Lauda循環水浴器制冷故障分析與處理

李承靖，袁 偉，楊 波，李 陽，王政煒，劉 琦，蘇會忠，李 鑫

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽 621900）

0 概況

循環水浴器是化工行業科研生產的重要溫控設備，廣泛用于各種涉及溫度精確控制的場合。在化工制藥領域，越來越多的實驗要求水浴能夠按照一定的程序升溫、降溫，并且對水浴溫度的控制精度也提出了更高的要求。循環水浴器通過加熱器和制冷系統，對機內水箱中的循環水溫度進行調節，通過循環泵讓循環水在換熱螺旋管中流動，從而對試驗槽內水溫進行控制。目前國內眾多科研院所、高等院校都引進了德國Lauda公司的循環水浴器。該設備制冷能力強、控制精度高、工作溫度范圍廣、能長時間連續工作，是許多科研實驗的關鍵設備。制冷系統是循環水浴器的最為關鍵的部分，由于設備經常處于長時間連續運行狀態，難免出現各種故障。為保證重要科研活動的順利進行，及時、準確地對故障進行判斷和處理具有重要的意義。

1 故障現象

每次機器一啟動制冷，就出現故障報警，機器停機無法啟動加熱和制冷，故障代碼“Cool 9 pt1 break”。最初機器可正常啟動，當設定溫度高于水溫時，系統啟動加熱，加熱功能正常。當實際水溫度超過設定溫度時，系統自動開始啟動制冷，聽到壓縮機和散熱風扇啟動幾秒鐘，然后系統就故障報警，機器無法運行。后來只要一開機，就一直出現故障報警了，機器無法正常啟動。

2 故障分析

根據系統初期故障現象，判斷加熱系統的功能是正常的，只有系統啟動制冷的時候出現故障報警，此故障下系統自動停止加熱和制冷功能，無法正常工作。根據操作者描述，設備故障前并未做過設置變更或軟件更新，所以硬件損壞的可能性較大，推測是制冷部分某個相關器件損壞。

從與制冷相關的部件分析，引起該故障的原因初步定位在4個方面：①傳感器接線、控制回路接線有斷路、虛接等情況；②與制冷相關的某傳感器硬件損壞；③控制板損壞；④前面板損壞。

3 故障查找

硬件故障3個排查原則：①先查常見故障，諸如斷線、短路、接觸不良等常見問題應先排查；②先易后難，先檢測容易檢測的，不方便檢測的留到后面排查；③經濟原則，先排查外圍部件，最后排查控制板、操作面板等核心貴重部件。

3.1 接線排查

用萬用表檢查了控制板與前面板的通訊線，檢查了控制板外圍接線端子。經檢查，這些線路連線可靠，無斷線、短接、虛接情況，排除控制線路、端子的連接質量問題。

3.2 傳感器硬件故障排查

傳感器硬件故障會使某些信號不能反饋或者錯誤反饋到控制系統，造成系統報錯。根據本次故障的特點，這是重點排查的地方。外圍傳感器一般通過接插件的形式與主控制板相連，排查思路是對每個插口所連器件進行識別，用相關測試儀器對器件進行初步判斷，然后更換一個可替代部件或輸入類似的信號，若系統故障消除，即可判斷為故障點。

（1）拔下圖1中①號所指的插頭，順著線路梳理分析，該傳感器為散熱銅管上的溫度傳感器，為熱電偶型，用萬用表檢測檢查判斷該傳感器正常。拔下后系統報錯，出現新的故障代碼，插上后新故障代碼消失，恢復最初的故障代碼，排除該傳感器故障的可能。

（2）拔下圖1中③號所指的插頭，線路梳理后發現，該傳感器裝在風扇轉軸旁（圖2中圈所示部分），分析判斷為轉速傳感器組件。該傳感器為條狀，頭部靠近轉軸，轉軸上有一個凸起的金屬塊，分析判斷最有可能為感應式接近開關。拆掉該傳感器之后，系統故障代碼沒有變化，有兩種可能：一是該傳感器故障，此處為故障點；二是傳感器正常，但該傳感器的故障報警順序在前面所述的故障時序之后，前一個故障未消除的情況下不會出現這條報警代碼。該轉速傳感器故障狀態不明確，先進行下一項排查。

圖1 控制板

（3）拔下圖1中②號所指的插頭，該插頭上接了兩根二線制的導線，順著線路梳理，判斷均為鉑電阻型溫度傳感器。用萬用表分別對兩組鉑電阻進行測量，發現接線端子上面2個端子所接傳感器正常，下面所接那兩根線之間斷路。下面兩根線所接的溫度傳感器安裝在冷凝管上，采用貼片的形式，屬于制冷部分的溫度探針。初步判斷“Cool 9 pt1 break”所指的故障點即為此處。

為了進一步驗證，采用元件替換的方式進行故障消除和功能恢復。采用FLUKE725模擬pt100鉑電阻信號接入這兩端，開機測試后“Cool 9”不再報警且能正常開機和加熱，且當溫度設定超過水溫時，可正常啟動制冷。故障情況得到恢復，確定為冷凝管上溫度傳感器損壞。

然而新的故障現象又出現了，制冷啟動數秒之后，系統停機并出現故障報警“cool 24 Fan”,初步推測故障與制冷部分的散熱風扇相關。從前面（2）中的分析可知，該風扇轉速組件出現問題的可能性最大。停機后制冷風扇也一直轉，而且轉速比正常情況下要高。推斷為該傳感器未將轉速信號反饋到控制部分，以致出現不能停止轉動、轉速異常等現象?？紤]到該傳感器最有可能為感應式接近開關，所以故障可能性有3點：①傳感器硬件損壞；②傳感器信號線斷線、短路等；③安裝位置不合理，相對位置超過有效檢測距離。該傳感器安裝位置不方便拆卸，本著先易后難的原則，先對“安裝位置不合理”這個可能性進行排查。由于之前維修檢查的過程中，可能對該傳感器的安裝金屬片造成了非彈性形變，這么一分析這里就成了最有可能的故障點。

查閱資料發現，目標的尺寸對檢測距離有影響。滿足（1）或（2）式任何一個條件時，檢測距離不受影響。

圖 2 風扇轉速傳感器

式中l—— —檢測距離

d——接近開關感應頭直徑

S——目標物體面積

若目標物體的面積達不到推薦數值，接近開關的有效檢測距離將按表1推薦的數值減少。

通過現場粗略測量，該接近開關感應頭直徑6 mm，目標物體為一金屬圓柱，直徑5 mm,則該目標物體圓面積約78.5 mm2,將d=6 mm，S=78.5 mm，帶入（1）和（2）式，結果為 2 mm≤l≤2.9 mm，l＜2 mm。表明當檢測距離l≤2.9 mm時，在該目標尺寸下檢測距離不受影響。若將有效系數定為0.9，則有效檢測面積S=157 mm2，計算的有效檢測距離為l≤4.1 mm。

表1 目標物體面積對檢測距離的影響

理論估算有效檢測距離為4.1 mm，現場查看發現，目標金屬與傳感器感應頭的距離明顯大于理論估算值，判斷此處風扇報警故障為傳感器與目標物體相對距離超出有效檢測距離所致。

通過調整傳感器安裝金屬片，將間距調整到3 mm左右（為保證傳感器安全，不能靠得太近）。開機進行測試，機器能正常制冷，反復開機、連續運行一段時間，未再出現故障報警，且風扇轉速比之前異常情況下更加緩慢平穩，確定故障完全排除。

3.3 故障處理

（1）定制圓弧形貼片式鉑電阻溫度傳感器。損壞的溫度傳感器系德國進口器件，購貨周期長且價格較高，為保證維修的及時性，采用非標定制傳感器來進行替代。所測量位置為制冷系統的冷凝管溫度，鉑電阻貼片在金屬管上。首先對金屬管直徑進行了測量，根據安裝形式，定制了管徑8 mm，寬度40 mm的弧形貼片pt100溫度傳感器。對原故障傳感器進行拆除，將新購傳感器在相同位置進行安裝固定，外覆保溫材料，最后將引出線接入控制板。

（2）調整風扇轉速傳感器安裝金屬片位置。參照理論計算的有效檢測距離，并且考慮保證目標金屬塊與傳感器之間的安全距離（約2 mm），將間距調整為2.5～3 mm。

故障處理后，對設備進行了各項功能的檢驗，設備各項功能正常。經過連續多次試運行，設備運行可靠，滿足科研實驗使用要求。

4 結論

通過對Lauda循環水浴器制冷故障現象的分析，依據故障排查的基本原則，對引起故障的原因大膽假設、細致推論、逐個排查。通過對線路及各個外圍傳感器的逐個排查，針對各傳感器的特點采用相應儀器和方法進行檢測，最終確定故障點為制冷部分的冷凝管上的溫度傳感器；通過查找資料及理論計算分析，結合實際測量和排查情況，確定了風扇轉速傳感器安裝位置偏離這一故障點。本次故障情況雖復雜，但始終遵循先易后難、先看常見故障及經濟性等原則，較好地完成了故障排查和功能恢復，及時地保障了科研生產的順利進行。

［1］牛金生.電冰箱、空調器原理與維修［M］.北京：電子工業出版社，2002.

［2］向曉漢.西門子S7-200PLC完全精通教程［M］.北京：化學工業出版社，2012.