基于PLC的洗衣機能效檢測用水控制系統設計

厲登科 陳姍 朱科行 戚慶烽

摘 要：洗衣機能效檢測用水對洗衣機能效檢測的三個關鍵指標（洗凈比、耗電量和用水量）影響非常大，而大多數中小企業都不具備對水進行完全滿足標準要求的處理，這就導致產品質量產生一定波動。本文介紹基于PLC對洗衣機能效檢測用水進行水壓控制、溫度控制、流量控制以及對出水水硬度的檢測與調控制系統設計，為小型標準化的洗衣機能效檢測用水處理設備設計提供了思路。

關鍵詞：PLC，能效檢測，控制系統設計

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.18.033

0 引 言

近年來，在能源緊缺的大背景下，能效標簽和最低能效標準已成為世界各國限制他國電器產品進口的有效手段。特別是中東、東南亞、南美等新興國家紛紛借鑒歐美等國做法，針對洗衣機出臺相關能效法規，對相關出口產業造成了較大影響。就洗衣機能效檢測[1]用水看，大多數中小企業都未能對水進行滿足標準要求的處理，基本上僅能滿足對水溫的不精確控制。這種情況下，工廠所獲取的洗衣機的洗凈比、耗電量、用水量[2]數據偏差很大。目前市面上并沒有成型的專門針對洗衣機能效檢測用水的設備，因此，研究一套小型標準化洗衣機能效檢測用水處理設備，對于洗衣機生產企業的必要性顯而易見。

1 洗衣機能效檢測用水系統功能需求分析與總體架構設計

（1）系統功能需求分析

本系統要求實現出水水壓控制、溫度控制、流量控制以及對出水水硬度及pH值[3]的檢測與調整，整個系統的裝置體積整體在2m2，水箱大小600 L。本系統需實現加水功能、溫度控制功能、水壓控制功能、流量控制功能、水硬度及pH值檢測功能，并且在人機交互設備上顯示水量值、溫度、壓力、流量、水硬度實時值。

1） 加水功能：在界面上輸入需要的水量，當水箱中的水位傳感器接收到指定水量數值，進水停止；

2） 溫度控制功能：當水箱水加到指定水量后，制冷機或者加熱管開始工作，當達到指定溫度后，制冷機或加熱管停止工作，外循環一直開啟保持水溫恒定，當水溫小于指定溫度下限或大于指定溫度上限，加熱管或者制冷機開始工作，到達指定溫度再次停止，不斷重復上述步驟保證水溫恒定；

3） 水壓控制功能：在出水口裝有壓力傳感器，增壓水泵采取PID閉環控制，來實現水壓恒壓；

4） 流量控制功能：在出水口裝有流量傳感器，當水流過流量傳感器，實時記錄出水流量，在相對的時間內就能得到出水總量；

5） 水硬度檢測功能：在系統的內部裝有水硬度檢測器，水從水箱內抽到水硬度檢測器中，當水的流量穩定后，就能得到相應的水硬度，如果水硬度不在指定的范圍內，通過指定的飽和溶液加入水箱，達到相應水硬度值；

6） 水量值、溫度、壓力、流量、水硬度實時顯示在人機交互設備上。

（2）控制系統總體架構設計

基于水量、水溫、水壓、流量及水硬度復合工藝以及功能需求，設計水壓溫度流量控制系統，控制系統架構如圖1所示。

洗衣機能效檢測用水設備控制系統采用人機交互設備，以PLC為控制器，其通過數據線實現觸摸屏與PLC的通信。控制系統由觸摸屏、PLC、各執行元件組成。

1）觸摸屏。觸摸屏是實現人機交互的設備，是一種可接收觸頭等輸入信號的感應式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統可根據預先編程的程式驅動各種連結裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。通過在觸摸屏中運行組態軟件，實現參數設定、工況監控、數據存儲等功能。

2）PLC。即可編程邏輯控制器，一種用于自動化控制的數字運算控制器微處理器的控制器，可以將控制指令隨時載入內存進行儲存與執行?？删幊炭刂破饔蒀PU、指令及數據內存、輸入/輸出接口、電源、數字模擬轉換等功能單元組成。PLC可接收控制指令、傳感器采集的信息以及數字量或模擬量的輸入輸出，實現對洗衣機能效檢測用水設備控制系統的控制。

3）執行元件。執行元件由凈水器、電磁閥、增壓水泵、冷水機、可控硅調壓器（加熱器）、變頻器、PID控制器、流量采集系統等組成。PLC根據用戶指令結合傳感器的采集信號對設備執行元件進行控制，進而實現系統對水壓、水溫、流量等的控制。

2 系統硬件與軟件設計

（1）硬件選型

人機交互設備應選用可靠的顯控觸摸屏。PLC系統則由CPU、電源、輸入電路、輸出電路、存儲器和通信接口電路幾大部分組成。在進行PLC選型時，輸入輸出點數應根據系統功能需求和控制流程確定。同時，為了保證水溫、水壓等控制系統穩定性以及響應速度，需要考慮PLC的儲存量以及處理速度。根據常規的編程來統計，大抵需要數字量I /O點數是模擬量的10～15倍，由系統功能需求分析可知，PLC的模擬量需要4個輸入點用于采集相應數據。PLC繼電器輸出模塊需要17個點用于控制電磁閥、電機等；RS 485接口連接5個溫度采集數據表，1個硬度檢測計，1個PID控制器。模擬量和數字量輸出輸入模塊除所需的點數外，還需預留一定的點數。

在控制出水水壓時，通過PID控制器采集實時壓力傳感器數據，由PID控制器給出4～20 mA模擬量來控制變頻器的頻率，從而控制增壓水泵的轉速來控制壓力，應選擇過載能力強、可靠性強的變頻器。水壓傳感器是壓力控制系統的關鍵部件，本系統采用測量范圍為0～10 bar滿足系統所需壓力且可靠性強的壓力傳感器。

（2）硬件架構

通過對洗衣機能效檢測用水設備控制系統進行硬件設計，以實現水箱進水控制，水泵增壓、水溫恒定控制以及水流量的控制。PLC與電磁閥通過PLC繼電器輸出模塊進行連接，控制進水是否需要過純凈水裝置，控制冷水機是否工作，控制外循環是否開啟等?？刂葡到y的硬件組成如圖2所示。

PLC控制變頻器具有多種方式，本系統采用其中一種方式，即PLC給予一個設定值與PID控制器采集到的信號做比較。壓力控制器所給的信號為4～20 mA對應0～10 bar，PID控制器也將4～20 mA的信號給變頻器。設置變頻器參數時，使4～20 mA的電流信號對應變頻器輸出頻率0～50 Hz。設置模擬量4 mA對應變頻器輸出頻率0 Hz，設置模擬量20mA對應變頻器輸出頻率50 Hz。變頻器參數設置完成后，將PLC與PID控制器、變頻器、增壓水泵進行連接。PLC與PID控制器采用RS485通信方式進行信號傳輸。

（3）軟件設計

對洗衣機能效檢測用水設備控制系統進行軟件設計之前，需要結合控制系統功能需求和控制方案，選擇合適的軟件設計工具。由功能需求分析可知，洗衣機能效檢測用水設備控制系統的人機交互設備需具有工況實時顯示、加工數據儲存與查詢、加工參數設定等功能。通過系統架構可知，人機交互設備需能與PLC建立通信連接。同時，人機交互設備應具備上傳數據到數據庫的功能，便于數據的儲存與查詢。結合以上分析，這里選用DOPSOFT軟件進行人機交互界面設計，該軟件通Ethernet標準接口訪問數據庫，可以滿足設計需求。

3 工作過程

洗衣機能效檢測用水設備控制系統具有手動與自動控制兩種模式。當選擇手動控制模式時，需要操作人員手工操作完成每一個加工步驟。為保證安全生產，工作人員應嚴格遵守設備操作規范，同時，在設計手動控制程序時應設置緊急報警停機程序，避免危險發生。在選擇自動控制模式時，洗衣機能效檢測用水設備控制系統將按照以下步驟一次啟動。系統主要工作流程圖如圖3所示。系統的具體工作步驟如下：

（1）啟動進水電磁閥，開始往水箱里面加水。

（2）當水箱里面水超過水位下限，打開外循環電磁閥。

（3）根據觸摸屏上設備的溫度與出水口溫度做對比，如果設置溫度小于出水口溫度，系統開始啟動冷水機開始制冷；如果設置溫度大于出水口溫度，系統開始啟動可控硅加熱器開始加熱。

（4）實時讀取水箱內水位傳感器，當水位傳感器的數值等于設置的數位數值，進水電磁閥關閉。

（5）當水箱內水位等于設置水位，溫度等于設置溫度，系統開始抽取水箱內的水進入硬度檢測器，如果水硬度滿足設置值，進行下一步；如果水硬度不滿足，按照算法，從3個飽和溶液內抽取相應溶液到水箱進行混合，直至水硬度滿足設定值。

（6）當系統滿足設置水溫度、水容量、水硬度后，打開出水電磁閥，關閉循環電磁閥，開始往洗衣機進水，同時讀取實時流量。

（7）當洗衣機進水電磁閥關閉后，系統檢測到實時流量小于10 mL/S，系統打開循環電磁閥，保持水溫恒定。

（8）當洗衣機進水電磁閥打開后，系統檢測到流量大于10 mL/S，系統關閉循環電磁閥，開始往洗衣機注水，不斷重復步驟（7）、（8），直至累計流量等于系統設置水容量，工作結束。

4 結 論

本文介紹采用PLC、人機交互設備等構建洗衣機能效檢測用水設備控制系統，其能夠實現對水恒溫、恒壓控制，有效提高了檢測效率，在一定程度上提高了洗衣機能效檢測用水設備的自動化程度。本次設計完成了對電磁閥、水泵、壓力傳感器、流量計、水硬度的信號采集與控制，研究了基于PLC與組態軟件的水溫、水壓、水硬度及pH值、流量控制系統，使用軟件進行監控界面設計，并在觸摸屏上實現了對電磁閥的啟停以及水泵轉速的調節，為小型標準化的洗衣機能效檢測用水處理設備設計提供了思路。

參考文獻

電動洗衣機能效水效限定值及等級：GB 12021.4-2013 [S].

家用和類似用途電動洗衣機：GB/T 4288-2018 [S].

家用和類似用途電器 性能測試用水：GB/T 23119-2017 [S].

作者簡介

厲登科，工程師，主要從事家用電器及附件產品的檢測研究。

陳姍，碩士研究生，高級工程師，主要從事家用電器及附件產品的檢測研究。

朱科行，助理工程師，主要從事家用電器及附件產品的檢測研究。

戚慶烽，助理工程師，主要從事家用電器及附件產品的檢測研究。

（責任編輯：張佩玉）