厲登科 陳姍 朱科行 戚慶烽

摘 要：洗衣機(jī)能效檢測用水對洗衣機(jī)能效檢測的三個關(guān)鍵指標(biāo)（洗凈比、耗電量和用水量）影響非常大，而大多數(shù)中小企業(yè)都不具備對水進(jìn)行完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的處理，這就導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生一定波動。本文介紹基于PLC對洗衣機(jī)能效檢測用水進(jìn)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(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計，為小型標(biāo)準(zhǔn)化的洗衣機(jī)能效檢測用水處理設(shè)備設(shè)計提供了思路。

關(guān)鍵詞：PLC，能效檢測，控制系統(tǒng)設(shè)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(biāo)簽和最低能效標(biāo)準(zhǔn)已成為世界各國限制他國電器產(chǎn)品進(jìn)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(jī)出臺相關(guān)能效法規(guī)，對相關(guān)出口產(chǎn)業(yè)造成了較大影響。就洗衣機(jī)能效檢測[1]用水看，大多數(shù)中小企業(yè)都未能對水進(jìn)行滿足標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的洗凈比、耗電量、用水量[2]數(shù)據(jù)偏差很大。目前市面上并沒有成型的專門針對洗衣機(jī)能效檢測用水的設(shè)備，因此，研究一套小型標(biāo)準(zhǔn)化洗衣機(jī)能效檢測用水處理設(shè)備，對于洗衣機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的必要性顯而易見。

1 洗衣機(jī)能效檢測用水系統(tǒng)功能需求分析與總體架構(gòu)設(shè)計

（1）系統(tǒng)功能需求分析

本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)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(diào)整，整個系統(tǒng)的裝置體積整體在2m2，水箱大小600 L。本系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)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(jī)交互設(shè)備上顯示水量值、溫度、壓力、流量、水硬度實(shí)時值。

1） 加水功能：在界面上輸入需要的水量，當(dāng)水箱中的水位傳感器接收到指定水量數(shù)值，進(jìn)水停止；

2） 溫度控制功能：當(dāng)水箱水加到指定水量后，制冷機(jī)或者加熱管開始工作，當(dāng)達(dá)到指定溫度后，制冷機(jī)或加熱管停止工作，外循環(huán)一直開啟保持水溫恒定，當(dāng)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(jī)開始工作，到達(dá)指定溫度再次停止，不斷重復(fù)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(huán)控制，來實(shí)現(xiàn)水壓恒壓；

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

5） 水硬度檢測功能：在系統(tǒng)的內(nèi)部裝有水硬度檢測器，水從水箱內(nèi)抽到水硬度檢測器中，當(dāng)水的流量穩(wěn)定后，就能得到相應(yīng)的水硬度，如果水硬度不在指定的范圍內(nèi)，通過指定的飽和溶液加入水箱，達(dá)到相應(yīng)水硬度值；

6） 水量值、溫度、壓力、流量、水硬度實(shí)時顯示在人機(jī)交互設(shè)備上。

（2）控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

基于水量、水溫、水壓、流量及水硬度復(fù)合工藝以及功能需求，設(shè)計水壓溫度流量控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

洗衣機(jī)能效檢測用水設(shè)備控制系統(tǒng)采用人機(jī)交互設(shè)備，以PLC為控制器，其通過數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC的通信?？刂葡到y(tǒng)由觸摸屏、PLC、各執(zhí)行元件組成。

1）觸摸屏。觸摸屏是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的設(shè)備，是一種可接收觸頭等輸入信號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動各種連結(jié)裝置，可用以取代機(jī)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(yùn)行組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、工況監(jiān)控、數(shù)據(jù)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(shù)字運(yùn)算控制器微處理器的控制器，可以將控制指令隨時載入內(nèi)存進(jìn)行儲存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蒀PU、指令及數(shù)據(jù)內(nèi)存、輸入/輸出接口、電源、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)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(shù)字量或模擬量的輸入輸出，實(shí)現(xiàn)對洗衣機(jī)能效檢測用水設(shè)備控制系統(tǒng)的控制。

3）執(zhí)行元件。執(zhí)行元件由凈水器、電磁閥、增壓水泵、冷水機(jī)、可控硅調(diào)壓器（加熱器）、變頻器、PID控制器、流量采集系統(tǒng)等組成。PLC根據(jù)用戶指令結(jié)合傳感器的采集信號對設(shè)備執(zhí)行元件進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對水壓、水溫、流量等的控制。

2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計

（1）硬件選型

人機(jī)交互設(shè)備應(yīng)選用可靠的顯控觸摸屏。PLC系統(tǒng)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(jìn)行PLC選型時，輸入輸出點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性以及響應(yīng)速度，需要考慮PLC的儲存量以及處理速度。根據(jù)常規(guī)的編程來統(tǒng)計，大抵需要數(shù)字量I /O點(diǎn)數(shù)是模擬量的10～15倍，由系統(tǒng)功能需求分析可知，PLC的模擬量需要4個輸入點(diǎn)用于采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。PLC繼電器輸出模塊需要17個點(diǎn)用于控制電磁閥、電機(jī)等；RS 485接口連接5個溫度采集數(shù)據(jù)表，1個硬度檢測計，1個PID控制器。模擬量和數(shù)字量輸出輸入模塊除所需的點(diǎn)數(shù)外，還需預(yù)留一定的點(diǎn)數(shù)。

在控制出水水壓時，通過PID控制器采集實(shí)時壓力傳感器數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)速來控制壓力，應(yīng)選擇過載能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的變頻器。水壓傳感器是壓力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，本系統(tǒng)采用測量范圍為0～10 bar滿足系統(tǒng)所需壓力且可靠性強(qiáng)的壓力傳感器。

（2）硬件架構(gòu)

通過對洗衣機(jī)能效檢測用水設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)水箱進(jìn)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(jìn)行連接，控制進(jìn)水是否需要過純凈水裝置，控制冷水機(jī)是否工作，控制外循環(huán)是否開啟等。控制系統(tǒng)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(tǒng)采用其中一種方式，即PLC給予一個設(shè)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(yīng)0～10 bar，PID控制器也將4～20 mA的信號給變頻器。設(shè)置變頻器參數(shù)時，使4～20 mA的電流信號對應(yīng)變頻器輸出頻率0～50 Hz。設(shè)置模擬量4 mA對應(yīng)變頻器輸出頻率0 Hz，設(shè)置模擬量20mA對應(yīng)變頻器輸出頻率50 Hz。變頻器參數(shù)設(shè)置完成后，將PLC與PID控制器、變頻器、增壓水泵進(jìn)行連接。PLC與PID控制器采用RS485通信方式進(jìn)行信號傳輸。

（3）軟件設(shè)計

對洗衣機(jī)能效檢測用水設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計之前，需要結(jié)合控制系統(tǒng)功能需求和控制方案，選擇合適的軟件設(shè)計工具。由功能需求分析可知，洗衣機(jī)能效檢測用水設(shè)備控制系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備需具有工況實(shí)時顯示、加工數(shù)據(jù)儲存與查詢、加工參數(shù)設(shè)定等功能。通過系統(tǒng)架構(gòu)可知，人機(jī)交互設(shè)備需能與PLC建立通信連接。同時，人機(jī)交互設(shè)備應(yīng)具備上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫的功能，便于數(shù)據(jù)的儲存與查詢。結(jié)合以上分析，這里選用DOPSOFT軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計，該軟件通Ethernet標(biāo)準(zhǔn)接口訪問數(shù)據(jù)庫，可以滿足設(shè)計需求。

3 工作過程

洗衣機(jī)能效檢測用水設(shè)備控制系統(tǒng)具有手動與自動控制兩種模式。當(dāng)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(chǎn)，工作人員應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)備操作規(guī)范，同時，在設(shè)計手動控制程序時應(yīng)設(shè)置緊急報警停機(jī)程序，避免危險發(fā)生。在選擇自動控制模式時，洗衣機(jī)能效檢測用水設(shè)備控制系統(tǒng)將按照以下步驟一次啟動。系統(tǒng)主要工作流程圖如圖3所示。系統(tǒng)的具體工作步驟如下：

（1）啟動進(jìn)水電磁閥，開始往水箱里面加水。

（2）當(dāng)水箱里面水超過水位下限，打開外循環(huán)電磁閥。

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

（4）實(shí)時讀取水箱內(nèi)水位傳感器，當(dāng)水位傳感器的數(shù)值等于設(shè)置的數(shù)位數(shù)值，進(jìn)水電磁閥關(guān)閉。

（5）當(dāng)水箱內(nèi)水位等于設(shè)置水位，溫度等于設(shè)置溫度，系統(tǒng)開始抽取水箱內(nèi)的水進(jìn)入硬度檢測器，如果水硬度滿足設(shè)置值，進(jìn)行下一步；如果水硬度不滿足，按照算法，從3個飽和溶液內(nèi)抽取相應(yīng)溶液到水箱進(jìn)行混合，直至水硬度滿足設(shè)定值。

（6）當(dāng)系統(tǒng)滿足設(shè)置水溫度、水容量、水硬度后，打開出水電磁閥，關(guān)閉循環(huán)電磁閥，開始往洗衣機(jī)進(jìn)水，同時讀取實(shí)時流量。

（7）當(dāng)洗衣機(jī)進(jìn)水電磁閥關(guān)閉后，系統(tǒng)檢測到實(shí)時流量小于10 mL/S，系統(tǒng)打開循環(huán)電磁閥，保持水溫恒定。

（8）當(dāng)洗衣機(jī)進(jìn)水電磁閥打開后，系統(tǒng)檢測到流量大于10 mL/S，系統(tǒng)關(guān)閉循環(huán)電磁閥，開始往洗衣機(jī)注水，不斷重復(fù)步驟（7）、（8），直至累計流量等于系統(tǒng)設(shè)置水容量，工作結(jié)束。

4 結(jié) 論

本文介紹采用PLC、人機(jī)交互設(shè)備等構(gòu)建洗衣機(jī)能效檢測用水設(shè)備控制系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)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(jī)能效檢測用水設(shè)備的自動化程度。本次設(shè)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(tài)軟件的水溫、水壓、水硬度及pH值、流量控制系統(tǒng)，使用軟件進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計，并在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)了對電磁閥的啟停以及水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，為小型標(biāo)準(zhǔn)化的洗衣機(jī)能效檢測用水處理設(shè)備設(shè)計提供了思路。

參考文獻(xiàn)

電動洗衣機(jī)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(jī)：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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品的檢測研究。

（責(zé)任編輯：張佩玉）