一种基于PLC的蹲便马桶排泄冲刷控制系统

高翔海

（华卫（宁波）卫浴科技有限公司，浙江 宁波 315200）

1.引言

随着智能家居的普及和升级，传统马桶逐渐被淘汰，传统蹲便马桶是利用虹吸原理，浪费水严重，每次冲厕用水达到6000 毫升，过去的蹲便马桶几乎没有什么智能化，自发明以来没有显著的改进，制作时采用了陶瓷煅烧工艺，消耗大量能源，破坏自然环境；目前世界上的智能马桶主要是以智能马桶盖为主，对漏便和冲刷方面也很少有智能化设计，并且在马桶后面有个大水箱；为了改变这一现状，我对外壳和内部结构进行了颠覆性地创新设计，将过去的陶瓷马桶设计成可注塑的工程塑料马桶，可以大量节约自然资源及能源，生产效率高，可以个性化定制，特别是在漏便冲便上采用了自动化控制技术：漏便采用电气阀门控制、漏洞性直泄清便，冲厕采用电磁阀和三角阀同时控制自来水冲厕，冲厕只冲残渣余孽，冲水时间电脑程序可控，用水量只有600 毫升，是传统马桶用水量的十分之一，达到了节水减排的效果，采用无水箱设计，直接用自来水冲洗，能够实现自动冲刷和自动排泄，是目前普及智能家居的趋势。

2.蹲便器闸阀控制以及排泄冲刷控制系统的硬件设计

图1 硬件接口说明图

蹲便马桶闸阀控制以及排泄冲刷控制系统采用了工业级PLC控制技术，通过电源适配器用24伏直流安全电压直接供电，电源适配器配有漏电、短路保护功能，使用起来更加安全可靠，红外探头和接近开关采用工业级的三线NPN 型常开感应开关，防水防潮，长寿命设计，直流电机得到指令信号动作、带动电磁离合实现闸阀的开口和关闭，从而实现漏便功能，电磁阀打开（或抽水泵动作）可实现冲厕功能，本系统设有脚动、半自动、全自动功能，所有动作用程序控制，并有防抱死程序，一遍冲厕不彻底可以冲厕第二遍，用水多少可以程序控制，停电后可采用脚踏冲厕，能让客户在停电、停水的时候照常使用马桶，是一代“傻瓜型”新型智能蹲便马桶。蹲便马桶硬件闸阀控制以及排泄冲刷控制系统的控制板设计和硬件接口说明图如上所示。

2.1 输入输出点接口设计说明

输入点X0 是工业级NPN 型常开红外感应光电开关，输入点X1 是闸阀开口到位信号，采用工业级NPN 型接近开关定位；输入点X2 是闸阀关闭到位信号，采用NPN 型常开接近开关定位；输入点X3 是半自动冲厕信号，采用复位按键开关；输出点是8 个继电器开关信号：Y0、Y1 信号是闸阀驱动直流电机正反转控制，可使闸刀（或滚筒）往复运动，Y2 为电磁离合驱动输出，Y3 是冲厕电磁阀，Y4 是废水抽水泵冲厕输出驱动，Y5 是冲便后的臭氧消毒，保证冲便后的灭菌消毒，Y6 和Y7配合实现定时新风排臭功能，保证蹲便马桶周围空气新鲜，当系统遇到电机卡死，电脑会自动复位，保护电机，重新感应后恢复正常状态。

2.2 电源适配器工作原理

本系统的24 伏直流电源来源于电源适配器，电源适配器由两部分构成，即由漏电保护器和开关电源构成，当漏电电流大于20 毫安漏电保护会切断电源，当24V 直流输出有短路或超压时也会切断电源，通到蹲便器的电源电压只有直流24 伏，三级保护，安全可靠，所有线路板打胶封装，防水防漏电，如果有坏件，板卡式更换，客户自己搞定，维修方便。

图2 蹲便器控制模块图

3.本设计开发流程

闸阀驱动模块：闸阀驱动模块用于接收PLC 控制器发送的指令并打开闸阀排泄。驱动模块对应的结构可以根据配合蹲便器排泄结构来设计。本实施例中闸阀驱动模块包括闸阀驱动电机和电磁离合，应用到摘要中涉及的蹲便器结构，根据闸阀的结构，结合传动机构实现闸阀运动。当闸阀水平运动时，通过电机，电磁离合，链条、齿轮四者之间的配合实现闸阀的开启和关闭；当闸阀设计成滚筒状时，结合电机、电磁离合、齿轮连接轴等部件实现闸阀的开启、关闭；马桶断电后可用机械控制方式来冲厕，断电后电机和电磁离合分离，机械式开启、关闭不会受到电机的额外干涉，因此应用电机、电磁离合器配合相应的传动部件实现闸阀的开启和关闭。

冲刷模块：用于冲刷清洗蹲便器的冲刷模块可以选择电磁阀冲刷机构、水泵冲刷机构和三角阀冲刷机构；三角阀冲刷机构，是采用闸阀开启，关闭过程中，采用联动机构（例如杠杆），带动三角阀开启、关闭，实现冲刷动作，电磁阀冲刷机构，直接配合自来水使用，水泵冲刷机构配合废水回收系统使用。

消毒模块：与PLC 控制器相连的对蹲便器进行消毒杀菌的消毒模块，消毒模块包括臭氧发生器（或采用喷洒消毒液消毒）。

新风模块：用于定时排臭功能的新风模块，新风模块主要包括排风扇和电磁单相阀组。

红外感应探头接收模块（X0 信号）：通电，在探头上红色指示灯亮1 秒钟，提示上电正常；进入待机状态后，红色指示灯每隔10 秒钟闪烁一次，表示系统运行正常。当感应区域内有人靠近时，红色指示灯亮，人正在大便（或小便）时红灯一直亮无输出，人离开感应区域后，红色指示灯灭，并延时3秒钟，X0 接通2 秒钟，X0 接通时绿色指示灯常亮，X0 断开后，系统重新进入待机状态，每隔10 秒闪烁红灯一次进入常态。当第一个人感应被触发后，第一个人已离开感应区域，在延时的3 秒钟内第二个人再次被感应触发，则不动作，而是重新回到感应状态，红色指示灯常亮，一直到第二个人离开感应区域后，红灯灭，绿灯亮2 秒，X0 接通2 秒。该探头采用微型单片机+人体红外感应系统+24 伏安全电压供电，感应距离60厘米，系统功耗低、灵敏度高、性能安全稳定、无触点劳损、性价比高，设有过流，过压和漏电保护功能，是目前比较高端的颠覆性设计理念产品。设计说明－红外感应探头设计成三线NPN 型常开感应开关，插头要用三芯防水插头，红线接24V 正，蓝线接24V 负极，黑线接信号输出，有信号输出时，黑线与蓝线接通为0V，拉为低电平；红外感应距离为60 厘米，扇形30°角向外发射与接收；PCB 板越小越好，尽量元器件用贴片元件，红外透镜用圆柱形以便安装设备。

闸阀开口到位信号模块（X1 信号）：X1 接通闸阀开口到位，通知Y0 直流电机停转，但电磁离合仍通电吸合，保证冲水2 秒正常。

闸阀关闭到位信号模块（X2 信号）：X2 接通闸阀关闭到位，并使系统复位，X2 信号也是系统复位信号。

半自动信号模块（X3 信号）：X3 接通会启动排泄和冲刷系统、进行冲便动作，半自动模块为可以复位的按键开关。

电源保护模块：电源保护模块包含在电源适配器和漏电保护线路内，当系统有20 毫安以上漏电电流时，漏电保护器部分会自动切断电源保护整个控制系统，当控制系统中有元件烧坏短路时，电源适配器中的开关电源会停止输出，保护本身同时保护PLC 控制系统。

4.蹲便马桶闸阀控制以及排泄冲刷控制系统的软件设计

智能蹲便马桶控制系统的软件设计是蹲便器工作安全性的关键，程序分为主程序和保护程序，PLC 支持梯形图语言，按系统要求编写，经调试符合要求后下载到PLC，每一步程序都要通过上机严格测试，程序编写说明如下：

当人走近蹲便器时，蹲便器不会发生任何动作，大便期间5 秒内离开感应区（或离开再回到感应区），蹲便器闸阀也不会动作，只有当人离开感应区5 秒后，电磁离合吸合同时驱动电机动作，带动链条拉动闸阀开启，若在开启过程中遇到异物卡死，系统会因超过时间而复位，保护设备（程序里加一个定时器记开启时间作为保护）。当闸阀开口到位后，触动接近开关，X1 得到信号，电机停止转动，同时电磁阀打开冲厕，冲厕两秒后，电磁阀关闭，接着电机重新启动开始反转，带动闸阀开始关闭，触动到接近开关，X2 得到信号，系统会复位。当闸阀关闭到位后，接近开关接通使系统复位，同时弹簧恢复原位；如果闸阀没有恢复原位，电机和离合将重新启动，进行第二次冲厕，第二次冲厕完毕后，系统将恢复到初始状态。如果在开启过程中，遇到链条卡死，系统会自动复位，保护电机，如果在回位时有东西卡死，除了再冲一次马桶外，系统在冲完第二次时自动复位。电磁阀冲厕和用抽水电机冲厕可以任选一种方式，也可以直接用抽水电机抽废水冲厕。冲厕完毕后，会自动给蹲便器用臭氧杀菌消毒一次或采用喷洒消毒液消毒。系统每半小时对马桶周围的臭气进行抽风一次，抽风时间2 分钟，抽风时风机动作，单向阀打开，将臭气抽到下水道，抽风完毕，单向阀关闭。

5.结语

智能蹲便马桶的闸刀在直流电机和电磁离合的带动下，实现了闸阀的开口和关闭，从而实现了漏便功能，电磁阀打开或抽水泵动作实现了冲刷排泄功能，本系统设有脚动、半自动、全自动功能，半自动和全自动实现了程序控制，软件实现了防抱死效果，实现了一遍冲厕不彻底可以冲厕第二遍，用水多少实现了程序控制，停电时可用脚踏冲厕，能让客户在停电、停水的状态下照常使用马桶，冲厕完毕后，会自动给蹲坑马桶进行臭氧消毒。该发明的创造和设计已经被华卫（宁波）卫浴科技有限公司申请发明专利，发明人和主要负责人是高翔海，申请号：2020102 822947；发明创造名称：基于PLC 的蹲坑马桶排泄冲刷控制系统及其使用方法；该产品投放市场后将是卫浴行业的一场革命，彻底颠覆世界上的陶瓷马桶，同时将智能马桶进入智能家居行业，进入千家万户，为国家节约大量的水资源和自然资源，造福于人类。