【毕业设计】A008基于博途西门子1200PLC自动洗车控制系统
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 自动洗车行业发展现状
随着汽车保有量逐年攀升，洗车服务需求持续增长。传统人工洗车效率低、劳动强度大，已难以满足市场需求，自动洗车设备凭借高效、标准化的优势，在加油站、汽车美容店、停车场等场景广泛应用，行业呈现智能化、自动化的发展趋势。
1.1.2 传统洗车控制方式的局限性
传统自动洗车设备多采用继电器逻辑控制，存在明显缺陷：接线复杂导致维护困难，逻辑修改需重新布线，灵活性差；继电器触点易老化，故障率高，影响设备连续运行；缺乏完善的安全保护和状态监控机制，易引发设备损坏或安全隐患。
1.1.3 基于PLC的自动洗车控制系统的应用价值
PLC（可编程逻辑控制器）具有高可靠性、抗干扰能力强、编程灵活等特点，适配洗车设备的工业使用环境。将其应用于自动洗车控制，可简化硬件电路、灵活调整洗车流程，实现自动、手动等多模式控制，同时集成安全保护功能，提升设备运行稳定性和操作便捷性，降低维护成本。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外自动洗车控制系统研究进展
国外自动洗车技术起步早，系统成熟度高。欧美等国家的产品普遍采用高端PLC和传感器，实现了车辆尺寸识别、洗车流程自适应调节等功能，自动化程度和清洗精度较高，但设备成本昂贵，后期维护费用高，难以在国内中低端市场普及。
1.2.2 国内自动洗车控制系统研究现状
国内自动洗车行业发展迅速，多数设备采用性价比高的PLC作为控制核心，实现了基本的自动洗车功能。但部分产品存在控制逻辑单一、安全保护不够全面、人机交互体验不佳等问题，在智能化程度和稳定性上与国外先进产品仍有差距。
1.2.3 现有系统存在的不足与改进空间
现有系统的主要不足包括：洗车流程固定，难以适配不同车型和污渍程度；安全保护机制不完善，缺乏人员误入检测等功能；故障诊断能力弱，维护效率低。改进方向可围绕优化控制逻辑、丰富安全保护功能、提升人机交互体验展开，增强系统的实用性和可靠性。
1.3 研究内容与技术路线
1.3.1 主要研究内容
本研究设计基于西门子S7-1200PLC的自动洗车控制系统，核心内容包括：分析系统功能需求，确定自动、手动、复位三种控制模式；完成硬件选型与电路设计，包括PLC、执行机构、检测元件的选型及接线；基于博途软件进行PLC程序编写和HMI界面设计；通过仿真调试验证系统功能。
1.3.2 技术方案与实施路线
技术方案以S7-1200PLC为控制核心，搭配西门子TP1200 HMI实现人机交互，通过限位开关、按钮等检测输入信号，控制电机、电磁阀等执行机构动作。实施路线分为四阶段：需求分析与方案设计→硬件选型与电路搭建→软件编程与界面设计→仿真调试与优化。
1.4 论文结构安排
论文共七章，依次为：绪论（阐述研究背景、意义及技术路线）、系统相关技术与设备概述（介绍PLC、HMI及核心组件）、系统总体方案设计（功能需求与架构规划）、系统硬件设计（选型、I/O分配与电路设计）、系统软件设计（程序与界面开发）、系统仿真与调试（功能验证与优化）、总结与展望（成果总结与改进方向）。
第二章 系统相关技术与设备概述
2.1 可编程逻辑控制器（PLC）技术
2.1.1 PLC工作原理与特点
PLC以微处理器为核心，通过循环扫描模式工作：先采样输入信号存入映像寄存器，再执行用户程序计算输出结果，最后刷新输出端子驱动执行机构。其核心特点包括：抗干扰能力强，适配潮湿、多尘的洗车环境；编程灵活，支持梯形图等多种语言，便于逻辑修改；可靠性高，平均无故障工作时间长，满足设备连续运行需求。
2.1.2 西门子S7-1200PLC系列介绍
西门子S7-1200PLC是中小型自动化系统的主流选择，本研究选用CPU 1214C DC/DC/DC型号，集成14路数字量输入和10路数字量输出，可直接连接传感器和执行机构，无需额外扩展模块；支持Profinet通信协议，能与HMI快速建立数据交互，运算速度快，可高效处理洗车流程的时序控制逻辑。
2.1.3 博途（TIA Portal）软件平台功能
博途软件是西门子全集成自动化平台，集成编程、组态、仿真功能于一体。支持PLC与HMI的统一项目管理，可通过拖拽方式完成设备组态；内置丰富的指令库，简化程序编写；具备仿真功能，无需实际硬件即可测试程序逻辑，降低开发成本，提升设计效率。
2.2 人机界面（HMI）技术
2.2.1 HMI工作原理与作用
HMI是人与设备的交互媒介，通过通信接口与PLC建立连接，实时读取设备运行状态并以图形、指示灯等形式显示；同时接收用户操作指令（如启动、模式切换），传输给PLC驱动设备动作。其核心作用是实现可视化操作，降低操作门槛，方便操作人员监控设备状态。
2.2.2 西门子TP1200 Comfort精智面板特性
该面板采用高分辨率触摸屏，显示清晰、操作灵敏；支持多语言显示，适配不同使用场景；具备丰富的通信接口，可与S7-1200PLC无缝对接，数据传输稳定；内置图形库，可快速设计控制按钮、状态指示灯等界面元素，满足洗车系统的交互需求。
2.3 自动洗车控制系统核心组件
2.3.1 执行机构（电机、电磁阀等）
执行机构是系统的动力输出单元：传送带电机驱动洗车机左右移动，刷子电机控制刷子旋转刷洗；电磁阀包括喷水阀、清洁剂阀，分别控制清水和清洁剂的喷洒；风机用于洗车后的吹干作业，所有执行机构通过PLC输出信号控制启停。
2.3.2 检测元件（限位开关、传感器等）
检测元件为控制逻辑提供信号支持：右极限位开关（SQ1）和左极限位开关（SQ2）检测洗车机移动的极限位置，防止设备过载；按钮（如急停按钮、启动按钮）接收用户操作信号；所有检测元件输出的开关量信号接入PLC输入端子，作为程序执行的判断依据。
2.3.3 控制回路相关电气元件
控制回路核心元件包括接触器、热继电器、熔断器等：接触器（KM1-KM4）用于控制电机、风机的电源通断；热继电器（FR1-FR3）实现电机过载保护；熔断器（FU1）用于电源回路短路保护；这些元件配合PLC实现执行机构的安全、稳定控制。
第三章 系统总体方案设计
3.1 系统功能需求分析
3.1.1 基本控制功能（自动/手动模式）
自动模式：按下启动按钮后，系统按预设流程自动完成右移喷水刷洗、左移喷水刷洗、喷清洁剂、刷洗、清水冲洗、风干等全步骤，无需人工干预。手动模式：通过旋钮开关单独控制洗车机左移/右移、喷水、喷清洁剂、刷子动作、风机启停，用于设备调试或特殊清洗需求。
3.1.2 安全保护功能（急停、限位保护等）
急停功能：按下急停按钮（SB1），所有执行机构立即停止动作，保障人员和设备安全；限位保护：洗车机触达左/右极限位开关时，立即停止对应方向移动，防止设备碰撞损坏；过载保护：电机过载时，热继电器动作切断电源，保护电机免受过损。
3.1.3 状态指示与交互功能
状态指示：通过HMI界面和指示灯显示控制模式（自动/手动）、运行状态（运行/停止）、复位状态等；交互功能：支持模式切换、启动/停止操作，故障时发出报警提示，复位完成后显示复位成功信号。
3.2 系统总体架构设计
3.2.1 硬件架构设计
硬件架构以S7-1200PLC为核心，分为三层：输入层（限位开关、按钮、旋钮开关），负责采集信号；控制层（PLC、HMI），处理信号并输出控制指令；输出层（电机、电磁阀、指示灯），执行控制动作。各层通过导线或通信线路连接，构成完整的硬件控制网络。
3.2.2 软件架构设计
软件架构基于博途软件，分为PLC程序模块和HMI界面模块：PLC程序模块包括控制模式选择、动作控制、安全保护、时序控制等子程序；HMI界面模块包括模式选择界面、自动运行监控界面、手动操作界面、状态指示界面，两者通过变量关联实现数据交互。
3.3 控制模式规划
3.3.1 自动模式工作流程规划
自动模式按以下流程运行：启动→右移+喷水+刷子刷洗→右限位触发→左移+喷水+刷子刷洗→左限位触发→右移+喷清洁剂→右限位触发→左移+喷清洁剂→左限位触发→分段刷洗→清水冲洗→风干→左限位触发→流程结束。
3.3.2 手动模式操作逻辑规划
手动模式下，各动作独立控制：通过旋钮开关（SA1-SA6）分别控制洗车机左移、右移、喷水、刷子动作、喷清洁剂、风机启停；动作触发后，需手动关闭旋钮开关才能停止，同时受限位保护和急停功能约束。
3.3.3 复位模式功能设计
复位模式用于故障或停电后的设备恢复：按下复位按钮（SB2），所有执行机构停止动作，洗车机自动左移，触达左极限位开关（SQ2）后停止，复位指示灯（HL2）亮起，表明设备回到原点，可重新启动自动模式。
第四章 系统硬件设计
4.1 PLC选型与I/O分配
4.1.1 PLC型号确定（CPU 1214C DC/DC/DC）
选用西门子CPU 1214C DC/DC/DC型号PLC，其14输入/10输出的I/O配置可满足系统所有检测信号采集和执行机构控制需求，DC/DC/DC类型支持直流电源供电和晶体管输出，适配洗车设备的电气环境。
4.1.2 输入信号I/O分配表
4.1.3 输出信号I/O分配表
4.2 硬件电路设计
4.2.1 主电路图设计（电机、接触器等回路）
主电路采用三相交流电源供电，电源进线端设置总开关（QS）和熔断器（FU1），实现短路保护；传送带电机、刷子电机、风机分别通过接触器（KM1-KM4）控制电源通断，各电机回路串联热继电器（FR1-FR3），实现过载保护；电机采用星形或三角形接法，适配电源电压需求。
4.2.2 控制回路接线图设计
控制回路采用DC24V直流电源供电，PLC输入端子连接限位开关、按钮、旋钮开关，所有输入信号经公共端（1M）形成回路；PLC输出端子连接接触器线圈、电磁阀、指示灯，输出信号经公共端（3L+）驱动外部设备；急停按钮采用常闭触点，串联在控制回路中，确保紧急情况下切断控制电源。
4.2.3 电源回路与保护电路设计
电源回路分为主电源和控制电源：主电源为三相380V，给电机、风机供电；控制电源通过变压器将380V交流电转换为DC24V，给PLC、HMI、电磁阀等供电。保护电路包括短路保护（熔断器）、过载保护（热继电器）、急停保护（急停按钮），全方位保障设备和人员安全。
4.3 外部设备选型与接线
4.3.1 执行机构选型（接触器、电磁阀等）
接触器选用CJX2系列，额定电流适配电机功率，线圈电压为DC24V，与PLC输出兼容；电磁阀选用两位五通型，工作压力满足喷水、喷清洁剂需求，线圈电压DC24V；电机选用三相异步电机，功率根据洗车机负载确定，确保动力充足。
4.3.2 检测元件选型（限位开关、按钮等）
限位开关选用机械触点式，防护等级IP65，适配洗车潮湿环境；按钮选用工业级自锁/非自锁按钮，急停按钮采用红色蘑菇头式，便于紧急操作；旋钮开关选用两档转换型，用于手动模式下的动作控制。
4.3.3 人机界面与PLC接线设计
HMI与PLC通过Profinet总线连接，采用RJ45网线接入PLC的PN接口；HMI电源选用DC24V，与PLC控制电源共用，确保供电稳定；接线时注意信号线与动力线分开布置，减少电磁干扰，保障数据传输可靠性。
第五章 系统软件设计
5.1 软件开发环境搭建
5.1.1 博途软件安装与项目创建
安装博途V15及以上版本，创建新项目并命名为“自动洗车控制系统”；在项目中添加PLC设备，选择CPU 1214C DC/DC/DC型号，配置固件版本；添加HMI设备，选择TP1200 Comfort精智面板，完成设备添加。
5.1.2 PLC与HMI设备组态
在博途软件的“设备和网络”界面，对PLC和HMI进行组态：设置PLC的IP地址，如[192.168.0.1](192.168.0.1)；HMI的IP地址与PLC在同一网段，如[192.168.0.2](192.168.0.2)；建立PLC与HMI的通信连接，选择Profinet协议，确保两者能正常数据交互。
5.1.3 设备网络连接配置
配置PLC的PN接口参数，启用Profinet IO通信；在HMI的通信设置中，添加PLC作为通信伙伴，输入PLC的IP地址和设备名称；测试通信连接，确保HMI能正常读取和写入PLC变量，为后续程序编写和界面设计奠定基础。
5.2 PLC程序设计
5.2.1 程序总体结构规划
PLC程序采用模块化设计，主程序（OB1）为核心，包含控制模式选择、动作控制、安全保护、时序控制等程序段；通过全局变量实现各程序段的数据共享，采用中间变量实现动作逻辑的连锁控制，确保程序结构清晰、易于维护。
5.2.2 主程序（OB1）设计
主程序按循环扫描方式执行，首先扫描输入信号，更新输入映像寄存器；然后依次执行各功能程序段，根据输入信号和程序逻辑计算输出结果；最后刷新输出映像寄存器，驱动外部设备动作；主程序中包含急停逻辑，确保任何情况下急停信号都能优先响应。
5.2.3 控制模式选择程序段设计
通过按钮信号控制模式变量（%MW100）：按下自动模式按钮（SB3），模式变量设为0，自动模式指示灯（HL3）亮；按下复位按钮（SB2），模式变量设为1，复位模式指示灯（HL2）亮；按下手动模式按钮（SB6），模式变量设为2，手动模式指示灯（HL4）亮；模式切换时，先停止当前所有动作，确保切换安全。
5.2.4 动作控制程序段设计（左移/右移、喷水、刷子等）
动作控制程序段接收模式控制信号和手动开关信号，输出控制指令：左移控制由手动左移开关（SA1）或自动左移控制变量触发，同时受左极限位开关（SQ2）限制，触达限位后停止左移；右移控制逻辑与左移类似；喷水、刷子、喷清洁剂、风机动作分别由对应开关或自动控制变量触发，独立控制启停。
5.2.5 自动模式流程程序设计（多步骤控制）
自动模式流程通过步骤变量（%MW102）控制，按预设流程依次执行：步骤10（回原点）→步骤20（右移+喷水+刷子）→步骤30（左移+喷水+刷子）→步骤40（右移+清洁剂）→步骤50（左移+清洁剂）→步骤60-100（分段刷洗）→步骤120-130（清水冲洗）→步骤140-150（风干）→步骤结束；每个步骤通过定时器控制动作时长，通过限位开关触发步骤切换。
5.2.6 手动模式控制程序设计
手动模式下，程序直接读取旋钮开关信号：SA1闭合，Q0.0输出（左移）；SA2闭合，Q0.1输出（右移）；SA3闭合，Q0.4输出（喷水）；SA4闭合，Q0.2输出（刷子）；SA5闭合，Q0.5输出（清洁剂）；SA6闭合，Q0.3输出（风机）；同时加入限位保护逻辑，防止手动操作时设备超出极限位置。
5.2.7 安全保护程序设计（急停、限位逻辑）
急停逻辑：急停按钮（SB1）闭合时，所有输出变量置0，停止所有动作；限位保护逻辑：洗车机右移触达SQ1时，Q0.1（右移）置0；左移触达SQ2时，Q0.0（左移）置0；过载保护逻辑：热继电器触点信号接入PLC输入，触发过载时停止对应电机动作，并发出报警提示。
5.3 变量定义与数据类型设计
5.3.1 PLC内部变量定义
内部变量包括状态变量、控制变量、定时器变量等：状态变量用于存储设备运行状态（如是否在自动模式、是否复位完成）；控制变量用于触发动作执行（如自动左移控制、自动喷水控制）；定时器变量用于控制动作时长（如刷洗5s、移动3s），数据类型均为Bool或Int，适配PLC运算需求。
5.3.2 全局变量与局部变量规划
全局变量用于各程序段之间的数据共享，如模式变量（%MW100）、步骤变量（%MW102）、限位状态变量等，存储在PLC的全局数据块中；局部变量用于单个程序段内部运算，如定时器值、临时逻辑变量，仅在所属程序段中有效，避免变量冲突。
5.3.3 中间变量设计与作用
中间变量（如%M200.0-%M200.7）用于实现逻辑连锁和状态锁存：例如，自动模式启动后，通过中间变量锁存启动状态，防止误操作；动作执行时，通过中间变量实现动作之间的互锁（如左移和右移不能同时执行），确保动作逻辑严谨。
5.4 HMI界面设计
5.4.1 HMI画面总体布局
HMI画面分为四个区域：控制模式选择区（自动/手动/复位按钮）、自动运行监控区（步骤显示、倒计时）、手动操作区（各动作控制按钮）、状态指示区（运行状态、报警提示）；界面采用简洁明了的布局，按钮和指示灯尺寸适中，便于操作人员快速识别和操作。
5.4.2 控制模式选择界面设计
模式选择界面设置三个按钮：自动模式、手动模式、复位模式，按钮按下后变色显示当前模式；界面下方显示对应模式指示灯，与PLC输出状态同步；模式切换时弹出确认提示，防止误操作。
5.4.3 自动运行监控界面设计
自动运行监控界面显示当前洗车步骤（如“右移+喷水+刷子”）、步骤倒计时（如“3s”）、设备位置状态（左限位/右限位）；通过动态图标模拟洗车机移动和刷子动作，让操作人员直观了解运行进度；自动运行时显示自动运行指示灯（HL1），流程结束后提示“洗车完成”。
5.4.4 手动操作界面设计
手动操作界面按动作类型布局：洗车机移动（左移/右移按钮）、喷洒控制（喷水/清洁剂按钮）、刷洗控制（刷子按钮）、风干控制（风机按钮）；按钮采用自锁式设计，按下开启，再次按下关闭；界面显示各动作的运行状态，与PLC输出同步。
5.4.5 状态指示与报警界面设计
状态指示界面显示所有指示灯状态（自动运行、模式指示、复位指示），实时反映设备运行状态；报警界面列出故障类型（如急停触发、过载、限位异常），故障发生时弹出报警窗口并发出声光提示，故障排除后可手动复位报警。
第六章 系统仿真与调试
6.1 仿真环境搭建
6.1.1 PLC程序仿真配置
在博途软件中启用PLC仿真功能，创建仿真项目，将编写好的PLC程序下载到仿真PLC中；配置仿真PLC的IP地址，与HMI仿真地址在同一网段；启用输入信号仿真功能，通过仿真面板模拟限位开关、按钮、旋钮开关的通断状态。
6.1.2 HMI与PLC仿真连接设置
在HMI仿真设置中，选择“与仿真PLC通信”，输入仿真PLC的IP地址和设备名称；启动HMI仿真运行，建立HMI与仿真PLC的通信连接；测试通信稳定性，确保HMI能正常读取PLC变量状态，并能向PLC发送控制指令。
6.2 分模块调试
6.2.1 控制模式切换功能调试
分别按下自动、手动、复位模式按钮，观察HMI界面模式显示和PLC输出指示灯状态，验证模式切换是否正常；测试模式切换时是否停止当前动作，确保切换逻辑严谨。
6.2.2 单个动作控制程序调试（左移/右移、喷水等）
手动模式下，操作各动作控制按钮，观察PLC输出状态和仿真设备动作，验证左移、右移、喷水、刷子等动作是否正常响应；测试限位保护功能，模拟触达左/右限位，观察动作是否停止。
6.2.3 安全保护功能调试
模拟急停触发：按下急停按钮，观察所有动作是否立即停止；模拟过载故障：触发热继电器信号，观察对应电机是否停止动作，报警是否正常；测试故障排除后，设备是否能正常重启。
6.3 整体系统联调
6.3.1 自动模式完整流程仿真测试
启动自动模式，按预设流程执行洗车步骤，观察各步骤的动作顺序、时长控制、限位触发是否符合要求；重点测试步骤切换是否流畅（如喷水与喷清洁剂的切换、刷洗与风干的切换），流程结束后是否正常停止并显示“洗车完成”。
6.3.2 手动模式操作功能测试
在手动模式下，依次操作各动作控制按钮，测试动作的独立性和互锁逻辑（如左移和右移不能同时执行）；测试动作启停是否灵活，状态显示是否准确。
6.3.3 异常情况（急停、限位触发）测试
自动模式运行过程中，模拟急停触发，观察设备是否立即停止，急停解除后是否需要复位才能重新启动；模拟洗车机运行中触达限位，观察是否停止对应方向移动，是否能正常切换下一步骤。
6.4 调试结果分析与优化
6.4.1 调试中发现的问题及解决措施
常见问题及解决措施：①步骤切换不及时：调整定时器参数，优化程序扫描周期；②动作互锁失效：检查中间变量逻辑，完善互锁条件；③HMI与PLC通信中断：重新配置通信参数，检查网络连接；④限位保护误触发：调整限位开关信号滤波时间，避免干扰信号影响。
6.4.2 程序与界面优化方案
程序优化：简化冗余逻辑，提高程序执行效率；增加故障诊断逻辑，便于快速排查问题；优化定时器参数，使洗车流程更合理。界面优化：调整按钮和指示灯布局，提升视觉体验；增加操作提示文本，降低操作难度；优化报警提示方式，让故障信息更直观。
第七章 总结与展望
7.1 论文工作总结
本研究完成了基于博途西门子1200PLC的自动洗车控制系统设计，主要工作包括：分析系统功能需求，确定控制模式和工作流程；完成硬件选型、I/O分配和电路设计；基于博途软件编写PLC程序和设计HMI界面；通过仿真调试验证系统功能，解决了传统洗车控制的诸多弊端。
7.2 系统设计与实现成果
设计的系统具备以下成果：①实现自动、手动、复位三种控制模式，满足不同使用场景需求；②具备完善的安全保护功能（急停、限位、过载），保障设备和人员安全；③HMI界面可视化程度高，操作便捷；④系统运行稳定，洗车流程规范，清洗效率和质量优于传统设备。
7.3 研究存在的不足
研究存在的不足：①自动模式流程固定，无法根据车辆污渍程度自适应调整；②未考虑多车连续洗车场景，缺乏排队和预约功能；③故障诊断功能较为基础，仅能提示故障类型，无法精确定位故障位置。
7.4 未来改进与发展展望
未来改进方向：①引入传感器检测车辆污渍程度，优化洗车流程参数，实现自适应清洗；②增加车辆检测模块，支持多车连续洗车和预约功能；③升级故障诊断系统，结合物联网技术实现远程监控和故障预警；④优化节能控制策略，降低水资源和电能消耗，实现绿色环保洗车。
结束语
本研究设计的基于博途西门子1200PLC的自动洗车控制系统，通过硬件与软件的协同设计，实现了洗车流程的自动化、智能化控制，有效解决了传统洗车设备的局限性。该系统具有可靠性高、操作便捷、维护成本低等优点，可广泛应用于各类洗车场景，为自动洗车行业的发展提供技术支持。
致谢
感谢指导老师在研究过程中的悉心指导，感谢实验室提供的硬件设备和软件平台支持，同时感谢同学在项目开发和论文撰写过程中给予的帮助。
参考文献
[1] 西门子S7-1200PLC编程与应用手册. 西门子（中国）有限公司, 2020.
[2] 博途TIA Portal软件操作指南. 西门子工业软件（上海）有限公司, 2019.
[3] 自动控制系统设计原理与实践. 机械工业出版社, 2021.
[4] 工业人机界面（HMI）设计与应用. 电子工业出版社, 2022.
附录
附录A 系统I/O分配表完整版
（含详细的输入/输出地址、元件名称、符号、作用说明、关联变量）
附录B 硬件接线图完整版
（主电路图、控制回路接线图、电源回路图、HMI与PLC接线图）
附录C PLC程序代码清单
（主程序OB1及各子程序的梯形图/结构化文本代码）
附录D HMI界面设计截图
（各功能界面的设计截图，含模式选择、自动监控、手动操作、状态指示界面）
