一種基于PLC的蹲便馬桶排泄沖刷控制系統(tǒng)

高翔海

（華衛(wèi)（寧波）衛(wèi)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(jí)，傳統(tǒng)馬桶逐漸被淘汰，傳統(tǒng)蹲便馬桶是利用虹吸原理，浪費(fèi)水嚴(yán)重，每次沖廁用水達(dá)到6000 毫升，過(guò)去的蹲便馬桶幾乎沒(méi)有什么智能化，自發(fā)明以來(lái)沒(méi)有顯著的改進(jìn)，制作時(shí)采用了陶瓷煅燒工藝，消耗大量能源，破壞自然環(huán)境；目前世界上的智能馬桶主要是以智能馬桶蓋為主，對(duì)漏便和沖刷方面也很少有智能化設(shè)計(jì)，并且在馬桶后面有個(gè)大水箱；為了改變這一現(xiàn)狀，我對(duì)外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顛覆性地創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將過(guò)去的陶瓷馬桶設(shè)計(jì)成可注塑的工程塑料馬桶，可以大量節(jié)約自然資源及能源，生產(chǎn)效率高，可以個(gè)性化定制，特別是在漏便沖便上采用了自動(dòng)化控制技術(shù)：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(shí)控制自來(lái)水沖廁，沖廁只沖殘?jiān)嗄酰瑳_水時(shí)間電腦程序可控，用水量只有600 毫升，是傳統(tǒng)馬桶用水量的十分之一，達(dá)到了節(jié)水減排的效果，采用無(wú)水箱設(shè)計(jì)，直接用自來(lái)水沖洗，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)沖刷和自動(dòng)排泄，是目前普及智能家居的趨勢(shì)。

2.蹲便器閘閥控制以及排泄沖刷控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖1 硬件接口說(shuō)明圖

蹲便馬桶閘閥控制以及排泄沖刷控制系統(tǒng)采用了工業(yè)級(jí)PLC控制技術(shù)，通過(guò)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(hù)功能，使用起來(lái)更加安全可靠，紅外探頭和接近開(kāi)關(guān)采用工業(yè)級(jí)的三線NPN 型常開(kāi)感應(yīng)開(kāi)關(guān)，防水防潮，長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，直流電機(jī)得到指令信號(hào)動(dòng)作、帶動(dòng)電磁離合實(shí)現(xiàn)閘閥的開(kāi)口和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)漏便功能，電磁閥打開(kāi)（或抽水泵動(dòng)作）可實(shí)現(xiàn)沖廁功能，本系統(tǒng)設(shè)有腳動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)功能，所有動(dòng)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(shí)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(tǒng)的控制板設(shè)計(jì)和硬件接口說(shuō)明圖如上所示。

2.1 輸入輸出點(diǎn)接口設(shè)計(jì)說(shuō)明

輸入點(diǎn)X0 是工業(yè)級(jí)NPN 型常開(kāi)紅外感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)，輸入點(diǎn)X1 是閘閥開(kāi)口到位信號(hào)，采用工業(yè)級(jí)NPN 型接近開(kāi)關(guān)定位；輸入點(diǎn)X2 是閘閥關(guān)閉到位信號(hào)，采用NPN 型常開(kāi)接近開(kāi)關(guān)定位；輸入點(diǎn)X3 是半自動(dòng)沖廁信號(hào)，采用復(fù)位按鍵開(kāi)關(guān)；輸出點(diǎn)是8 個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)：Y0、Y1 信號(hào)是閘閥驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，可使閘刀（或滾筒）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，Y2 為電磁離合驅(qū)動(dòng)輸出，Y3 是沖廁電磁閥，Y4 是廢水抽水泵沖廁輸出驅(qū)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)定時(shí)新風(fēng)排臭功能，保證蹲便馬桶周圍空氣新鮮，當(dāng)系統(tǒng)遇到電機(jī)卡死，電腦會(huì)自動(dòng)復(fù)位，保護(hù)電機(jī)，重新感應(yīng)后恢復(fù)正常狀態(tài)。

2.2 電源適配器工作原理

本系統(tǒng)的24 伏直流電源來(lái)源于電源適配器，電源適配器由兩部分構(gòu)成，即由漏電保護(hù)器和開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成，當(dāng)漏電電流大于20 毫安漏電保護(hù)會(huì)切斷電源，當(dāng)24V 直流輸出有短路或超壓時(shí)也會(huì)切斷電源，通到蹲便器的電源電壓只有直流24 伏，三級(jí)保護(hù)，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(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

閘閥驅(qū)動(dòng)模塊：閘閥驅(qū)動(dòng)模塊用于接收PLC 控制器發(fā)送的指令并打開(kāi)閘閥排泄。驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)配合蹲便器排泄結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)。本實(shí)施例中閘閥驅(qū)動(dòng)模塊包括閘閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁離合，應(yīng)用到摘要中涉及的蹲便器結(jié)構(gòu)，根據(jù)閘閥的結(jié)構(gòu)，結(jié)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閘閥運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閘閥水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)電機(jī)，電磁離合，鏈條、齒輪四者之間的配合實(shí)現(xiàn)閘閥的開(kāi)啟和關(guān)閉；當(dāng)閘閥設(shè)計(jì)成滾筒狀時(shí)，結(jié)合電機(jī)、電磁離合、齒輪連接軸等部件實(shí)現(xiàn)閘閥的開(kāi)啟、關(guān)閉；馬桶斷電后可用機(jī)械控制方式來(lái)沖廁，斷電后電機(jī)和電磁離合分離，機(jī)械式開(kāi)啟、關(guān)閉不會(huì)受到電機(jī)的額外干涉，因此應(yīng)用電機(jī)、電磁離合器配合相應(yīng)的傳動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)閘閥的開(kāi)啟和關(guān)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(jī)構(gòu)、水泵沖刷機(jī)構(gòu)和三角閥沖刷機(jī)構(gòu)；三角閥沖刷機(jī)構(gòu)，是采用閘閥開(kāi)啟，關(guān)閉過(guò)程中，采用聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)（例如杠桿），帶動(dòng)三角閥開(kāi)啟、關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)沖刷動(dòng)作，電磁閥沖刷機(jī)構(gòu)，直接配合自來(lái)水使用，水泵沖刷機(jī)構(gòu)配合廢水回收系統(tǒng)使用。

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

新風(fēng)模塊：用于定時(shí)排臭功能的新風(fēng)模塊，新風(fēng)模塊主要包括排風(fēng)扇和電磁單相閥組。

紅外感應(yīng)探頭接收模塊（X0 信號(hào)）：通電，在探頭上紅色指示燈亮1 秒鐘，提示上電正常；進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，紅色指示燈每隔10 秒鐘閃爍一次，表示系統(tǒng)運(yùn)行正常。當(dāng)感應(yīng)區(qū)域內(nèi)有人靠近時(shí)，紅色指示燈亮，人正在大便（或小便）時(shí)紅燈一直亮無(wú)輸出，人離開(kāi)感應(yīng)區(qū)域后，紅色指示燈滅，并延時(shí)3秒鐘，X0 接通2 秒鐘，X0 接通時(shí)綠色指示燈常亮，X0 斷開(kāi)后，系統(tǒng)重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，每隔10 秒閃爍紅燈一次進(jìn)入常態(tài)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)人感應(yīng)被觸發(fā)后，第一個(gè)人已離開(kāi)感應(yīng)區(qū)域，在延時(shí)的3 秒鐘內(nèi)第二個(gè)人再次被感應(yīng)觸發(fā)，則不動(dòng)作，而是重新回到感應(yīng)狀態(tài)，紅色指示燈常亮，一直到第二個(gè)人離開(kāi)感應(yīng)區(qū)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(jī)+人體紅外感應(yīng)系統(tǒng)+24 伏安全電壓供電，感應(yīng)距離60厘米，系統(tǒng)功耗低、靈敏度高、性能安全穩(wěn)定、無(wú)觸點(diǎn)勞損、性價(jià)比高，設(shè)有過(guò)流，過(guò)壓和漏電保護(hù)功能，是目前比較高端的顛覆性設(shè)計(jì)理念產(chǎn)品。設(shè)計(jì)說(shuō)明－紅外感應(yīng)探頭設(shè)計(jì)成三線NPN 型常開(kāi)感應(yīng)開(kāi)關(guān)，插頭要用三芯防水插頭，紅線接24V 正，藍(lán)線接24V 負(fù)極，黑線接信號(hào)輸出，有信號(hào)輸出時(shí)，黑線與藍(lán)線接通為0V，拉為低電平；紅外感應(yīng)距離為60 厘米，扇形30°角向外發(fā)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(shè)備。

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

閘閥關(guān)閉到位信號(hào)模塊（X2 信號(hào)）：X2 接通閘閥關(guān)閉到位，并使系統(tǒng)復(fù)位，X2 信號(hào)也是系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。

半自動(dòng)信號(hào)模塊（X3 信號(hào)）：X3 接通會(huì)啟動(dòng)排泄和沖刷系統(tǒng)、進(jìn)行沖便動(dòng)作，半自動(dòng)模塊為可以復(fù)位的按鍵開(kāi)關(guān)。

電源保護(hù)模塊：電源保護(hù)模塊包含在電源適配器和漏電保護(hù)線路內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)有20 毫安以上漏電電流時(shí)，漏電保護(hù)器部分會(huì)自動(dòng)切斷電源保護(hù)整個(gè)控制系統(tǒng)，當(dāng)控制系統(tǒng)中有元件燒壞短路時(shí)，電源適配器中的開(kāi)關(guān)電源會(huì)停止輸出，保護(hù)本身同時(shí)保護(hù)PLC 控制系統(tǒng)。

4.蹲便馬桶閘閥控制以及排泄沖刷控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能蹲便馬桶控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是蹲便器工作安全性的關(guān)鍵，程序分為主程序和保護(hù)程序，PLC 支持梯形圖語(yǔ)言，按系統(tǒng)要求編寫，經(jīng)調(diào)試符合要求后下載到PLC，每一步程序都要通過(guò)上機(jī)嚴(yán)格測(cè)試，程序編寫說(shuō)明如下：

當(dāng)人走近蹲便器時(shí)，蹲便器不會(huì)發(fā)生任何動(dòng)作，大便期間5 秒內(nèi)離開(kāi)感應(yīng)區(qū)（或離開(kāi)再回到感應(yīng)區(qū)），蹲便器閘閥也不會(huì)動(dòng)作，只有當(dāng)人離開(kāi)感應(yīng)區(qū)5 秒后，電磁離合吸合同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)鏈條拉動(dòng)閘閥開(kāi)啟，若在開(kāi)啟過(guò)程中遇到異物卡死，系統(tǒng)會(huì)因超過(guò)時(shí)間而復(fù)位，保護(hù)設(shè)備（程序里加一個(gè)定時(shí)器記開(kāi)啟時(shí)間作為保護(hù)）。當(dāng)閘閥開(kāi)口到位后，觸動(dòng)接近開(kāi)關(guān)，X1 得到信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電磁閥打開(kāi)沖廁，沖廁兩秒后，電磁閥關(guān)閉，接著電機(jī)重新啟動(dòng)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)閘閥開(kāi)始關(guān)閉，觸動(dòng)到接近開(kāi)關(guān)，X2 得到信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)復(fù)位。當(dāng)閘閥關(guān)閉到位后，接近開(kāi)關(guān)接通使系統(tǒng)復(fù)位，同時(shí)彈簧恢復(fù)原位；如果閘閥沒(méi)有恢復(fù)原位，電機(jī)和離合將重新啟動(dòng)，進(jìn)行第二次沖廁，第二次沖廁完畢后，系統(tǒng)將恢復(fù)到初始狀態(tài)。如果在開(kāi)啟過(guò)程中，遇到鏈條卡死，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，保護(hù)電機(jī)，如果在回位時(shí)有東西卡死，除了再?zèng)_一次馬桶外，系統(tǒng)在沖完第二次時(shí)自動(dòng)復(fù)位。電磁閥沖廁和用抽水電機(jī)沖廁可以任選一種方式，也可以直接用抽水電機(jī)抽廢水沖廁。沖廁完畢后，會(huì)自動(dòng)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(tǒng)每半小時(shí)對(duì)馬桶周圍的臭氣進(jìn)行抽風(fēng)一次，抽風(fēng)時(shí)間2 分鐘，抽風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)動(dòng)作，單向閥打開(kāi)，將臭氣抽到下水道，抽風(fēng)完畢，單向閥關(guān)閉。

5.結(jié)語(yǔ)

智能蹲便馬桶的閘刀在直流電機(jī)和電磁離合的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了閘閥的開(kāi)口和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)了漏便功能，電磁閥打開(kāi)或抽水泵動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了沖刷排泄功能，本系統(tǒng)設(shè)有腳動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)功能，半自動(dòng)和全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了程序控制，軟件實(shí)現(xiàn)了防抱死效果，實(shí)現(xiàn)了一遍沖廁不徹底可以沖廁第二遍，用水多少實(shí)現(xiàn)了程序控制，停電時(shí)可用腳踏沖廁，能讓客戶在停電、停水的狀態(tài)下照常使用馬桶，沖廁完畢后，會(huì)自動(dòng)給蹲坑馬桶進(jìn)行臭氧消毒。該發(fā)明的創(chuàng)造和設(shè)計(jì)已經(jīng)被華衛(wèi)（寧波）衛(wèi)浴科技有限公司申請(qǐng)發(fā)明專利，發(fā)明人和主要負(fù)責(zé)人是高翔海，申請(qǐng)?zhí)枺?020102 822947；發(fā)明創(chuàng)造名稱：基于PLC 的蹲坑馬桶排泄沖刷控制系統(tǒng)及其使用方法；該產(chǎn)品投放市場(chǎng)后將是衛(wèi)浴行業(yè)的一場(chǎng)革命，徹底顛覆世界上的陶瓷馬桶，同時(shí)將智能馬桶進(jìn)入智能家居行業(yè)，進(jìn)入千家萬(wàn)戶，為國(guó)家節(jié)約大量的水資源和自然資源，造福于人類。