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        空氣能熱泵熱水系統(tǒng)故障處理

        2022-11-27 10:37:36章良明
        機(jī)電工程技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:變頻器界面

        章良明

        (明喆集團(tuán)有限公司,廣東深圳 518118)

        0 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)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(shí)際使用中會遇到各種各樣的故障,要解決這些故障,恢復(fù)自動化系統(tǒng)的正常工作,就必須深入研究其結(jié)構(gòu)、性能,應(yīng)具備程序優(yōu)化和項(xiàng)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(shù)保障。自動化設(shè)備的品牌多、型號多,不同品牌或不同型號的設(shè)備差異大,同時,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,產(chǎn)品日新月異的更新?lián)Q代,為工程技術(shù)人員帶來了空前的挑戰(zhàn),要時刻學(xué)習(xí)和研究新設(shè)備、新技術(shù),才能跟上科技發(fā)展的步伐,適應(yīng)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(yàn),通過參考相關(guān)手冊[2],進(jìn)行檢查、分析、改造、優(yōu)化、調(diào)試等一系列方法和措施,并運(yùn)用變頻器的PID控制技術(shù),解決了水壓隨著用水量的增大而減少的問題,達(dá)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(yīng)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(yīng)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(qū)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(nèi)側(cè)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(zhuǎn)換開關(guān)

        轉(zhuǎn)換開關(guān)打到變頻位置時,PLC輸入點(diǎn)I0.2的指示燈亮;打到工頻位置時,PLC的輸入點(diǎn)I0.3的指示燈亮,證明變頻/工頻轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入正常。開關(guān)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(guān)打在工頻位置時,輸入點(diǎn)I0.3指示燈亮,PLC輸出點(diǎn)Q0.1的指示不亮,繼電器KA2不吸合,測輸出點(diǎn)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(yàn)判斷Q0.1輸出點(diǎn)壞。

        1.2.2 觸摸屏的參數(shù)設(shè)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(yùn)行中”狀態(tài)時,系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài),系統(tǒng)按設(shè)定的時間、水位、溫度等參數(shù)自主運(yùn)行;當(dāng)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(guān)閉補(bǔ)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(bǔ)水設(shè)定界面,有兩個時間段的自動補(bǔ)水設(shè)定方案,可以自由組合,每一時間段的補(bǔ)水設(shè)定都有“補(bǔ)水低液位開始值”“補(bǔ)水高液位停止值”“補(bǔ)水開始時間”“補(bǔ)水結(jié)束時間”“啟用/停止”等參數(shù)設(shè)定;當(dāng)主界面的按鈕處于“啟動”狀態(tài)時,可以在補(bǔ)水設(shè)定界面打開/關(guān)閉補(bǔ)水閥,從而實(shí)現(xiàn)手動加水功能。

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

        (4)傳送泵設(shè)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(shè)定方法,可以自由組合,每個時間段啟停傳送泵的參數(shù)設(shè)定都有“低液位保護(hù)值”“達(dá)到水溫傳送值”“傳送開始時間”“傳送結(jié)束時間”“啟用/停止”等;當(dāng)主界面的按鈕處于“啟動”狀態(tài)時,可以在傳送泵設(shè)定界面手動啟動/停止傳送泵,從而實(shí)現(xiàn)手動啟動/停止傳送泵的功能。

        (5)熱泵設(shè)定界面,有兩個熱泵設(shè)定界面,1#或2#熱泵的設(shè)定界面切換,是通過右下角的按鈕實(shí)現(xiàn)切換??諝饽軣岜檬敲赖钠放?,可以將冷水加熱到55℃,有遠(yuǎn)控和線控兩種控制方式,遠(yuǎn)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(shè)定方法,可以自由組合。每個時間段的設(shè)定都有“低液位保護(hù)值”“水溫達(dá)到停機(jī)”“運(yùn)行開始時間”“運(yùn)行結(jié)束時間”“啟用/停止”等參數(shù)設(shè)定;當(dāng)主界面的按鈕處于“啟動”狀態(tài)時,可以在空氣能加熱泵設(shè)定界面手動啟動/停止空氣能加熱泵,從而實(shí)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(yuǎn)控內(nèi)部端子接線如圖2所示。

        圖2 空氣能熱泵內(nèi)部端子接線

        1.3 I/O分配表

        通過觸摸屏操作設(shè)定、“變頻/工頻”轉(zhuǎn)換開關(guān)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(diǎn)、輸出點(diǎn)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(jī)檢查

        拆開水泵電機(jī)接線盒,測量電機(jī)絕緣正常,相間電阻為1.7 Ω,手動轉(zhuǎn)動電機(jī)的散熱風(fēng)扇,無卡阻現(xiàn)象,檢查電機(jī)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(diǎn)接通,水泵可運(yùn)轉(zhuǎn)。

        1.5 故障判斷及應(yīng)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(diǎn)損壞,電機(jī)電纜老化。

        應(yīng)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(diǎn)損壞,可以不使用工頻啟動水泵電機(jī),在水泵進(jìn)出水口兩側(cè)增加旁通管道和一個閘閥,作為加壓水泵不能工作時的應(yīng)急供水措施;(3)電機(jī)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(zhuǎn)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(xì)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(jī)接線處敷設(shè)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(biāo)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(biāo)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(xì)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(yù)防變頻器、PLC、電機(jī)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(jìn)出口兩側(cè)增加旁通管道和閘閥,系統(tǒng)正常時,閘閥關(guān)閉,水泵不能工作時,打開閘閥,應(yīng)急供應(yīng)熱水,旁通管道如圖4所示。

        圖4 旁通管道

        3 變頻器調(diào)試

        3.1 變頻器自學(xué)習(xí)

        新裝的變頻器需要運(yùn)行變頻器自學(xué)習(xí)功能,自學(xué)習(xí)時,變頻器可以自動讀取電機(jī)的參數(shù),變頻器運(yùn)行自學(xué)習(xí)功能之前,首先要設(shè)定好變頻器參數(shù),在變頻器操作面板上按“RUN”按鍵,電機(jī)開始自學(xué)習(xí),完成電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)以后,P1.13會自動變?yōu)椋?),詳細(xì)變頻器參數(shù)設(shè)定如表3所示[2]。

        表3 自學(xué)習(xí)參數(shù)設(shè)定

        3.2 變頻器485通信調(diào)試

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

        3.3 變頻器模擬量接口AI2頻率給定調(diào)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(guān)手冊上找不到模擬量實(shí)際值和參考值設(shè)定參數(shù),無法將4~20 mA的電流信號換算對應(yīng)的頻率給定值,理論上不能實(shí)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(jié)合實(shí)踐,才能驗(yàn)證理論的正確性,所以需對變頻器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,重新測試。測試的結(jié)果是,變頻器只能按下限頻率(30 Hz)運(yùn)行,不能隨著壓力的改變而自動調(diào)節(jié)變頻器的頻率。因此,假設(shè)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(jìn)行調(diào)整【2】。

        表5 AI2變頻器頻率給定參數(shù)調(diào)整值

        4 數(shù)據(jù)分析

        因?yàn)樽冾l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(diào)節(jié)頻率,從而達(dá)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(yùn)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(shè)定1鍵盤▲、▼鍵調(diào)節(jié);2:數(shù)字設(shè)定2端子UP/DOWN調(diào)節(jié);3.數(shù)字設(shè)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(jìn)行分析。

        0:通過操作鍵盤上的電位器來調(diào)節(jié)運(yùn)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(diào)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(yùn)行,不能隨壓力變化而自動調(diào)節(jié)變頻器頻率。

        1:數(shù)字給設(shè)定1,操作面板▲、▼鍵或數(shù)字編碼器調(diào)節(jié),這是一種手動給定頻率的方式,不具備自動調(diào)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(yùn)行,不能隨壓力變化而自動調(diào)節(jié)變頻器頻率。

        2:數(shù)字設(shè)定2,端子UP/DOWN調(diào)節(jié)頻率,這需要通過變頻器的多功能端子(DI1~DI6)來實(shí)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(diào)節(jié)功能。

        3:數(shù)字設(shè)定3,通信給定,現(xiàn)場測試,變頻器只能按下限頻率運(yùn)行,不能隨壓力變化而自動調(diào)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(yùn)行,不能隨壓力變化而自動調(diào)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(yùn)行頻率。未接線,不可用。

        7:組合給定,運(yùn)行頻率由各個設(shè)定通道的線性組合設(shè)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(yùn)行,不能隨壓力變化而自動調(diào)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(guān)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(xì)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(rèn)為:以上9種變頻器頻率給定方式,實(shí)際只有第3種或第5種可以實(shí)現(xiàn)變頻器的頻率自動調(diào)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(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,變頻器就不能隨著壓力的變化而自動調(diào)節(jié)頻率。綜上所述,單一的9種頻率設(shè)定方式都無法實(shí)現(xiàn)變頻器的頻率自動調(diào)節(jié)功能,所以達(dá)不到恒壓供水的目的。

        5 PID調(diào)節(jié)

        在變頻器說明書中,有一種PID調(diào)節(jié)方式,將P6.00設(shè)定為(01),可以啟用PID,并且自動投入PID控制,P6.01設(shè)定為(0),PID給定通道選擇設(shè)定為鍵盤電位器,P6.02設(shè)定為(5),PID反饋通道選擇AI2,通過以上PID設(shè)定之后,用鍵盤電位器調(diào)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(diào)節(jié)頻率,從而達(dá)到恒壓供水的目的。通過用戶體驗(yàn),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(fù)的調(diào)試和測試,在缺乏圖紙和PLC程序的情況下,只有PID自動調(diào)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(shí)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(jié)束語

        本文基于某企業(yè)員工宿舍熱水供應(yīng)出現(xiàn)問題,介紹了解決方法。當(dāng)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(diǎn)。有觸摸屏的,需要弄清每一個設(shè)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(dāng)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(diǎn)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(yùn)行參數(shù)的作用,綜合分析故障的原因,判斷故障點(diǎn),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(shù),具備在沒有PLC程序運(yùn)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(shù),在工業(yè)自動化得到廣泛運(yùn)用。

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