运动则通过装设的电流互感器[13]，如果刷子与车的表面距离太近，那么与毛刷配套的电机的负载就会变大，这会增加线路上的电流，利用互感器把电流值传递到PLC中，然后PLC[19]会做一个判断，如果大于预设值，就会调整刷子，让它向上移动；移动的过程中，电机还是运转的，这时就有电流持续的传达到PLC中，通过相应的判断，最终确定比较合适的位置，然后再对车辆进行洗刷。

侧面较小的刷子，也需要用两台电机来进行驱动，旋转运动直接靠电机的运动状态实现。

水路流道系统主要是由水泵提供高压水流，然后通过相应的管道喷出，水泵的工作是靠电机驱动。

所以说，若想要这台清洗设备可以正常运动，每一个机构的工作状态都不能出现故障，一旦有一块出现问题，整个清洗系统就会受到影响，导致无法工作。

（四）控制系统的电路设计

从上一节的相关机构运动分析可以知道，清洗设备的前后移动，三种刷子的旋转运动和一些机构的移动还有自动洗车装置的供水都需要采用电力驱动。这种自动清洗设备要求电源为380V的交流电，而且为了完成所有的清洗功能需要11台电机为其工作。控制清洗设备行走的电机要利用KM1、KM3和KM2、KM4控制，他们可以操控清洗设备的前后移动。上面刷子的转动由KM5控制，而KM6、KM7控制另一台电机，通过旋转方向来调整上面刷子的上下移动。KM19、KM15则被设置控制侧面较小刷子的转动。KM8、KM9控制侧面较大刷子的旋转运动，行走小车的两台电机分别由KM10、KM11和KM12、KM13控制其正反转从而实现大侧刷的左右滑动。清水水泵电机由KM16控制其启动与停止。同时为进行过载保护，防止发生危险，在每一个支路电路上加上热保护器。

（五）控制系统I/O点的确定和PLC的选型

1、控制系统的输入元件和输出元件的数量

（1）控制系统输入元件的个数

自动清洗设备的开始与停止需要两个开关。而且为了避免自动清洗装置出现越出预设轨道的行为，需要在设备的前端和后端安装两个可以控制的开关。如果自动清洗设备工作时出现问题，重新启动需要相关机构归位，所以要一个复位开关，方便设备自动归位。侧面较大的刷子要进行有关位置的识别工作，想中间位置，车的前后位置，还有自己的初始位置，这就需要四个行程开关还有两个接近开关。侧面较小的刷子需要识别自己的初始位置，所以要两个行程开关才行。通过分析得知，整个自动清洗设备的输入开关为十三点。

（2）控制系统输出元件的个数

自动清洗设备的前后移动是通过电机的旋转方向实现的，所以需要输出两个开关量。自动清洗设备水泵的启闭要用控制阀实现，需要输出一个开关量。上面的毛刷的旋转需要电动机的启停进行操控，上下移动则是利用电机的旋转方向，所以需要输出开关量两点。大、小侧刷的转动需要通过电动机的启停来控制，因此控制电路中需要控制四个接触器，即需要输出开关量四点。大侧刷的左右滑动利用电机的不同旋转方向来实现，所以需要输出开关量两点。小侧刷的摆动需要两个气缸，因此电路中需要两个电磁阀，即需要输出开关量两点。因此整个系统共有输出开关量十三点。

2、PLC的选型

PLC型号的选择主要由两个方面的参考：

（1）PLC的容量；

（2）PLC的机型。

但是市场上PLC的种类繁多，厂家也是很多，有国外的还有国内的，质量品质也是参差不齐，所以要从三点综合评级：

1）设备的功能

2）设备的价格

3）厂家所能提供的服务

通过上面的分析可以知道，开关量输出18点，输入15点。综合自动清洗设备的应用场地和使用要求，所以选择了西门子S7-200 SMART。西门子这个品牌在客户中的口碑比较好，而且故障率低，售后服务也是非常的到位，深受广大用户的好评，这款PLC的性价比特别高，而且功能强大，并且传输数据方便，市面上常见的网线就可以进行程序的上传和下载工作，还可以支持多种输出方式，所以本次的设计打算选择西门子这个品牌的可编程控制器。

经过综合分析，PLC的选型定为S7-200 CPU SR60，其I/O总数为60点，输入36点，输出24点。所以，本系统PLC为S7-200 CPU SR60是非常合适的。同时为了检测电流变化信号，需要一个EM扩展模块，选用的型号为6ES7-288-3AE04-0AA0 EM AE04模拟量AI模块，4路输入。

（六）PLC的I/O分配表

通过前面相关参数的研究讨论，其I/O分配表如下表2-1和表2-2。

表2-1  输入分配表

输入信号
启动按钮SB1	I0.0
停止按钮SB2	I0.1
复位按钮SB3	I0.2
洗车机汽车前端感测开关SQ1	I0.3
洗车机汽车后端感测开关SQ2	I0.4
大侧刷（左）中间位置开关SQ3	I0.5
大侧刷（右）中间位置开关SQ4	I0.6
大侧刷（左）两侧位置开关SQ5	I0.7
大侧刷（右）两侧位置开关SQ6	I1.0
大侧刷中轴左右移动探测接近开关SQ7	I1.1
大侧刷中轴前后移动探测接近开关SQ8	I1.2
小侧刷（左）原位SQ9	I1.3
小侧刷（右）原位SQ10	I1.4
顶刷上极限位置开关SQ11	I1.5
顶刷下极限位置开关SQ12	I1.6
顶刷电流互感器	AIW16
小侧刷电流互感器	AIW18
EM0_输入2	AIW20
EM0_输入3	AIW20

表2-2  输出分配表

输出信号
洗车机前进KM1、KM2	Q0.0、Q0.2
洗车机后退KM3、KM4	Q0.1、Q0.3
顶刷转动KM5	Q0.4
顶刷上升KM6	Q0.5
顶刷下降KM7	Q0.6
大侧刷转动KM8（左）、KM9（右）	Q0.7、Q1.0
大侧刷（左）向右滑动KM10	Q1.1
大侧刷（左）向左滑动KM11	Q1.2
大侧刷（右）向左滑动KM12	Q1.3
大侧刷（右）向右滑动KM13	Q1.4
小侧刷转动KM19（左）、KM15（右）	Q1.5、Q1.6
水泵喷水KM16	Q1.7
小侧刷（左）电磁阀KM17	Q2.0
小侧刷（右）电磁阀KM18	Q2.1

三、控制系统软件设计

（一）PLC的编程语言

S7-200系列的可编程控制器的主机主要分为两种指令集：IEC1131-3和SIMATIC指令集。第一个指令集是来自国际上的电工委员会（IEC）制定的PLC国际标准1131-3里面特别推荐的一种语言，但是这语言所指导的指令执行时间过久[15]。第二个指令集是S7-200 PLC专属的编程语言，这是西门子公司特意为这款可编程控制器设计的。在这些指令集中有很大一部分都是符合第一种指令的标准。然而第二种指令集对于系统中完全数据类型的检查是不支持的。选择第二种指令集的时候，设计者可以用梯形图、功能块图还有就是语句表等模块进行相关的编程工作[16]。

梯形图与功能块图其实属于一种图形语言；然后对于编程中的语句表则是像似汇编语言中的文本型语言。

1. 梯形图相关的编程语言

梯形图（LAD）其实就是一种图形语言，但是它却与设计的控制电路互相呼应。这种语言采用了继电和串并联等相关术语和相关符号，但是却比之前的符号进行一些简化。这种图形语言是面向对象的、图形化的编程语言，它将有关逻辑操作和控制整合在了一起。这种图形语言在编辑的时候排列的像梯子，所以才这么命名。

1. 功能块图相关的编程语言

功能块图（FBD）其实就好像是最常见的逻辑功能图，然后一个功能块可以在编程语言中代表着一种功能。这种逻辑功能图一般情况下由输入端和输出端组成。输入端代表着逻辑语言中功能块图的有关条件，而输出端则代表着功能块图的有关运算结果。

功能块图和梯形图这两种指令之间可以相互转变，在一些特定的情况下，这两种指令是一样的。

1. 语句表相关的编程语言

语句表（STL）通常被用来表达可编程控制器的有关功能。这种语言有点像计算机的汇编语言，但又没有汇编语言那么复杂，难以理解。它看起来更直观易懂。所以深受用户的喜欢。

（二）PLC编程的一般规则

1. 网络

在梯形图（LAD）中，相关的程序被大家利用网络划分为一些程序段。梯级通过组合或者单独形式的存在构成了梯形图网格。

在编程的功能块图中，通常情况下要利用到网格的有关概念来实现对程序的分段。

在一些语句表程序中，如果想要对一些程度进行分段操作，可以利用网络这个词来实现。

将这三种编程语言进行分段后，若想让他们三个之间相互转换，就可以在编程软件上进行有关的操作，是比较方便的。

1. 梯形图/功能块图

在编程软件中的梯形图里面的左、右垂直线一般情况下被叫做左、右母线。

在使用可编程控制器STEP 7-MicroWIN SMART进行绘图操作时，一般情况下可以将右边的母线省略下去。通常情况下梯形图的输入一直都是在图形的左边位置，位于图形的右边一直是输出。所以左边的母线会和触点连在一起，右母线和线圈或功能框连接在一起，这样一来就会形成一个梯级。通常情况下在一个梯级当中，左、右母线构成了一个特别完整的“电路”，在这其中是不可以“短路”和“开路”的。

在框图的左边位置一直是功能块图中的输入，在框图的右边位置一直是输出。

1. 允许输入端和输出端

在梯形图（LAD）和功能块图（FBD）中，功能框的EN端是允许输入端，功能框的允许输入端必须存在“能流”。这句话的意思就是与之相连的逻辑运算结果为1，只有这样才可以执行该功能框的相关功能。