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摘要：随着各类汽车在人们生活中的普及，对其安全保护控制就变得尤为重要。同时，随着汽车智能化以及全自动驾驶方案的逐步推进，采用功能更加强大、兼容性更强的控制器也成为一个重要的研究方向。本文采用目前在轨道交通及工业控制领域技术成熟的S7200 Smart PLC作为控制核心搭建硬件平台，STEP7-MicroWin Smart协同组态王软件进行控制算法及HMI界面开发，实现车窗自动升降控制及人机交互，具有较高的研究意义和实用价值。

关键词：车窗自动升降；车窗防夹；S7200 Smart PLC；组态王

前言

目前，我国汽车产业由于其消费体量大、发展潜力足、产业带动作用强，在拉动消费内需，促进产业链高质量发展方面发挥着举足轻重的作用。2023年我国汽车产销量双双突破3000万辆，不仅连续十五年位居世界榜首，更占据全球近三分之一的市场份额[1]。汽车车窗自动控制，作为其车身控制系统的重要组成部分，在驾驶安全方面发挥着举足轻重的作用[2]。

同时，随着汽车智能化以及全自动驾驶技术的发展，对汽车控制器的安全性、兼容性以及数据处理能力都提出了更高的要求。

本文采用目前在轨道交通行业及工业控制领域普遍使用的S7 200 Smart PLC控制器为控制核心，采集车窗升降开关信号，控制车窗电动机正反运转，实现车窗正常升降，协同光电异物探测传感器，检测车窗关闭时头、手等部位，实现防夹功能。同时，采用组态王软件进行界面开发，实现人机交互。经过软硬件协同验证，该设计能够实现正常的车窗升降及防夹功能，具备良好的运行效果。

该控制系统搭建既可以满足车辆智能化、网络化、安全性的发展需要，又可以满足高校PLC和汽车控制系统实践教学的需要，具有较高的研究意义和应用价值。

1.汽车电动车窗上升技术

汽车电动车窗主要由车窗玻璃、车窗玻璃升降器、电动机、车门控制单元和控制开关等组成[3]。

其中，汽车车窗电动机是以车载蓄电池提供的12VDC供电的直流电机，电动机正反转时，带动车窗升降器动作，进而实现汽车车窗玻璃的上下移动。

2.汽车车窗防夹技术

由于车窗在关闭过程中存在巨大的升举力，容易在乘客不注意时发生夹伤事故，给乘车人员带来安全隐患。车窗防夹是一种常见的车窗保护技术，当车窗在自动上升过程中夹到人时，需要进行反转保护，避免事故发生。通常带自动上升的车窗都带防夹功能[4]。

车窗防夹方案有许多种，有的是利用纹波防夹，通过采集纹波的个数判断车窗位置，进行防夹保护。有的是采用双霍尔电机进行防夹，通过双霍尔信号的上升沿和下降沿来判断电机的正反转。目前主流的防夹控制器多数采用霍尔传感器[5]。

3.设计目的

本次设计，采用PLC为控制核心，开发一套集车窗电机升降及异物监测控制为一体的软硬件平台，实现以下功能。

（1）按下升窗开关，车窗上升，如果传感器在上升过程没有检测到异物信号，车窗电机正常运行，当到达开窗极限位置时，电机停止。在此过程中，如果有人或物进入检测区域，车窗电机反转运行，车窗下降，直至到达限位或障碍消失，实现防夹功能。

（2）按下降窗开关时，车窗下降，车窗电动机反转运行，当到达关窗极限位置时，电机停止。

（3）提供控制程序开发端口及HMI监控软件，实时观察车窗升降和异物进入状态。

4.硬件设计

硬件部分采用马自达车窗升降器整套系统作为控制输出，光电传感器用于探测车窗异物，车窗升降开关实现升降控制。控制器选择西门子公司S7-200 Smart SR20 CPU。为了系统完整性，采用UTP1305S直流稳压电源、RXM2AB2JD中间继电器等设备实现设备供电、车窗电机正反转控制，共同完成硬件平台搭建。

其中，马自达车窗升降器采用右前车窗升降器整套系统，配备车窗玻璃升降器、电动机。车窗玻璃升降器由电动机驱动，将固定在上面的车窗玻璃进行上下移动。电动机采用直流电机，12VDC供电，正反转运行时，带动车窗升降器进行上升下降动作。

光电传感器可以检测异物情况，可选常开、常闭触发，当有物体进入探测区域时，其触点动作，将信号送至控制器。

CPU采用S7-200 Smart SR20，SR20是西门子旗下紧凑型CPU模块，采用220VAC供电，继电器输出，自带12路DI和8路DO，可采用网线与编程主机实现以太网通讯[6]。该CPU的选择可以满足对障碍物探测、升降控制开关的信号输入、电机正反转控制信号输出的全部需要，同时，上位机电脑可以通过STEP7 MicroWIN SMART程序对其实现编程、下载、运行控制、实时监控等功能。

UTP1305S直流稳压电源为2个，一个为2路继电器、传感器以及DI输入回路供电，一个为车窗升降电机供电。

主要硬件产品的如图1所示。

按照设计目的，设计其硬件接线示意图，如图2所示。

其中，光电异物传感器采用24VDC供电，24V+输入到棕色线，24V-输入到黑色线。光电开关的蓝色线和白色线与24V形成回路，接入SR20 CPU设备I0.2端子。

SR20 CPU采用220VAC供电，I0.0接入升窗信号、I0.1接入降窗信号，输入I0.2接入传感器信号。Q0.0及Q0.2分别接至车窗电机升降控制的2个继电器。

继电器1和继电器2接入执行器回路，控制车窗升降电机正反转动作，由12V稳压源供电，其线圈通过 SR20 CPU的Q0.0及Q0.2分别控制其得电状况，输出至车窗升降电机。

5.软件设计

软件设计的目的是采用STEP7-MicroWin Smart和组态王软件协同开发，达到控制车窗升降及防夹功能实现和人机交互显示的效果。

其中，STEP7-MicroWin Smart是西门子公司专用的S7-200 Smart PLC 设备控制软件。在该软件上，可以很便捷地实现控制算法的编写、编译、下载，以及PLC在线监视、启动、停止控制等功能。

组态王是亚控科技公司开发的专用界面开发软件，该软件可以与S7-200 Smart PLC实现数据通讯，将异物探测、车窗状态等信息进行直观显示，实现人机相互。

6.STEP7-MicroWin Smart程序设计

为实现设计功能，设置控制流程图如下：

控制程序设计按照以下步骤进行。

1、硬件配置。将此次设计使用的SR20 CPU模块添加到系统块。

2、通讯连接。将“通迅接口”设置成连接到PLC设备的电脑网卡。对PLC设备的MAC地址、IP地址、网关等信息进行设置。也可采用CPU上电后，点击“查找CPU”进行自动设置。在此，将IP地址设置为192.168.2.1。

3、符号表设计。为了增加程序的可读性及可移植性，定义I/O符号，如表1所示。

4、程序编写。采用T型图编写主程序，将程序分为不同的子块。

其中，部分主程序如图4所示。

5、程序编译、下载。将编写完成后的程序进行编译，成功后，点击“下载”图标，将其下载到PLC并运行。

7.组态王设计

组态王设计按如下步骤进行。

1、添加驱动设备。为了实现组态王与S7-200 Smart设备通讯，在其官网下载S7_TCP[60.15.44.30]驱动，改写后安装到组态王安装目录下。改写方法为将驱动中的kvS7200.ini文件中内容与实际PLC设备地址相互对应[7]。

2、添加设备。组态王能够与PLC设备联动，其关键在于添加了与PLC设备IP地址相同的逻辑设备。可通过点击界面上的“设备”，在出现的端口上选择“COM2”，点击“新建”选择“PLC”，选择“Siemens→S7200（TCP）”，并且给设备命名为“我的PLC”，将设备的通讯地址为（190.168.2.1：0）。

3、数据词典配置。组态王开发的界面能够实现实时PLC数据动态显示和控制，需要在数据词典里添加的数据，且数据与PLC中地址相同。添加数据时，需要对数据的变量名、变量类型、连接设备、寄存器、数据类型和读写属性进行设置。

此处，添加升窗开关、降窗开关、升窗输出、降窗输出、车窗静止、异物检测输入等变量到数据词典。

4、画面制作。点击“画面”→“新建”，添加画面，为画面命名，设置位置、大小、背景色等属性。

在画面上插入升窗开关、降窗开关、车窗状态、文字等图素。点击添加好的图素，选择“动画连接”、“隐含”等选项，在画面上选择图素中需要动态显示项目，形成如图5所示的车窗升降控制监控画面。

5、完成界面后，点击“切换到VIEW”运行程序。

8.软硬件联调运行

按照原理图对硬件设备接线，用网线将编程电脑与SR20 CPU相连，将升降窗开关、传感器、继电器输入的供电稳压源调制24VDC，车窗电动机稳压源输出参数调整为12VDC，SR20 CPU 接通220VAC，为设备进行供电。

按下升窗开关，异物探测无输入，此时，组态王界面的显示情况如图6所示，车窗升降器上升运行。

按下升窗开关，车窗上升，此时将手至于传感器检测范围内，此时，组态王界面的显示情况如图7所示，车窗升降器停止上升。

按下降窗开关，组态王界面的显示情况如图8所示，车窗升降器下降。

因为存在逻辑互锁，车窗升降开关同时按下，车窗无动作。

9.结论

本设计以S7-200 Smart SR20 CPU作为控制核心，采用软硬件协同开发的方式，实现汽车车窗自动升降及防夹控制。经过硬件实物验证，系统整体功能完整，运行结果良好，达到预期设计目标。

目前，汽车车窗自动控制主要依据单片机或嵌入式系统来实现。本次研究采用轨道车辆及工业控制中功能强大、兼容性强的PLC系统实现车窗控制，为车窗控制系统研究以及车辆智能化、网络化控制提供了新的研究方向和思路。同时，该软硬件平台的搭建也可以作为高校PLC系统及汽车控制系统的实践教学使用，具有较高研究和应用价值。

参考文献

[1]孙浩.我国汽车行业发展趋势分析[J].现代营销（下旬刊），2024，（06）：66-68

[2]王阳，孙程光，张天泽，等.智能车窗安全控制系统设计[J].电子制作，2022，30（22）：37-39

[3]司徒俏玲，许国永，伍肇权，等.大众捷达汽车车窗升降控制原理及故障诊断[J].汽车维修技师，2023，（12）：85-86

[4]江凯敏，徐伟，陈文庆，等.一种单霍尔信号及电流采样的车窗防夹方案[J].汽车电器，2021，（03）：39-42+45

[5]蒋宇希.汽车车窗自适应防夹控制系统的研究与实现[D].杭州电子科技大学，2021

[6]李工谈工控.认识SiemensS7-200 Smart PLC系列[J].知网，2017（6）11-23

[7]程超，林剑，罗啸，席林，王龙杰，张浩翔，陈定鑫.利用PLC实现动力电池电流过载保护控制设计研究[J].探索科学，2023，（06）：357-358

联系人：

姓名：程超（1983.01），女，汉族，四川新津，工程师，专任教师。

研究方向：车辆电子电气设备，自动控制