洗衣机风险分析及软件评估

韦 晓 田 鹏

（1.中国质量认证中心南京分中心 南京 210000；2.江苏省电子信息产品质量监督检验研究院 无锡 214174）

引言

洗衣机是一种利用电能产生机械作用的电器用具。随着家用洗衣机行业的升级和转型。家用洗衣机的智能化发展也成为了不可避免的趋势。电子控制器在洗衣机行业中的应用也成为了智能化、网络化、控制化的必要途径，其稳定性、可靠性会直接影响到使用者的使用安全。根据家电产品的安全标准，对家用洗衣机中的电子控制器所使用的嵌入式软件系统进行安全方面的评估。

本文讨论了在家用洗衣机正常工作的情况下，对可能产生的安全隐患进行了风险分析，针对不同的安全隐患提出了软件评估中检测的需求。在GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》、GB 4706.24-2008 《家用和类似用途电器的安全 洗衣机的特殊要求》、GB 14536.1-2008 《家用和类似用途电自动控制器 第1部分：通用要求》、GB/T 17499-2008《家用洗衣机电脑程序控制器》 等标准中，均有对电子控制器部分有要求，并对电子控制器的软件部分提出了评估方法。

1 家用洗衣机风险分析

1.1 风险分析概述

家用洗衣机风险分析的目的是确立洗衣机在检测时需要考虑到安全测试方面的需求，对安全防护方面的试验要做好充足的准备，本文根据家用洗衣机中常用的一些安全要求，从四个方面对风险的种类和原因进行了探讨。

1.2 电机过热

家用洗衣机电机的过热通常是由变压器供电的电路时，在正常工作中可能发生的短路或过载的情况，在这些情况下电机会发生过热，从而导致电机发生起火或防护的损坏。电机过热起火的原因通常是转子堵转、定子缺相和电机过载造成的，洗衣机异常的工作状态通过检测电机信号来停止电机的运行，保护流程如图1所示。

图1 电机过热

1.3 机门异常

家用洗衣机的机门异常，通常是机内波轮正常工作的情况下，由于洗衣机对机门异常打开情况的失控，人体可能有接触到高速旋转的机内波轮的危险，对人体造成伤害。

机门状态的异常是由于洗衣机门锁失效导致的，门锁的失效会由上位机的基础软硬件进行保护，当基础软硬件对开门状态的信号没有响应的时，通常会对电机进行刹车处理，对于变频洗衣机来说，变频信号通信超过一定时间后电机立即刹车，保护流程如图2所示。

图2 机门异常

1.4 水溢出

洗衣机在设计时会安装水位监测装置，当水位达到限值时关闭进水口，水位监测的失效会导致水不断溢出机桶，诱发机体外的一些不确定的危险因素，特别带有电加热功能的洗衣机，会有更多的不安全隐患。

水溢出可以通过门锁可进水口开关进行，控制，一方面防止带加热器的洗衣机导致的热水溢出烫伤人体，另一方面切断进水口防止危险的蔓延，水溢出的流程如图3。

图3 水溢出

1.5 加热器过温

水温过高的风险主要是针对有加热功能的洗衣机，当洗衣桶内水温超过一定温度后控制器能够很好的对门进行控制，在国家标准中对洗衣机的水温没有强制的规定，考虑到水温过高可能有烫伤人体的危险，针对这部分也需要进行安全考核。

对于有加热功能的洗衣机，在进行水温保护时会面临两种风险，基础软硬件的失效和温度传感器的失效。基础软硬件的失效可以通过一定的延迟来判断是否有信号的接收，对门锁或加热器进行控制。温度传感器的失效通过接收ADC模块来判断数据是否异常，进行保护处理，加热器过温流程如图4。

图4 加热器过温

1.6 触碰工作状态的内桶

洗衣机高速运转的同时，人体有意外触碰内桶的风险，这种风险通过对门锁的控制和电子转子转速的监测进行安全保护。

开门状态下的电机转动，通过检测门锁开关，停止电机的转动。

电机转子转速过快，上位机/转速表/门锁失效时，通过控制器对上位机响应时间过长进行电机和门锁的控制，流程如图5。

图5 接触工作状态的内桶

2 洗衣机的安全标准中对风险的规范

电机和门锁控制是洗衣机安全防护中最重要的两个方面，几乎所有的洗衣机都应当有这两种防护措施，根据不同洗衣机的功能还存在着其他的安全措施，在GB 4706.1-2005和GB 4706.24-2008中，详细规定了洗衣机的安全规范，对洗衣机的安全软件评估提供了极大的参考价值。

2.1 电机的安全规范

堵转保护，条款19.7（非正常工作）对电机的堵转有详细的要求，在试验期间对不同绕组的温度有所规定。

缺相保护，条款19.8（非正常工作）对三相电机的器具，断开其中一相，在正常工作状态下，持续电机至稳定状态所建立的时间。

过载保护，条款19.9（非正常工作）电机在在建立正常稳定的工作状态下，增大负载，电流以10%升高后再次稳定工作条件下，对绕组最大温升有所要求。

2.2 门锁的安全规范

电机运转保护（门锁），条款20.103、20.104、20.105中规定洗衣机的电机只能在机门关闭时才能运转，当转速超过60 r/min时应当不能打开机门，机门如果被打开超过50 mm后，电机应在7 s内降至60 r/min，如果洗衣机是从前面装入负载且门可以打开，电机应当在机门打开距离超过50 mm前断电。

热水溢出保护（门锁）条款22.101中规定当水高于门边缘较低位置时，不能通过正常手段打开（具有安全连锁装置的除外）。条款22.102、22.103中描述衣物不能够接触到电热元件，水温超过50 ℃时，机门不能够被打开。

2.3 其他安全规范

保护电子电路故障，条款19.11（非正常工作），根据标准规定符合第19章要求的保护电子电路，以19.11.2中a到f要求，进行单一故障方式重复进行有关的试验。

不平衡保护，如果洗衣机的机械稳定性依靠电子设备，不平衡性也是一个安全考核的要求。洗衣机的机械稳定性由整机保证，在洗衣机偏离最大中心的情况下能够正常使用。

3 安全软件的评估

3.1 电机保护

电机的堵转、缺相和过载的保护通过温度传感器对电机绕组的温度进行监测。

图6 电机过热保护

电机的堵转也可以使用可控硅、霍尔传感器或其他方法来反馈电机的转速，当电机在处于正常工作状态下，电机转速为0的时，上位机判断电机处于异常状态，对电机进行异常状态的处理。如图6，通过AD运算放大器（817AN）收集来自可控硅的信息，端口速度反馈大于当前目标转速的60 r/min时,认为可控硅异常，电机过速错误。读取信号，当检测到可控硅异常信号时，软件上，切断火线，同时报故障代码，并蜂鸣报警，如图7所示。

图7 电机转速保护

3.2 门锁保护

门锁的保护是根据当前门锁的状态，并结合门锁当前的控制状态（锁门还是开门）来确定是否需要进行保护。上位机读取门开关测试模块，当检测到异常门开关信号时，切断电机工作，同时报故障代码，并蜂鸣报警。

门锁的保护主要针对电机的异常、水温的异常和水位的异常状态。

上位机发现速度信号是大于或等于60 r/min，系统将对门锁进行控制，当门是未锁状态，电机被立刻切断电源。门锁解锁的型号应当在电机转速低于60 r/min。在图8中，在对电机进行保护的同时也会对门锁进行控制。

热水溢出的状态下是要对水温和水位同时进行监测。对于有加热功能的洗衣机，内桶水温信号被监测到等于或高于50 ℃，系统将锁门或保持锁门状态，直到水温低于50 ℃。水位传感器主要使用在桶的最上端，当水位超过限制后，系统也会对门锁进行控制。在图8中XS4是水位传感器，通过接口CD4069的pin6将模拟信号传输到上位机分析如图8所示。

图8 门锁保护

3.3 其他安全保护

电子线路异常，如果基础软硬件失效，应当通过控制器的自检功能来发现，GB 14531.1-2008，附录H中条款11.12.7对非A类软件功能的控制器，应当在控制器内部提供有关安全部分的措施。为保证基础软硬件系统的完整性，对程序内部进行差错，示例代码如下：

TM RG5ZT，#B50JS（检查时间标志）；

JR Z，M1（没有达到要求，跳转M1）；

AND RG5ZT，#0FFH^B50JS（清时间标志）；

OR BTCON，#BBIT1（清计数器）。

在对端口控制中会进行I/O接口的软硬件比较，校验芯片输出驱动信号的同时，检测输入信号是否正常。

如果电子线路完全失效门锁保持锁上的状态，电机和加热器停止工作。

通讯异常，在H.11.12.7中，对通讯数据进行CRC-8校验，以防止通讯数据被修改。

不平衡保护应当是在洗衣机工作时，不能有内桶桶倾倒撞击其它部件情况，而且机器还能正常使用。通常这部分是由机械进行保护。

电机可控硅短路保护在洗衣机安全电路当中应用非常广泛，低速时电机可控硅短路将导致桶跳动,导致机械危险，这不符合GB 4706.1，条款 19.13危险失效的要求。电机可控硅短路在整个软件里被监测，在电机可控硅短路被监测到以后，电机会被立刻停止。

4 结论

目前洗衣机的硬件技术发展已达瓶颈，洗衣机厂商的硬件结构可发展性较小，不同品牌洗衣机之间的机械结构差距不大。但对于软件方面有着广阔的空间，不同的软件设计会使洗衣机的功能和安全性差异很大，这些包括智能的控制电流，水量，洗涤时间，电机转速，噪声控制等，这些性能的提高往往是洗衣机在当下市场中厂家互相竞争的关键点。

洗衣机的安全软件评估是家用电器检测的重要环节，随着软件评估的广泛实施，洗衣机控制器中的软件系统将不仅仅是对安全软件的执行，更加倚重的是对安全软件编译的优化和质量的提高。

本文通过对洗衣机在正常使用过程当中，对异常状态下的软件需求进行了分析，结合标准从电机的保护，门锁的控制作为着重点，其他安全需求作为辅助点对洗衣机的安全评估提出了评估方向，对在安全软件中常用的安全措施进行了阐述。在实际的评估过程当中，不能简单的认定洗衣机在电机、门锁和其他方面是否需要进行软件评估，要通过对洗衣机整体结构的考核和非正常工作条件下的试验来确定是否需要进行软件的评估。