跑道指引灯自动清洗系统设计

1、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PLC S7-200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

2、编程 外文摘要Title Design of the automatic cleaning system for the runway lightAbstractAuthor according to the domestic and foreign runway guide lamp automatic cleaning of the design, according to the cleaning requirements and actual need of work, runway design guide lamp automatic cleaning device co

3、ntrol system, and according to the needs of the development of cleaning process. This paper explains the realization process of the automatic cleaning system of the runway guided light by SIEMENS S7-200 PLC, and discusses the two aspects of the hardware and software simulation. The main engine adopt

4、s the fixed structure, the peripheral drying heat fan, the electric brush and the electromagnetic water tank, for the purpose of cleaning and drying the system. From machine with data processing function, can measure the light intensity of the light intensity, feedback its cleanness, and control the

5、 running of the system in time. Use SIEMENS touch screen to design the operation interface of the intuitive and easy, improve the control level and automatic operation ability of the system.Keywords Clean Automatic Interface Programmable 目 录1绪论11.1背景与意义11.2国内外研究现状21.2.1国内外技术概况21.2.2发展趋势或当前存在的问题31.3本

6、文的研究内容41.4工作安排52系统整体设计52.1方案的选择52.2 PLC的介绍63 系统的硬件设计83.1系统整体结构83.2采集模块103.2.1光强的检测103.2.2模拟量扩展模块113.3执行模块133.3.1 喷水133.3.2刷洗133.3.3烘干133.4接口界面设计143.5硬件设计总结154 系统软件设计164.1软件设计逻辑164.2 系统控制分析174.3输入/输出、变量分配184.4重要程序说明194.5软件整体设计225 整体调试235.1硬件测验235.1.1 光强变送器调试235.1.2电磁水箱调试235.1.3电动刷子调试235.1.4烘干风扇调试235.

7、2软件调试245.3综合调试24总结26参考文献27致谢29附录A311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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、.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

13、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

14、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

15、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

16、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。2.2 PLC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，

17、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2.1 PLC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、

18、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

19、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

20、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

21、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3.5 EM231内部图3.3执行模

22、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

23、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：DC24V 200RPM。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。P

24、LC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SMART 700 IE触摸屏。触摸屏SMART 700 IE通过WinCC flexible 2008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

25、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

26、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

27、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M

28、1.3/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，

29、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

30、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Micro WIN STEP 7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WinCC flexible 2008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

31、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

32、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

33、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. Shen Hengde. Air - Engineering and maintenance, 1999.2 孙良欣.中国清洗

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35、vestigation on equipment for Heariing tubular heat exchangerwith high pressure water jet C. Shanghai, 1996.5 PATENT R. Ultrasonic cleaning machine J. Metal Finishing, 1999.6 刘庭成,范晓红.高压水射流清洗机喷嘴的结构与参数J.洁洗世界,2010 . water jet cleaning machine J. clean wash world, 2010.7 RenningGuo, Lin Xu, Qi Sunet, et

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