室内三轮清洁车设计-电气控制系统的原理分析及方案设计开题报告

1. 研究目的与意义

室内三轮清洁车作为环卫设备之一，是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型高效清扫设备。

广泛应用于机场收车大厅、体育场所、隧道、大型厂区、城市住宅区、港口以及公园等的道路清扫。

而随着科技水平和文化意识的提高，现在的产品设计已经从功能主义转向情感主义。

2. 课题关键问题和重难点

关键问题：

1.根据题目要求，进行实地调查研究、广泛收集资料。

2.分析电动清扫车的工作原理，确定动力源功率；分析电动清扫车的驱动、制动、转向和照明等辅助装置，设计电气控制图。

3. 国内外研究现状（文献综述）

随着我国城市化水平发展到新的阶段，城市环境卫生设施建设水平也亟待提高，电动清扫三轮车作为当下成本低、技术成熟、使用效率高的一款环卫产品，正越来越广的被各地使用。它不仅具有清洁效率高的特点，同时还能避免扬尘和二次污染。作为电力驱动的清洁设备真正做到了零排放和无污染。对电动清扫三轮车设计所涉及的产品设计要素各方面进行了详尽的分析和解读，在产品造型、色彩、材料和人机工学上建立起一套科学有效的设计规范，对往后的电动清扫三轮车产品设计有较大借鉴意义。^[1]清扫车作为路面环卫设备之一，是一种集路面清扫、垃圾回收与运输为一体的专用路面养护机械，主要用于清除高等级公路、机场跑道、市政道路、城市住宅区、公园和广场上的硬性或者柔质垃圾，甚至还可以对道路上的空气进行除尘与净化，不仅可以美化道路，维护环境卫生，保持路面的良好工作状况，还能延长路面的使用寿命，预防交通事故的发生^[2]。

国内路面清扫车的技术主要来源于3个方面：①借鉴国外同类产品的先进技术而自行开发的产品；②直接引进国外技术的产品；③从国家科研院所转让技术后再改进的产品。总体而言，目前国内路面清扫车研发资金投入较少，产品整体技术水平不高，尤其在控制系统和清扫效率、可靠性等方面与国外产品相比有较大差距。^[3]但随着我国综合经济实力的不断发展以及劳动力成本的不断提高，路面清扫车的市场前景日渐开好，路面保洁采用电动清扫车作业已经成为一种趋势^[4]。

1、电动清扫车的控制功能分析

根据清扫车的工作原理和智能化的控制要求，融入机电一体化的控制技术，清扫车的控制系统应具有以下功能：(1)车辆行使控制，(2)盘扫与滚扫控制，(3)喷水除尘控制，(4)滤芯震动清灰控制，(5)抽吸扬尘控制，（6)紧急控制，（7)照明灯控制，（8)数据显示控制，(9)报警控制，(10)电源控制，(11)整机电源控制。黄为燎认为系统控制模块是本测控系统的神经中枢，它可以接受、获取各种信息，根据信息决策控制方案进行异常处理，是智能化控制的集中表现部分，清扫车选用西门子PLC作为控制核心。主要功能包含如下：实现对清扫车状态的检测、数字量反馈信息的获取，给执行控制模块发控制指令，根据监控反馈结果判断异常、选择处理方法等。^[5]在结构上吴刚、张棉好等人认为清扫车应采用三轮式车身设计,菜能够方便、快捷、高效的清扫城市各大车场机场等公共场所的垃圾且清扫车清扫过程中环保。电源采用蓄电池,既实现了低碳环保, 又降低了工人的劳动强度,提高了清扫的效率。^[6]成立平等人在传统的两扫盘小型电动清扫车基础上研发设计的新型具有三个旋转清扫盘的电动清扫车，成本低廉，结构功能完善，适用范围广泛，进一步减轻了环卫工人的劳动强度和提高清扫效率，具有非常广阔的应用前景。所设计的新型前扫盘机构在实际试制与使用过程中，还可以根据实际情况做相应的改进，进一步完善整个机构性能，致力研发出一款适用性更高的小型电动清扫三轮车，推进我国微型环卫清扫车市场的健康和谐发展^[7]。

图1 电气控制系统结构图

2、清扫车电气控制系统的实现

2.1电气控制系统总方案

电气控制系统是清扫车的核心，是体现性能与质量的重要部分。为了提高机电一体化水平和清扫车的智能化，清扫车的电气控制系统集执行控制、数据采集、状态检测和数据运算于一体，包含执行控制系统和数据采集、状态检测系统。执行控制系统实现清扫车的行走速度控制、扫盘滚扫轮作业控制以及吸尘过滤电机控制等。数据采集、状态检测系统为执行控制系统提供决策和反馈信息，实现信息的采集、计算和系统的状态监控。电气控制系统的结构如图1所示.主要由1个模块组成：交互面板模块、信息采集模块、检测与数据处理模块和执行控制模块。交互面板包含各种操作的按钮或旋钮开关，以及清扫车的运行状态信息的显示。如控制车辆前进后退的按钮、行走速度控制旋钮、滤芯震动清灰电机按钮、抽吸扬尘控制按钮等。交互面板模块用于搜集各种交互面板发出的指令信息并把清扫车的运行情况通过显示面板显示给操作者。信息采集模块监控清扫车的运行状态，收集各个传感器的状态信息，传感器、电源电压输出是模拟量，而控制系统能接收的是数字量，因此利用 D/A 转换器把模拟量转成数字量，并传输给系统控制模块实现清扫车状态的控制。执行控制模块接收控制操作命令，驱动执行部件动作，从而实现清扫作业。系统控制模块是本测控系统的神经中枢，接受、获取各种信息，根据信息决策控制方案进行异常处理，是智能化控制的集中表现部分，清扫车选西门子PLC作为控制核心。主要功能包含如下：实现对清扫车状态的检测、数字量反馈信息的获取，给执行控制模块发控制指令，根据监控反馈结果判断异常、选择处理方法等。如：检测到驾驶员不在座位上时，行驶功能自动切断；检测到电压低于22.5V时给出报警，小于21V时车辆行驶、盘扫、滚扫放下旋转、抽吸扬尘、滤芯震动清灰等功能自动停止。^[7]

2.2系统布置

依照总方案的设计思想，进行详细设计和系统布置，如图2所示。电气控制系统的制中枢采用西门子S7-200，它具备条件控制、记时、计数等控制功能，具有体积小、重量轻、功耗低等特点，以及有很强的可靠性和抗干扰能力。^[8]能完成数字运算和数据处理以及通信、生产过程监控等。通过它的输入端接收各种动作开关指令和监控清扫车运行状态，输出端则根据各个指令或检测到的清扫车运行状况,由PLC决策后发出相应的执行指令。S7-200系列的PLC模拟输入模块内部完成A/D转换，对电源电压模拟量信号的采集，实现电压检测监控。通过人机界面显示整机运行状况，如行走速度、运行时间、当前的电源电压、各执行机构的运行状态等等，并可以通过人机界面下达各种命令。

图2 系统布置图

本课题将在总结了以上各位学者的研究成果基础上，不但完成所需功能电气控制原理的设计，还针对他人并未涉及的领域进行了研究。本文的研究对象是面向于住宅区、厂房的新型电动清扫车，以满足环保和提升机电一体化水平的目的，进行清扫车的电气控制系统的设计与实现。采用直流电机驱动工作，以PLC为控制中枢，实现清扫车各种控制功能。综合应用了开关量与模拟量的信息采集技术，所设计的控制系统节能环保、操作方便、运行可靠。电气控制系统是清扫车的软核心，是体现性能与质量的重要部分。为了提高机电一体化水平和清扫车的智能化，清扫车的电气控制系统集执行控制、数据采集、状态检测和数据运算于一体，包含执行控制系统和数据采集、状态检测系统，令清洁车运行更加快捷稳定。

参考文献

[1]薄斌.鑫昊手推式电动清扫车设计研究[D].南昌：南昌大学专业学位研究生论文.

[2]杜木伟，韩屹丽，刘晨敏.. 我国路面清扫车技术现状与发展趋势[J].工程机械文摘，2013..

[3]樊金曦，陈殿领.国产道路清扫车技术现状分析[J].机械制造2013.51(588)：46-50.

[4]葛恒安，祁隽燕.公路养护的轻骑兵[J].养护天地2005.

[5]黄为燎.电动清扫车电气系统的设计与实现[J].韶关学院学报自然科学,2011(4).

[6]吴刚,张棉好,杨仲辉等.小型电动清扫车的研制[J].科技讯资,2011(15).

[7]成立平,王平花,李立斌.小型电动清扫车前扫盘机构结构设[J].科技创新导报,2011(21).

4. 研究方案

第一，根据题目要求，进行实地调查研究、广泛收集资料。

第二，分析电动清扫车的操作原理和动作过程，确定清扫车的动力源。

第三，分析电动清扫车的驱动、制动、转向和照明等辅助装置，设计电气控制图。接着，校核数据，选择元器件，修改、完善各电气控制图。

5. 工作计划

第1周 完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。英文翻译经指导老师批阅合格并确认

后，译文和原文均上传至毕业设计管理系统。译文封面用标准模板。

第2周 查阅文献资料，撰写开题报告。