跑道指引灯自动清洗系统设计毕业设计论文.docx

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跑道指引灯自动清洗系统设计毕业设计论文

本科生毕业论文（设计）

中文题目跑道指引灯自动清洗系统设计

中文摘要

作者根据国内外跑道指引灯自动清洗的设计情况，依照工作实际需求和清洗目标，完成跑道指引灯自动清洗装置的控制系统的设计，并按照需求设计工作流程。

本文详细讲解了利用西门子PLCS7-200的跑道指引灯自动清洗系统的实现流程，从硬件搭建与软件仿真两方面论述。

装置采用立式结构安装，外设热风扇、电动刷及电磁水箱，用来实现系统烘干和清洗的任务。

从机具有数据处理功能，能够测量指引灯的光照强度，反馈其清洁程度，及时控制系统的运行。

使用西门子触摸屏设计方便、直观的人机界面，全面提高系统的控制水平以及自动运行能力。

关键词清洗自动人机界面可编程

外文摘要

TitleDesignoftheautomaticcleaningsystemfortherunway light

Abstract

Authoraccordingtothedomesticandforeignrunwayguidelampautomaticcleaningofthedesign,accordingtothecleaningrequirementsandactualneedofwork,runwaydesignguidelampautomaticcleaningdevicecontrolsystem,andaccordingtotheneedsofthedevelopmentofcleaningprocess.ThispaperexplainstherealizationprocessoftheautomaticcleaningsystemoftherunwayguidedlightbySIEMENSS7-200PLC,anddiscussesthetwoaspectsofthehardwareandsoftwaresimulation..Themainengineadoptsthefixedstructure,theperipheraldryingheatfan,theelectricbrushandtheelectromagneticwatertank,forthepurposeofcleaninganddryingthesystem..Frommachinewithdataprocessingfunction,canmeasurethelightintensityofthelightintensity,feedbackitscleanness,andcontroltherunningofthesystemintime.UseSIEMENStouchscreentodesigntheoperationinterfaceoftheintuitiveandeasy,improvethecontrollevelandautomaticoperationabilityofthesystem.

KeywordsCleanAutomaticInterfaceProgrammable

1绪论

1.1背景与意义

20世纪，人们发明了飞机,随着社会的进步,飞机早就融入了人们的生活。

飞机起初是国家武装力量的重要保障，现在也广泛应用于民用中,所以保证飞机的安全至关重要。

跑道指引灯，还被称为机场助航灯，它关系到飞机的安全方面的问题[1]。

跑道指引灯和地标相似，都归类为机场里面的辅助装置，它的任务是为了稳定地指引飞机平稳地着陆，特别对于飞机飞行在周围清晰度差的情况。

飞行员依附这些灯光的提示，单纯凭借目光察看，可以在晚上、黑暗环境及天气因素等前方不清晰的情况下，掌握机场飞行跑道的准确位置信息，从而操控飞机安全地着陆。

飞机在降落或者是飞起来的过程中，由于滑行路面与机轮之间存在接触，摩擦速度很快会产生固体颗粒。

不单单如此，尾气排放也会造成污染，污染物落在灯罩表面，长时间形成污垢。

跑道灯的亮度便因此相对地下降，光线强度的变化会直接影响飞机驾驶员的目视判断。

所以跑道灯的清洁维护变得尤为重要，及时对跑道灯表面的清洗工作直接影响到飞机安全着陆问题。

目前，机场一般选择光源的光强控制系统是基于白炽灯，基于跑道灯的清理预期设计了一套自动清洗系统。

该清洗控制系统可以完成飞机指引灯的全自动清洗,并且清洗次数可以根据灯光目标亮度进行调整。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外技术概况

人们生活与清洗紧密联系，清洗在中国工业方面，从简单的、落后的、传统的清洗成为了一个产业的现代化专业技术的必须，发展成我国现代化工业和当今社会文明的主流趋势[2]。

清洗按照涉及方面不一样被划分成工用和日用2种清洗形式；清洗的工用是指在工业操作流程用到的洗涤，而日用洗涤是老百姓平时生活中密不可分的行为。

工用清洗按照精细程度可以划为一般、精细和超细精三种方式；一般清洗主要针对较大固体颗粒；精细清洗主要针对细小的颗粒物；超精细洗涤能清除微小粒子[3]。

尽管大家日常生活离不开清洗这一行为,但中国清洗行业的理念呈现的却很晚很晚，1980年之前还没有。

20世纪90年代初，北京大学等部门在从前的环保局号召下，而且获取了国家的允许，在相关国家方案里第一次建议清洗事业理念。

这几年,跟着经济能力的升高及科技成长,清洗事业已经慢慢走近人们的视线中。

到现在,国内已经有千余家企业投入到研制设备用于清洗的大潮中。

我国在这个行业普遍处于手工和化学溶剂等方式,其中化学方式占据我国清洗市场70%之多,但是其不仅浪费时间和资源,也会威胁操作人员的安全。

中国在航空航天方面,落后的手工清洗工艺一直存在,还有就是运用了很多地化学洗涤溶剂,这类方法不单单浪费的洗涤剂资源，还会对身体健康和生活环境造成不良影响。

在飞机的清洗方面，很多国家都已经掌握了高超的技术水平，并且具有成熟的操作装置。

普拉特惠特尼公司（隶属加拿大）制造了一套系统用于全自动清洗,应用其在飞机发动机清洗方面有了较好的效果。

它通过清水的高压化替换了从前的化学工业溶剂[4],降低花销,并且无污染,同时能够在短时间内处理曾经繁琐的流程,大大降低整体的工作时间。

马格纳斯清洗机由美国航空公司生产，它通过特殊溶剂和水溶液,能够用2小时完成发动机轴承洗涤工作,提高了5倍工作效率，而过去的工作方式耗时大约8时[5]。

由于中国经济的进步和科学水平的提高，目前有很多洗涤装置的研究和制造。

其中对于灯罩的洗涤，在汽车行业获得了普及。

汽车大灯在市面上的清洗装置，通过出水口设计，随时对前灯上的灰尘等污垢进行清洗，普遍采用高压擦洗，得到广泛的认可。

由于文明的进步,大家开始发现这个行业的未来前景,它既体现了我国科技的先进，也映射出国民生活质量[6]。

1.2.2发展趋势或当前存在的问题

目前国内外对于跑道指引灯的清洗一般依赖人工操作和喷淋式清洗。

前者用工业介质和水通过人为擦拭的方式，后者是在指引灯周围布置若干喷嘴[7-8]，水泵将洗涤剂加压至喷嘴对灯罩外观冲洗达到去污目的。

人工操作效率低，由于天气的变化，尤其北方寒冷地区，往往会因为擦拭不干导致灯上面会形成冰层，严重影响跑道灯的亮度。

喷涌方法效果差，浪费资源。

综上所述，开展机场指引灯自动清洗系统的设计和研制不但有助于飞机安全，还能实现无污染操作，响应绿色工业事业。

1.3本文的研究内容

本文主要负责跑道指引灯自动清洗装置的研制：

（1）设计一种检测方案反映跑道灯是否符合规定的亮度，根据其亮度值及时对跑道灯进行清洗。

（2）设计一种洗涤流程，全面迅速地完成灯罩清洁工作。

（3）设计快速的烘干方式，对灯罩进行干燥处理。

（4）系统优化调试，实现减排。

基于西门子公司的s7-200，设计一套跑道指引灯自动清洗系统。

将跑道灯置于装置中，检测装置测试跑道灯光照强度，判断其清洁程度，不达标进行清洗，主控装置控制转盘转动，驱动电刷和水枪对灯罩各个方位进行清洗，清洗周期结束，主机控制回收装置收集污水并控制热风扇烘干灯罩，检测装置再次进行达标测试并重复以上流程直至清洗彻底。

系统整体设计要求高效，主要从效果和控制考虑，具体设计指标如下：

（1）检测装置通过数据采集和数模转换获得跑道灯的光照强度，总结光强与灯罩清洁程度的关系，分析得出标准光强，经过系统操作，清洗效果控制在标准光强的±10%。

（2）跑道指引灯的控制采用触摸屏的触控方式，可自动控制，也可以手动操作。

1.4工作安排

本论文为了实现跑道指引灯自动清洗系统的设计，力求系统装置的先进性、科学化。

本文应用了PLC来实现跑道指引灯自动清洗装置的控制系统，分析了该系统软件及硬件的设计方法，经过实验验证，该系统的实现简单、经济，能够完成自动清洗任务，实时保证指引灯的清洁，提高指引灯工作亮度。

本文简述了指引灯自动清洗装置的背景意义以及查阅、调研的情况，指出指引灯用途，提出自动清洗设计方案。

该系统可以实现自动控制和实时保证指引灯的清洁程度。

本文还对西门子平台S7-200的由来、发展、功能等进行了介绍，同时对跑道指引灯自动清洗装置的设计进行了详细的阐述。

2系统整体设计

2.1方案的选择

跑道指引灯自动清洗系统设计方案有以下三种：

方案一：

以继电装置等基本元件构成控制系统，实现控制要求。

方案二：

用单片机做整体枢纽设计装置，实现功能。

方案三：

利用可编程控制器建立整体装置，完成设计。

方案论证及可行性分析如下：

方案一为单一的硬件电路，控制逻辑简单，但是过分靠继电装置控制，硬件较为复杂，搭建和检测的工作量太大，电路易产生故障，稳定性较差，出现问题难以解决，不适合运行维护，并且控制精度很低。

方案二为单片机控制系统，它拥有重量轻、抗干扰、能耗少的好处，但是其编程难度高，调试更改系统不方便，处理大功率器件时兼容性差，驱动能力不稳定。

方案三利用可编程控制器建立整体装置，PLC小巧、轻便，集成度高，编程方便，扩展能力和功能强，安装调试方便，可靠性高，不易受干扰，此外它的精度高、速度快，深得工控系统的喜爱。

跑道指引灯自动清洗系统设计上，要求控制精度和运行速度，驱动器件功率较大，综合以上方案优缺点，确定采用方案三，采用PLC来完成系统整体设计。

2.2PLC的介绍

19世纪中叶，为解决古板操作装置的不足，初期PLC涌现出来，一般称为可编程控制器[9]。

随着技术的发展，这种装置在机械制造、冶金炼铁、汽车交通等领域有着广泛的应用。

PLC现在已然成为现代工业环境的宠儿，它稳定、精度高、运行快，抗扰能力卓越[10]。

PLC厂商目前市场上种类繁多，他们应用于多个方面。

项目选用SIMATIC S7-200做核心控制器，它可用在很多自动化系统，通过直流24V电源供电，由输入/输出接口、PC主机和讯口三个部分构成，配备24个输入/输出点，便于配合外设电路[11-12]。

PLC在生产或实验时，首先要求用户将程序代码下载至存储器，运行启动时则根据输入信号和程序进行运算处理，接着通过输出信号驱动操作电路，实现工业控制[13]。

CPU主机面板如图1-1所示：

图2.1PLC主机面板图

3系统的硬件设计

3.1系统整体结构

本设计采用西门子公司S7-200作为控制核心，控制电磁水箱、电动刷、光强送变器、烘干风扇等完成跑道指引灯自动清洗系统的设计。

图3.1为跑道指引灯自动清洗装置结构图。

其中：

装置1为电磁水枪，装置2为电动刷，装置3为跑道灯，装置4为检测器，装置5为烘干风扇，装置6为底盘，装置7为污水回收装置。

图3.1跑道指引灯自动清洗装置硬件模拟图

（1）电磁水枪：

提供水源，冲洗跑道灯灯罩的灰尘。

（2）电动刷：

洗刷跑道灯上的污渍。

（3）底盘：

固定水枪、电动刷、烘干风扇等操作单元。

（4）亮度检测器：

检测跑道灯的亮度。

（5）烘干风扇：

烘干跑道灯表面的水滴。

（6）污水回收装置：

将清洗的污水回收起来。

减少污染。

装置主要包括监视模块（光照强度检测），处理单元（信号转换），执行单元（清洗控制），人机接口界面（触摸控制），图3.2为全体逻辑框架图，接下来我将从以上几个模块对硬件设计展开详细说明。

图3.2系统逻辑框图

3.2采集模块

3.2.1光强的检测

光发射机是一种高灵敏度传感器，其配备高精度线性放大集成板，对光线变化十分敏感。

通过严格的测试，具有多种测量范围的实践和信号输出型生产轻质产品。

传感器外形采用壁挂式设计，机构小巧，外形美观，是一款性价比很高的测量产品。

传感器实物如图3.3所示，该设备包含3个外部引脚，红（正）、黑（负）、兰（模拟量输出），接线方式采用电压式接法，具体如图3.4所示。

图3.3光强变送器实物图图3.4光强变送器接线图

下面的是光强送变装置技术指标：

（1）供电：

0--10mA输出型

（2）装配：

壁挂式（室内型）

（3）输出：

0--10V电压值

（4）量程：

0--2000Lux（1Lux）

（5）精度：

正负5%

测试参数：

（测试距离为正向8cm）

（1）全阴影：

0.15V

（2）半阴影：

0.61V

（3）日光：

1.45V

（4）微光：

1.75V

（5）强光：

2.92V

注：

当光源逼近传感器，随光强增强，电压值近似线性增长，峰值为10v，当光源远离传感器，随光强减小，电压值近似线性减小，最低值接近0V。

3.2.2模拟量扩展模块

本设计控制器采用的CPU型号，自己无法处理模拟量，但可以对数字量信号进行处理、分析，由于本次需要对模拟量进行处理，故需要额外扩展模块的辅助，该扩展模块可以把模拟信号进行转化处理[14]。

本装置中光照强度需要利用该模块转换信号，处理后的结果再传到控制器。

用于模拟量转换的扩展模块分为输入和输出型两种[15]，我们选用EM231作为模拟量输入扩展，它拥有4路通道，因为光强检测只需要一路输入即可，所以这个选择能够实现设计要求。

光强变送器输出的信号为电压信号，将这个信号串联在EM231的外部接线端上，数据送至AIW0，下图3.5为EM231内部图，输入通道共有4组，其中A组为电压输入方式，信号串联在A+和A-之间，另外的三组没有使用，将它们的正负端直接短接，利用模块的精度开关设置合适参数[16]。

图3.5EM231内部图

3.3执行模块

3.3.1喷水

清洗系统的水源由水阀来控制，常用的水阀有电磁阀和电动阀，电磁阀控制开关量，而电动阀控制模拟量，通过控制阀的开度来控制水速和水量。

本设计用电磁阀即可实现功能，电动阀控制要求较高，因此选择电磁阀作为喷水的执行单元。

系统使用24V开关电源，CPU224、EM231、继电器、电机和光照强度变送器均由开关电源供电，为减小负载，电磁阀采用AC220V控制，控制器间接控制其开断。

水流只需单方向，使用单向阀即可，降低了成本。

本设计将电磁阀、水箱、喷头一体化，通过控制电磁阀开合，从而控制喷头出水。

3.3.2刷洗

清洗系统的刷洗工作由电机带动刷子来实现。

直流减速电机力矩大，体积轻便，控制容易，便于使用。

步进电机转动的角度可以精确定位，控制难度大，但是电机力矩较小。

综上，本设计采用直流减速电机，为了节约供电资源，电机采用与控制板相同的供电电压，电机主要参数如下：

DC24V200RPM。

本设计将直流减速电机和电刷结合，通过控制电磁阀开合，从而控制电刷转停。

3.3.3烘干

清洗系统的烘干工作通过热风筒来实现。

供电端外接自制插排，电吹风接在插排上保持常开状态，通过继电器控制插排通断，从而间接控制小功率热吹风工作，即可实现控制系统的继电控制。

3.4接口界面设计

随着工业自动化控制的发展，触摸屏作为人机接口界面，将操作直观化、友好化、生动化、简单化，因此得到了极其广泛的应用，生活中各处都能见到它。

PLC与它的结合，用屏幕上的开关等替代实际的开关等直接控制PLC，减少外设，降低搭建难度，不仅节约系统的花销，而且操作简便[17]。

为完成整体人机接口设计，本装置利用SMART700IE触摸屏。

触摸屏SMART700IE通过WinCCflexible2008组态编程平台设计界面，并与S7-200建立连接。

该触摸屏连接方式采用串行，支持网络通信模式，通过连接线可以和PLC结合，完成用户指定的工作操作[18]。

触摸屏的使用说明如下：

（1）了解使用规则，熟悉操作流程；

（2）触摸屏装置组装；

（3）供电配置；

（4）与PC机通讯；

（5）装置的基础设置；

（6）参数配置与文件下载；

（7）下载完成，断开通讯，与PLC建立连接。

3.5硬件设计总结

综上所诉，能够设计硬件原理图。

该系统由西门子S7系列可编程器控制，主机采用固定结构安装，通过检测传感器和模拟量扩展模块测量指引灯的光照强度，反馈其清洁程度，对系统运行进行控制，利用电磁水枪喷洗和电动刷擦拭实现清洗，污水采用回收方式替代露天，通过热风扇进行烘干处理。

另外，还加入触摸屏，建立人机对话界面。

具体如图3.6所示：

图3.6系统硬件原理图

4系统软件设计

4.1软件设计逻辑

图4.1软件整体逻辑图

系统控制采用双档位控制模式，分为自动挡和手动挡两种方式，软件整体逻辑图如图4.1所示，主要反映两种控制的切换和设定逻辑。

手动控制逻辑较为简单，在这里不做重点讲解，自动控制流程较为复杂，其中包括参数设定、信息采集、信息处理、分析判断、洗刷控制、烘干控制等环节，软件逻辑图如图4.2所示，反映了自动操作的自主工作顺序。

图4.2自动控制软件逻辑图

4.2系统控制分析

系统控制流程制定如下：

（1）将跑道灯置于装置之中，启动装置，系统初始化载入。

（2）设定自动挡/手动挡的工作档位。

（3）设定自动挡喷水、洗刷、烘干、光强标准的具体参数,为自动化控制提供控制和标准要求。

（4）工作档位为手动挡：

通过功能开关，分别对电磁水枪、电动毛刷、烘干风扇工作进行开关控制，实现自主清洗，按实际需要对跑道指引灯进行清洗工作。

（5）工作档位为自动挡：

亮度检测器实时检测，检测结果通过模拟扩展模块传进行模数转换处理，处理结果送至主机，主机根据光强标准的设定进行分析判断。

如果不达标，电磁水枪喷水和电动刷子洗刷循环工作，达到指定亮度之后，清洗循环结束并进行烘干处理。

如果达标，2秒后再次进行达标检测。

4.3输入/输出、变量分配

根据上述流程，能够确定输入以及输出的数量及其关系，并分配变量需要的地址，为软件编译提供逻辑基础，表4.1为输入输出指示表，表4.2为变量存储地址分配表：

表4.1输入输出指示表

M1.1/I0.0

总启停开关

Q0.0

水枪电磁阀驱动信号

M1.0/I0.1

自动挡/手动挡切换

Q0.1

电刷电机驱动信号

M1.2/I0.2

水枪电磁阀开关

Q0.3

烘干风扇驱动信号

M1.3/I0.3

电刷电机开关

M1.4/I0.4

烘干风扇开关

表4.2变量存储地址分配表

VW10

喷水定时初值

AIW0

模拟模块信号值

VW20

洗刷定时初值

VW0

光强实测值

VW30

烘干定时初值

VW100

光强标准值

4.4重要程序说明

光强数据采集程序如图4.3所示，光强送变器的输出连接在EM231的第一路输入，第一路默认变量为AIW0，VW0为PLC内部变量。

SM0.0为常闭触点，其控制光强数字量AIW0传输给VW0。

VW0显示实测光强数值。

图4.3光强数据采集程序

数据分析处理程序如图4.4所示，实测光强数值存储在变量VW0，标准光强数值存储在变量VW100，对两个变量进行比较，实测值大于等于标准值，说明灯光强符合标准，若实测值小于标准值，进入待机响应M0.1，说明灯光强不代表，进入清洗响应M0.0。

图4.4数据分处理析程序

延时判断程序如图4.5所示，M2.0=1时，系统处于自动工作状态，T39对清洗响应进行延时判断，T40对待机响应进行延时判断，M0.2=0为烘干处理的屏蔽信号。

图4.5延时判断程序

自动清洗程序如图4.6所示，进入清洗响应后，T41和T42循环计时控喷水和刷洗循环工作。

产生的控制信号如图4.7所示。

图4.6自动清洗程序

图4.7控制信号时序图

自动烘干程序如图4.5所示，M2.0=1时，系统处于自动工作状态，若监测到清洗响应结束的下降沿，对烘干响应M0.2进行置位，烘干时间由定时器T43控制，定时器T43的计量长短由PLC内部变量VW30决定。

图4.8自动烘干程序

4.5软件整体设计

软件整体设计如下所述，首先通过编程软件MicroWINSTEP7对S7-200西门子编程器进行编译，然后通过汉译的仿真插件对PLC程序仿真验证，最后利用编程软件WinCCflexible2008完成交互平台的组态设计[19]。

5整体调试

5.1硬件测验

5.1.1光强变送器调试

将光强送变器和模拟扩展模块EM231与PLC连接在一起，通过设计简单显示的触摸屏界面，对光强的数字量进行实时监测，通过收集的数据，判断实验的标准光强数字量为4751。

5.1.2电磁水箱调试

将电磁水阀与继电器连接好，通过PLC输出高电平给继电器控制线路，驱动线路闭合，电磁阀打开，允许水流过；输出低电平给继电器，驱动线路断开，电磁阀关闭，水不能流出水箱。

5.1.3电动刷子调试

将刷子、直流电机与继电器连接好，通过PLC输出高电平给继电器控制线路，驱动线路闭合，电机转动并带动刷子；输出低电平给继电器控制电路，电机不再运行。

5.1.4烘干风扇调试

烘干风扇选用功率为500W,经测试5秒钟可完成烘干，故系统烘干定时初始化设置为5秒钟。

5.2软件调试

模拟测试界面如图5.1所示。

附录中有PLC编译程序，仿真器参数设定后将代码下载，可以进行在线调试，输出以及输入能够通过模拟界面指示灯观测，控制输入信号，可实时监测工作运行情况，即对应实际控制的工作状态，还可以通过监视界面的设置来查看内部变量的数值变化，利用这个方式可以完成程序功能的检验。

图5.1模拟测试界面

5.3综合调试

完成以上的软件和硬件测试，PLC项目下载到CPU，将组态界面下载到触摸屏中，用电缆连接PLC和触摸屏，配置相同参数进行通讯连接。

PLC和触摸屏完成通讯连接后，搭建外设硬件完成综合测试[20]。

系统控制模式分为自动挡和手动挡，当工作在手动挡时，组态界面的控制按键对系统进行开关控制，而处在自动档时，系统装置为自动化操作。

触摸屏的主界面设计如图5.2所示，触摸屏控制界面设计如图5.3所示，图5.4反映触摸屏按键的仿真情况。

图5.2触摸屏主界面

图5.3触摸屏控制界面

图5.4仿真变量模拟参数

总结

文章完成了跑道指引灯自动清洗系统的设计，整套装置采用自动档和手动档两种操作模式，操作平台使用触摸屏。

本次设计完成了基本功能，可以人为控制系统工作，也可以根据用户自主设置控制系统自主工作。

人机交互的界面设计让整体更直接，让操作更简洁。

经过系统操作，清洗效果可控制在标准光强的±10%，跑道指引灯的清洗流程可以根据用户实际需要实时设置调整。

参考文献

[1]沈恒德.助航灯光用恒流调光器.航空工程与维修，1999.

ShenHengde.Air-Engineeringandma