空氣能熱泵熱水系統(tǒng)故障處理

章良明

（明喆集團有限公司，廣東深圳 518118）

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，采用了大量的自動化生產(chǎn)線用于生產(chǎn)［1］。Programmable Logic Controller（PLC）、觸摸屏（Human Manchine Interface）和變頻器（Inverter）在自動化生產(chǎn)線廣泛使用。這些自動化系統(tǒng)在實際使用中會遇到各種各樣的故障，要解決這些故障，恢復自動化系統(tǒng)的正常工作，就必須深入研究其結構、性能，應具備程序優(yōu)化和項目改造的能力，才能為人民的生產(chǎn)和生活提供有力的技術保障。自動化設備的品牌多、型號多，不同品牌或不同型號的設備差異大，同時，隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，產(chǎn)品日新月異的更新?lián)Q代，為工程技術人員帶來了空前的挑戰(zhàn)，要時刻學習和研究新設備、新技術，才能跟上科技發(fā)展的步伐，適應社會發(fā)展的需求。

本文主要介紹了某企業(yè)員工宿舍空氣能熱泵熱水系統(tǒng)的故障處理經(jīng)驗，通過參考相關手冊［2］，進行檢查、分析、改造、優(yōu)化、調試等一系列方法和措施，并運用變頻器的PID控制技術，解決了水壓隨著用水量的增大而減少的問題，達到了恒壓供水的目的。

1 故障分析

某企業(yè)員工宿舍出現(xiàn)不能正常供應熱水情況。該宿舍有7層樓高，每層樓11個房間，全部通過樓頂安裝的空氣能熱泵熱水系統(tǒng)來集中供應熱水?？諝饽軣岜脽崴到y(tǒng)是一套全自動化的供水系統(tǒng)，由2個水箱、2臺美的空氣能熱泵、2臺加熱循環(huán)泵、1個西門子S7-200smart的PLC、1臺易驅CV3100的變頻器、1個西門子的觸摸屏、1臺熱水加壓水泵，以及自動加水系統(tǒng)和自動回水系統(tǒng)組成。觸摸屏與PLC采用的是Ethernet數(shù)據(jù)通信方式，PLC與變頻器之間采用的是485串行通信方式。PLC控制變頻器的啟停，壓力傳感器通過變頻器的AI2通道反饋信號。

1.1 現(xiàn)場檢查

現(xiàn)場檢查變頻器，變頻器無顯示，用萬用表交流擋測量變頻器輸入端，有400 V電壓，三相平衡，不缺相；用萬用表直流擋測變頻器操作面板接口，無直流電壓信號；打開變頻器上蓋板，目測變頻器主板無燒蝕現(xiàn)象；打開變頻器內側整流、逆變回路，發(fā)現(xiàn)電容已經(jīng)爆裂。

檢查PLC控制部分，因沒有圖紙，需要通過整理線路，測試功能來弄清PLC的輸入、輸出分配情況，可以通I/O的狀態(tài)指示，初步判斷PLC的控制功能是否正常。

1.2 現(xiàn)場測試

1.2.1 測試變頻/工頻轉換開關

轉換開關打到變頻位置時，PLC輸入點I0.2的指示燈亮；打到工頻位置時，PLC的輸入點I0.3的指示燈亮，證明變頻/工頻轉換開關輸入正常。開關打在變頻位置時，PLC輸出指示燈Q0.0亮，KA1繼電器吸合，變頻接觸器吸合，證明變頻部分的PLC控制回路正常；將開關打在工頻位置時，輸入點I0.3指示燈亮，PLC輸出點Q0.1的指示不亮，繼電器KA2不吸合，測輸出點無直流電壓。因沒有電腦連接PLC，無法看到PLC的控制邏輯，以及是否有輸出指令，只能通過經(jīng)驗判斷Q0.1輸出點壞。

1.2.2 觸摸屏的參數(shù)設定及手動/自動控制功能測試

（1）空氣能熱泵熱水系統(tǒng)主界面，按鈕在“運行中”狀態(tài)時，系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)，系統(tǒng)按設定的時間、水位、溫度等參數(shù)自主運行；當按鈕處于“啟動”狀態(tài)時，系統(tǒng)處于手動狀態(tài)，可以手動打開/關閉補水閥、回水閥、傳送泵、1＃熱泵、2＃熱泵，如圖1所示。

圖1 空氣能熱泵熱水系統(tǒng)主界面

（2）補水設定界面，有兩個時間段的自動補水設定方案，可以自由組合，每一時間段的補水設定都有“補水低液位開始值”“補水高液位停止值”“補水開始時間”“補水結束時間”“啟用/停止”等參數(shù)設定；當主界面的按鈕處于“啟動”狀態(tài)時，可以在補水設定界面打開/關閉補水閥，從而實現(xiàn)手動加水功能。

（3）回水設定界面，有兩個時間段的自動回水設定方案，可以自由組合，每個時間段的回水設定都有“回水溫度到達值”“回水開始時間”“回水結束時間”“啟用/停止”等參數(shù)設定；當主界面的按鈕處于“啟動”狀態(tài)時，可以在回水閥設定界面手動打開/關閉回水電磁閥。

（4）傳送泵設定，傳送泵也就是熱水加壓泵，對水箱的熱水加壓后送入各樓層用戶。有兩個時間段自動啟停傳送泵的設定方法，可以自由組合，每個時間段啟停傳送泵的參數(shù)設定都有“低液位保護值”“達到水溫傳送值”“傳送開始時間”“傳送結束時間”“啟用/停止”等；當主界面的按鈕處于“啟動”狀態(tài)時，可以在傳送泵設定界面手動啟動/停止傳送泵，從而實現(xiàn)手動啟動/停止傳送泵的功能。

（5）熱泵設定界面，有兩個熱泵設定界面，1＃或2＃熱泵的設定界面切換，是通過右下角的按鈕實現(xiàn)切換?？諝饽軣岜檬敲赖钠放疲梢詫⒗渌訜岬?5℃，有遠控和線控兩種控制方式，遠控是通過PLC啟動/停止空氣能加熱泵；線控是通過線控器啟動/停止空氣能加熱泵。有兩個時間段自動啟動空氣能加熱泵的設定方法，可以自由組合。每個時間段的設定都有“低液位保護值”“水溫達到停機”“運行開始時間”“運行結束時間”“啟用/停止”等參數(shù)設定；當主界面的按鈕處于“啟動”狀態(tài)時，可以在空氣能加熱泵設定界面手動啟動/停止空氣能加熱泵，從而實現(xiàn)手動啟動/停止空氣能加熱泵的功能?？諝饽軣岜玫木€控或遠控內部端子接線如圖2所示。

圖2 空氣能熱泵內部端子接線

1.3 I/O分配表

通過觸摸屏操作設定、“變頻/工頻”轉換開關的切換，可以確定PLC與觸摸屏之間的通信正常，并弄清PLC輸入點、輸出點的作用，確定PLC的I/O分配情況，具體的I/O分配數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

1.4 電機檢查

拆開水泵電機接線盒，測量電機絕緣正常，相間電阻為1.7 Ω，手動轉動電機的散熱風扇，無卡阻現(xiàn)象，檢查電機電纜有老化現(xiàn)象，用手指甲劃動線芯絕緣層，絕緣層會翹起，用電筆手捅工頻接觸器，使工頻接觸器常開觸點接通，水泵可運轉。

1.5 故障判斷及應對方案

綜上所述：可以判定變頻器已經(jīng)損壞，PLC工頻輸出點損壞，電機電纜老化。

應對方案：（1）變頻損壞，4 kW的小型變頻器可以直接采購新的變頻器；（2）工頻輸出點損壞，可以不使用工頻啟動水泵電機，在水泵進出水口兩側增加旁通管道和一個閘閥，作為加壓水泵不能工作時的應急供水措施；（3）電機電纜損壞，需更換一條4芯6 mm2的電纜，長度約30 m，考慮以前的布線，線路穿管轉彎較多，穿管困難，需要另外布線。

1.6 物料采購清單

故障維修所需的材料需加急采購，必須列采購清單上報采購部門，照單采購，詳細物料清單如表2所示。

表2 物料采購清單

2 施工

2.1 布線

布線是比較簡單的工作，將4芯6 mm2軟電纜穿入PVC線管，從電機接線處敷設到控制箱接線端子處，PVC管用管卡固定，舊電纜拆除并包扎，新電纜原路接回即可。

2.2 變頻器安裝

變頻器安裝施工前，需切斷變頻器的主電源和控制電源，放電5 min以上，測量變頻器直流端子電壓低于50 V方能拆卸變頻器［2］。首先，取下變頻器操作面板，再拆除變頻上蓋板，拆除I/O接線端子和主回路接線端子上的所有接線，拍照并做好標記；松開變頻器底座螺絲，取下舊的變頻器，將新的變頻器安裝到電箱底座上，按做好的標記將變頻器主線路和控制線路接入到新的變頻器端子上，接線不能壓住絕緣層，要牢固可靠，接好的線路要跟照片核對無誤后才能通電，詳細的變頻器接線如圖3所示。

圖3 變頻器接線

2.3 安裝旁通管道

為了預防變頻器、PLC、電機和水泵損壞時，宿舍沒有熱水使用，在熱水管路系統(tǒng)的水泵進出口兩側增加旁通管道和閘閥，系統(tǒng)正常時，閘閥關閉，水泵不能工作時，打開閘閥，應急供應熱水，旁通管道如圖4所示。

圖4 旁通管道

3 變頻器調試

3.1 變頻器自學習

新裝的變頻器需要運行變頻器自學習功能，自學習時，變頻器可以自動讀取電機的參數(shù)，變頻器運行自學習功能之前，首先要設定好變頻器參數(shù)，在變頻器操作面板上按“RUN”按鍵，電機開始自學習，完成電機參數(shù)自學習以后，P1.13會自動變?yōu)椋?），詳細變頻器參數(shù)設定如表3所示［2］。

表3 自學習參數(shù)設定

3.2 變頻器485通信調試

假設變頻器的頻率是由PLC通過485接口給定，需設定變頻參數(shù)，并運行測試。測試的結果是，變頻器只能按下限頻率（30 Hz）運行，不能隨著壓力的改變而自動調節(jié)頻率。因此，假設用PLC的485通信接口給定變頻器頻率的條件不成立，詳細參數(shù)設定如表4所示【2】。

3.3 變頻器模擬量接口AI2頻率給定調試

從硬件上分析，AI2是模擬量輸入接口，壓力傳感器4～20 mA的模擬量電流信號由此接口接入到變頻器，然而，在相關手冊上找不到模擬量實際值和參考值設定參數(shù)，無法將4～20 mA的電流信號換算對應的頻率給定值，理論上不能實現(xiàn)壓力傳感器模擬信號給定變頻器頻率的功能。不過，理論需要結合實踐，才能驗證理論的正確性，所以需對變頻器的參數(shù)進行調整，重新測試。測試的結果是，變頻器只能按下限頻率（30 Hz）運行，不能隨著壓力的改變而自動調節(jié)變頻器的頻率。因此，假設用壓力傳感器來給定變頻器頻率的方法不可用。變頻器的參數(shù)需按照表5所示的數(shù)值進行調整【2】。

表5 AI2變頻器頻率給定參數(shù)調整值

4 數(shù)據(jù)分析

因為變頻器上只有兩種頻率給定的接線，一種是485通迅線，一種是4～20 MA的AI2模擬量輸入接線，兩種變頻器頻率給定的測試都失敗了，如何控制變頻器，讓變頻器的頻率隨著水泵出口的壓力改變而自動調節(jié)頻率，從而達到恒壓供水的目的，將是必須面對的難題。

從變頻器P0.01的參數(shù)來看，CV3100系列變頻器普通運行方式下有9種頻率給定的物理通道，分別為：0：鍵盤模擬電位器給定；1：數(shù)字設定1鍵盤▲、▼鍵調節(jié)；2：數(shù)字設定2端子UP/DOWN調節(jié)；3.數(shù)字設定3，通訊給定；4：模擬電壓信號AI1（0～10 V）給定；5：模擬電流信號AI2（0～20 mA）給定；6：端子脈沖（0～10 kHz）給定；7：組合給定；8：外部端子選擇。

下面對每一種頻率給定進行分析。

0：通過操作鍵盤上的電位器來調節(jié)運行頻率（LED鍵盤自帶），這是一種手動給定頻率的方式，不具備自動調節(jié)頻率的功能，現(xiàn)場給定多少頻率，變頻器就只能按給定頻率運行，不能隨壓力變化而自動調節(jié)變頻器頻率。

1：數(shù)字給設定1，操作面板▲、▼鍵或數(shù)字編碼器調節(jié)，這是一種手動給定頻率的方式，不具備自動調節(jié)頻率的功能，現(xiàn)場給定多少頻率，變頻器就只能按照給定頻率運行，不能隨壓力變化而自動調節(jié)變頻器頻率。

2：數(shù)字設定2，端子UP/DOWN調節(jié)頻率，這需要通過變頻器的多功能端子（DI1～DI6）來實現(xiàn)，DI1～DI6沒有接線，而且這也是一種手動給定變頻器頻率的方式，不具備頻率自動調節(jié)功能。

3：數(shù)字設定3，通信給定，現(xiàn)場測試，變頻器只能按下限頻率運行，不能隨壓力變化而自動調節(jié)變頻器頻率。

4：模擬電壓信號AI1（0～10 V）給定，AI1未接線，不可用。

5：模擬電流信號AI2（0～20 mA）給定，現(xiàn)場測試，變頻器只能按下限頻率運行，不能隨壓力變化而自動調節(jié)變頻器頻率。

6：端子脈沖（0～10 kHz）給定，通過DI6端子輸入的外部脈沖信號（0～10 kHz）來定運行頻率。未接線，不可用。

7：組合給定，運行頻率由各個設定通道的線性組合設定，組合方式由P5.15～P5.16確定。經(jīng)測試，變頻器只能按下限頻率運行，不能隨壓力變化而自動調節(jié)變頻器頻率。

8：外部端子選擇，通過外部多功能端子的8種開關組合來確定頻率輸入通道（0表示與多功能端子COM斷開，1表示多功能端子與COM閉合），變頻器多功能端子未接線，使用條件不具備，詳細的功能端子通道組合如圖5所示。

圖5 功能端子通道組合

數(shù)據(jù)分析認為：以上9種變頻器頻率給定方式，實際只有第3種或第5種可以實現(xiàn)變頻器的頻率自動調節(jié)功能。第3種是通信給定，需要安裝了S7-200smart工控軟件，以及能夠運行PLC程序的筆記本電腦［3］，還需要串口線連接PLC，并需程序的在線密碼［4］，要同時滿足這些條件，幾乎很難實現(xiàn)。第5種是模擬電流信號AI2（0～20 mA）給定，如果把AI2的模擬量信號作為變頻器的頻率給定信號，變頻器沒有其它反饋信號，也不能實現(xiàn)閉環(huán)控制，變頻器就不能隨著壓力的變化而自動調節(jié)頻率。綜上所述，單一的9種頻率設定方式都無法實現(xiàn)變頻器的頻率自動調節(jié)功能，所以達不到恒壓供水的目的。

5 PID調節(jié)

在變頻器說明書中，有一種PID調節(jié)方式，將P6.00設定為（01），可以啟用PID，并且自動投入PID控制，P6.01設定為（0），PID給定通道選擇設定為鍵盤電位器，P6.02設定為（5），PID反饋通道選擇AI2，通過以上PID設定之后，用鍵盤電位器調整變頻器的給定頻率，變頻器可以隨著AI2輸入信號的變化，自動調節(jié)頻率，從而達到恒壓供水的目的。通過用戶體驗，無論是在用水高峰期，還是在用水低谷期，房間的熱水壓力可以保持在穩(wěn)定狀態(tài)［2］。

經(jīng)過反復的調試和測試，在缺乏圖紙和PLC程序的情況下，只有PID自動調節(jié)的方式，不會隨著用戶用水量的增加而降低出水壓力，能完全實現(xiàn)自主恒壓供水，PID的控制參數(shù)如圖6所示［2］。

圖6 PID的控制參數(shù)

6 結束語

本文基于某企業(yè)員工宿舍熱水供應出現(xiàn)問題，介紹了解決方法。當遇到自動化控制系統(tǒng)故障時，必須弄清系統(tǒng)的工作原理。首先，目測系統(tǒng)有那些器件損壞，分析出現(xiàn)問題的原因，再使用萬用表、電筆等輔助工具檢測故障點。有觸摸屏的，需要弄清每一個設定參數(shù)的作用；有PLC的，最好用筆記本電腦連接PLC程序，在線查看PLC的輸入、輸出狀態(tài)，當無法查看PLC程序時，又沒有圖紙作為參考，就要通過測試來判斷PLC輸入、輸出點的狀態(tài)是否正常，列出I/O分配表；有變頻器的，要找到變頻器手冊，查看主要運行參數(shù)的作用，綜合分析故障的原因，判斷故障點，制定解決問題的方案。不能確定哪一種方法可以使用時，用排除法，逐一排除不能使用的方法。變頻器的PID控制技術，具備在沒有PLC程序運算的情況下，只要有模擬量反饋信號給到變頻器AI通道，就能通過修改變頻器的PID控制參數(shù)，自主完成閉環(huán)控制，是一種完美的現(xiàn)代控制技術，在工業(yè)自動化得到廣泛運用。