一種基于PLC的蹲便馬桶排泄沖刷控制系統

高翔海

（華衛（寧波）衛浴科技有限公司，浙江 寧波 315200）

1.引言

隨著智能家居的普及和升級，傳統馬桶逐漸被淘汰，傳統蹲便馬桶是利用虹吸原理，浪費水嚴重，每次沖廁用水達到6000 毫升，過去的蹲便馬桶幾乎沒有什么智能化，自發明以來沒有顯著的改進，制作時采用了陶瓷煅燒工藝，消耗大量能源，破壞自然環境；目前世界上的智能馬桶主要是以智能馬桶蓋為主，對漏便和沖刷方面也很少有智能化設計，并且在馬桶后面有個大水箱；為了改變這一現狀，我對外殼和內部結構進行了顛覆性地創新設計，將過去的陶瓷馬桶設計成可注塑的工程塑料馬桶，可以大量節約自然資源及能源，生產效率高，可以個性化定制，特別是在漏便沖便上采用了自動化控制技術：漏便采用電氣閥門控制、漏洞性直泄清便，沖廁采用電磁閥和三角閥同時控制自來水沖廁，沖廁只沖殘渣余孽，沖水時間電腦程序可控，用水量只有600 毫升，是傳統馬桶用水量的十分之一，達到了節水減排的效果，采用無水箱設計，直接用自來水沖洗，能夠實現自動沖刷和自動排泄，是目前普及智能家居的趨勢。

2.蹲便器閘閥控制以及排泄沖刷控制系統的硬件設計

圖1 硬件接口說明圖

蹲便馬桶閘閥控制以及排泄沖刷控制系統采用了工業級PLC控制技術，通過電源適配器用24伏直流安全電壓直接供電，電源適配器配有漏電、短路保護功能，使用起來更加安全可靠，紅外探頭和接近開關采用工業級的三線NPN 型常開感應開關，防水防潮，長壽命設計，直流電機得到指令信號動作、帶動電磁離合實現閘閥的開口和關閉，從而實現漏便功能，電磁閥打開（或抽水泵動作）可實現沖廁功能，本系統設有腳動、半自動、全自動功能，所有動作用程序控制，并有防抱死程序，一遍沖廁不徹底可以沖廁第二遍，用水多少可以程序控制，停電后可采用腳踏沖廁，能讓客戶在停電、停水的時候照常使用馬桶，是一代“傻瓜型”新型智能蹲便馬桶。蹲便馬桶硬件閘閥控制以及排泄沖刷控制系統的控制板設計和硬件接口說明圖如上所示。

2.1 輸入輸出點接口設計說明

輸入點X0 是工業級NPN 型常開紅外感應光電開關，輸入點X1 是閘閥開口到位信號，采用工業級NPN 型接近開關定位；輸入點X2 是閘閥關閉到位信號，采用NPN 型常開接近開關定位；輸入點X3 是半自動沖廁信號，采用復位按鍵開關；輸出點是8 個繼電器開關信號：Y0、Y1 信號是閘閥驅動直流電機正反轉控制，可使閘刀（或滾筒）往復運動，Y2 為電磁離合驅動輸出，Y3 是沖廁電磁閥，Y4 是廢水抽水泵沖廁輸出驅動，Y5 是沖便后的臭氧消毒，保證沖便后的滅菌消毒，Y6 和Y7配合實現定時新風排臭功能，保證蹲便馬桶周圍空氣新鮮，當系統遇到電機卡死，電腦會自動復位，保護電機，重新感應后恢復正常狀態。

2.2 電源適配器工作原理

本系統的24 伏直流電源來源于電源適配器，電源適配器由兩部分構成，即由漏電保護器和開關電源構成，當漏電電流大于20 毫安漏電保護會切斷電源，當24V 直流輸出有短路或超壓時也會切斷電源，通到蹲便器的電源電壓只有直流24 伏，三級保護，安全可靠，所有線路板打膠封裝，防水防漏電，如果有壞件，板卡式更換，客戶自己搞定，維修方便。

圖2 蹲便器控制模塊圖

3.本設計開發流程

閘閥驅動模塊：閘閥驅動模塊用于接收PLC 控制器發送的指令并打開閘閥排泄。驅動模塊對應的結構可以根據配合蹲便器排泄結構來設計。本實施例中閘閥驅動模塊包括閘閥驅動電機和電磁離合，應用到摘要中涉及的蹲便器結構，根據閘閥的結構，結合傳動機構實現閘閥運動。當閘閥水平運動時，通過電機，電磁離合，鏈條、齒輪四者之間的配合實現閘閥的開啟和關閉；當閘閥設計成滾筒狀時，結合電機、電磁離合、齒輪連接軸等部件實現閘閥的開啟、關閉；馬桶斷電后可用機械控制方式來沖廁，斷電后電機和電磁離合分離，機械式開啟、關閉不會受到電機的額外干涉，因此應用電機、電磁離合器配合相應的傳動部件實現閘閥的開啟和關閉。

沖刷模塊：用于沖刷清洗蹲便器的沖刷模塊可以選擇電磁閥沖刷機構、水泵沖刷機構和三角閥沖刷機構；三角閥沖刷機構，是采用閘閥開啟，關閉過程中，采用聯動機構（例如杠桿），帶動三角閥開啟、關閉，實現沖刷動作，電磁閥沖刷機構，直接配合自來水使用，水泵沖刷機構配合廢水回收系統使用。

消毒模塊：與PLC 控制器相連的對蹲便器進行消毒殺菌的消毒模塊，消毒模塊包括臭氧發生器（或采用噴灑消毒液消毒）。

新風模塊：用于定時排臭功能的新風模塊，新風模塊主要包括排風扇和電磁單相閥組。

紅外感應探頭接收模塊（X0 信號）：通電，在探頭上紅色指示燈亮1 秒鐘，提示上電正常；進入待機狀態后，紅色指示燈每隔10 秒鐘閃爍一次，表示系統運行正常。當感應區域內有人靠近時，紅色指示燈亮，人正在大便（或小便）時紅燈一直亮無輸出，人離開感應區域后，紅色指示燈滅，并延時3秒鐘，X0 接通2 秒鐘，X0 接通時綠色指示燈常亮，X0 斷開后，系統重新進入待機狀態，每隔10 秒閃爍紅燈一次進入常態。當第一個人感應被觸發后，第一個人已離開感應區域，在延時的3 秒鐘內第二個人再次被感應觸發，則不動作，而是重新回到感應狀態，紅色指示燈常亮，一直到第二個人離開感應區域后，紅燈滅，綠燈亮2 秒，X0 接通2 秒。該探頭采用微型單片機+人體紅外感應系統+24 伏安全電壓供電，感應距離60厘米，系統功耗低、靈敏度高、性能安全穩定、無觸點勞損、性價比高，設有過流，過壓和漏電保護功能，是目前比較高端的顛覆性設計理念產品。設計說明－紅外感應探頭設計成三線NPN 型常開感應開關，插頭要用三芯防水插頭，紅線接24V 正，藍線接24V 負極，黑線接信號輸出，有信號輸出時，黑線與藍線接通為0V，拉為低電平；紅外感應距離為60 厘米，扇形30°角向外發射與接收；PCB 板越小越好，盡量元器件用貼片元件，紅外透鏡用圓柱形以便安裝設備。

閘閥開口到位信號模塊（X1 信號）：X1 接通閘閥開口到位，通知Y0 直流電機停轉，但電磁離合仍通電吸合，保證沖水2 秒正常。

閘閥關閉到位信號模塊（X2 信號）：X2 接通閘閥關閉到位，并使系統復位，X2 信號也是系統復位信號。

半自動信號模塊（X3 信號）：X3 接通會啟動排泄和沖刷系統、進行沖便動作，半自動模塊為可以復位的按鍵開關。

電源保護模塊：電源保護模塊包含在電源適配器和漏電保護線路內，當系統有20 毫安以上漏電電流時，漏電保護器部分會自動切斷電源保護整個控制系統，當控制系統中有元件燒壞短路時，電源適配器中的開關電源會停止輸出，保護本身同時保護PLC 控制系統。

4.蹲便馬桶閘閥控制以及排泄沖刷控制系統的軟件設計

智能蹲便馬桶控制系統的軟件設計是蹲便器工作安全性的關鍵，程序分為主程序和保護程序，PLC 支持梯形圖語言，按系統要求編寫，經調試符合要求后下載到PLC，每一步程序都要通過上機嚴格測試，程序編寫說明如下：

當人走近蹲便器時，蹲便器不會發生任何動作，大便期間5 秒內離開感應區（或離開再回到感應區），蹲便器閘閥也不會動作，只有當人離開感應區5 秒后，電磁離合吸合同時驅動電機動作，帶動鏈條拉動閘閥開啟，若在開啟過程中遇到異物卡死，系統會因超過時間而復位，保護設備（程序里加一個定時器記開啟時間作為保護）。當閘閥開口到位后，觸動接近開關，X1 得到信號，電機停止轉動，同時電磁閥打開沖廁，沖廁兩秒后，電磁閥關閉，接著電機重新啟動開始反轉，帶動閘閥開始關閉，觸動到接近開關，X2 得到信號，系統會復位。當閘閥關閉到位后，接近開關接通使系統復位，同時彈簧恢復原位；如果閘閥沒有恢復原位，電機和離合將重新啟動，進行第二次沖廁，第二次沖廁完畢后，系統將恢復到初始狀態。如果在開啟過程中，遇到鏈條卡死，系統會自動復位，保護電機，如果在回位時有東西卡死，除了再沖一次馬桶外，系統在沖完第二次時自動復位。電磁閥沖廁和用抽水電機沖廁可以任選一種方式，也可以直接用抽水電機抽廢水沖廁。沖廁完畢后，會自動給蹲便器用臭氧殺菌消毒一次或采用噴灑消毒液消毒。系統每半小時對馬桶周圍的臭氣進行抽風一次，抽風時間2 分鐘，抽風時風機動作，單向閥打開，將臭氣抽到下水道，抽風完畢，單向閥關閉。

5.結語

智能蹲便馬桶的閘刀在直流電機和電磁離合的帶動下，實現了閘閥的開口和關閉，從而實現了漏便功能，電磁閥打開或抽水泵動作實現了沖刷排泄功能，本系統設有腳動、半自動、全自動功能，半自動和全自動實現了程序控制，軟件實現了防抱死效果，實現了一遍沖廁不徹底可以沖廁第二遍，用水多少實現了程序控制，停電時可用腳踏沖廁，能讓客戶在停電、停水的狀態下照常使用馬桶，沖廁完畢后，會自動給蹲坑馬桶進行臭氧消毒。該發明的創造和設計已經被華衛（寧波）衛浴科技有限公司申請發明專利，發明人和主要負責人是高翔海，申請號：2020102 822947；發明創造名稱：基于PLC 的蹲坑馬桶排泄沖刷控制系統及其使用方法；該產品投放市場后將是衛浴行業的一場革命，徹底顛覆世界上的陶瓷馬桶，同時將智能馬桶進入智能家居行業，進入千家萬戶，為國家節約大量的水資源和自然資源，造福于人類。