基于PLC的洗衣机能效检测用水控制系统设计

厉登科 陈姗 朱科行 戚庆烽

摘 要：洗衣机能效检测用水对洗衣机能效检测的三个关键指标（洗净比、耗电量和用水量）影响非常大，而大多数中小企业都不具备对水进行完全满足标准要求的处理，这就导致产品质量产生一定波动。本文介绍基于PLC对洗衣机能效检测用水进行水压控制、温度控制、流量控制以及对出水水硬度的检测与调控制系统设计，为小型标准化的洗衣机能效检测用水处理设备设计提供了思路。

关键词：PLC，能效检测，控制系统设计

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

0 引 言

近年来，在能源紧缺的大背景下，能效标签和最低能效标准已成为世界各国限制他国电器产品进口的有效手段。特别是中东、东南亚、南美等新兴国家纷纷借鉴欧美等国做法，针对洗衣机出台相关能效法规，对相关出口产业造成了较大影响。就洗衣机能效检测[1]用水看，大多数中小企业都未能对水进行满足标准要求的处理，基本上仅能满足对水温的不精确控制。这种情况下，工厂所获取的洗衣机的洗净比、耗电量、用水量[2]数据偏差很大。目前市面上并没有成型的专门针对洗衣机能效检测用水的设备，因此，研究一套小型标准化洗衣机能效检测用水处理设备，对于洗衣机生产企业的必要性显而易见。

1 洗衣机能效检测用水系统功能需求分析与总体架构设计

（1）系统功能需求分析

本系统要求实现出水水压控制、温度控制、流量控制以及对出水水硬度及pH值[3]的检测与调整，整个系统的装置体积整体在2m2，水箱大小600 L。本系统需实现加水功能、温度控制功能、水压控制功能、流量控制功能、水硬度及pH值检测功能，并且在人机交互设备上显示水量值、温度、压力、流量、水硬度实时值。

1） 加水功能：在界面上输入需要的水量，当水箱中的水位传感器接收到指定水量数值，进水停止；

2） 温度控制功能：当水箱水加到指定水量后，制冷机或者加热管开始工作，当达到指定温度后，制冷机或加热管停止工作，外循环一直开启保持水温恒定，当水温小于指定温度下限或大于指定温度上限，加热管或者制冷机开始工作，到达指定温度再次停止，不断重复上述步骤保证水温恒定；

3） 水压控制功能：在出水口装有压力传感器，增压水泵采取PID闭环控制，来实现水压恒压；

4） 流量控制功能：在出水口装有流量传感器，当水流过流量传感器，实时记录出水流量，在相对的时间内就能得到出水总量；

5） 水硬度检测功能：在系统的内部装有水硬度检测器，水从水箱内抽到水硬度检测器中，当水的流量稳定后，就能得到相应的水硬度，如果水硬度不在指定的范围内，通过指定的饱和溶液加入水箱，达到相应水硬度值；

6） 水量值、温度、压力、流量、水硬度实时显示在人机交互设备上。

（2）控制系统总体架构设计

基于水量、水温、水压、流量及水硬度复合工艺以及功能需求，设计水压温度流量控制系统，控制系统架构如图1所示。

洗衣机能效检测用水设备控制系统采用人机交互设备，以PLC为控制器，其通过数据线实现触摸屏与PLC的通信。控制系统由触摸屏、PLC、各执行元件组成。

1）触摸屏。触摸屏是实现人机交互的设备，是一种可接收触头等输入信号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。通过在触摸屏中运行组态软件，实现参数设定、工况监控、数据存储等功能。

2）PLC。即可编程逻辑控制器，一种用于自动化控制的数字运算控制器微处理器的控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。可编程控制器由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成。PLC可接收控制指令、传感器采集的信息以及数字量或模拟量的输入输出，实现对洗衣机能效检测用水设备控制系统的控制。

3）执行元件。执行元件由净水器、电磁阀、增压水泵、冷水机、可控硅调压器（加热器）、变频器、PID控制器、流量采集系统等组成。PLC根据用户指令结合傳感器的采集信号对设备执行元件进行控制，进而实现系统对水压、水温、流量等的控制。

2 系统硬件与软件设计

（1）硬件选型

人机交互设备应选用可靠的显控触摸屏。PLC系统则由CPU、电源、输入电路、输出电路、存储器和通信接口电路几大部分组成。在进行PLC选型时，输入输出点数应根据系统功能需求和控制流程确定。同时，为了保证水温、水压等控制系统稳定性以及响应速度，需要考虑PLC的储存量以及处理速度。根据常规的编程来统计，大抵需要数字量I /O点数是模拟量的10～15倍，由系统功能需求分析可知，PLC的模拟量需要4个输入点用于采集相应数据。PLC继电器输出模块需要17个点用于控制电磁阀、电机等；RS 485接口连接5个温度采集数据表，1个硬度检测计，1个PID控制器。模拟量和数字量输出输入模块除所需的点数外，还需预留一定的点数。

在控制出水水压时，通过PID控制器采集实时压力传感器数据，由PID控制器给出4～20 mA模拟量来控制变频器的频率，从而控制增压水泵的转速来控制压力，应选择过载能力强、可靠性强的变频器。水压传感器是压力控制系统的关键部件，本系统采用测量范围为0～10 bar满足系统所需压力且可靠性强的压力传感器。

（2）硬件架构

通过对洗衣机能效检测用水设备控制系统进行硬件设计，以实现水箱进水控制，水泵增压、水温恒定控制以及水流量的控制。PLC与电磁阀通过PLC继电器输出模块进行连接，控制进水是否需要过纯净水装置，控制冷水机是否工作，控制外循环是否开启等。控制系统的硬件组成如图2所示。

PLC控制变频器具有多种方式，本系统采用其中一种方式，即PLC给予一个设定值与PID控制器采集到的信号做比较。压力控制器所给的信号为4～20 mA对应0～10 bar，PID控制器也将4～20 mA的信号给变频器。设置变频器参数时，使4～20 mA的电流信号对应变频器输出频率0～50 Hz。设置模拟量4 mA对应变频器输出频率0 Hz，设置模拟量20mA对应变频器输出频率50 Hz。变频器参数设置完成后，将PLC与PID控制器、变频器、增压水泵进行连接。PLC与PID控制器采用RS485通信方式进行信号传输。

（3）软件设计

对洗衣机能效检测用水设备控制系统进行软件设计之前，需要结合控制系统功能需求和控制方案，选择合适的软件设计工具。由功能需求分析可知，洗衣机能效检测用水设备控制系统的人机交互设备需具有工况实时显示、加工数据储存与查询、加工参数设定等功能。通过系统架构可知，人机交互设备需能与PLC建立通信连接。同时，人机交互设备应具备上传数据到数据库的功能，便于数据的储存与查询。结合以上分析，这里选用DOPSOFT软件进行人机交互界面设计，该软件通Ethernet标准接口访问数据库，可以满足设计需求。

3 工作过程

洗衣机能效检测用水设备控制系统具有手动与自动控制两种模式。当选择手动控制模式时，需要操作人员手工操作完成每一个加工步骤。为保证安全生产，工作人员应严格遵守设备操作规范，同时，在设计手动控制程序时应设置紧急报警停机程序，避免危险发生。在选择自动控制模式时，洗衣机能效检测用水设备控制系统将按照以下步骤一次启动。系统主要工作流程图如图3所示。系统的具体工作步骤如下：

（1）启动进水电磁阀，开始往水箱里面加水。

（2）当水箱里面水超过水位下限，打开外循环电磁阀。

（3）根据触摸屏上设备的温度与出水口温度做对比，如果设置温度小于出水口温度，系统开始启动冷水机开始制冷；如果设置温度大于出水口温度，系统开始启动可控硅加热器开始加热。

（4）实时读取水箱内水位传感器，当水位传感器的数值等于设置的数位数值，进水电磁阀关闭。

（5）当水箱内水位等于设置水位，温度等于设置温度，系统开始抽取水箱内的水进入硬度检测器，如果水硬度满足设置值，进行下一步；如果水硬度不满足，按照算法，从3个饱和溶液内抽取相应溶液到水箱进行混合，直至水硬度满足设定值。

（6）当系统满足设置水温度、水容量、水硬度后，打开出水电磁阀，关闭循环电磁阀，开始往洗衣机进水，同时读取实时流量。

（7）当洗衣机进水电磁阀关闭后，系统检测到实时流量小于10 mL/S，系统打开循环电磁阀，保持水温恒定。

（8）当洗衣机进水电磁阀打开后，系统检测到流量大于10 mL/S，系统关闭循环电磁阀，开始往洗衣机注水，不断重复步骤（7）、（8），直至累计流量等于系统设置水容量，工作结束。

4 结 论

本文介绍采用PLC、人机交互设备等构建洗衣机能效检测用水设备控制系统，其能够實现对水恒温、恒压控制，有效提高了检测效率，在一定程度上提高了洗衣机能效检测用水设备的自动化程度。本次设计完成了对电磁阀、水泵、压力传感器、流量计、水硬度的信号采集与控制，研究了基于PLC与组态软件的水温、水压、水硬度及pH值、流量控制系统，使用软件进行监控界面设计，并在触摸屏上实现了对电磁阀的启停以及水泵转速的调节，为小型标准化的洗衣机能效检测用水处理设备设计提供了思路。

参考文献

电动洗衣机能效水效限定值及等级：GB 12021.4-2013 [S].

家用和类似用途电动洗衣机：GB/T 4288-2018 [S].

家用和类似用途电器 性能测试用水：GB/T 23119-2017 [S].

作者简介

厉登科，工程师，主要从事家用电器及附件产品的检测研究。

陈姗，硕士研究生，高级工程师，主要从事家用电器及附件产品的检测研究。

朱科行，助理工程师，主要从事家用电器及附件产品的检测研究。

戚庆烽，助理工程师，主要从事家用电器及附件产品的检测研究。

（责任编辑：张佩玉）