空气能热泵热水系统故障处理

章良明

（明喆集团有限公司，广东深圳 518118）

0 引言

随着经济发展和科技进步，企业为了提高生产效率，采用了大量的自动化生产线用于生产［1］。Programmable Logic Controller（PLC）、触摸屏（Human Manchine Interface）和变频器（Inverter）在自动化生产线广泛使用。这些自动化系统在实际使用中会遇到各种各样的故障，要解决这些故障，恢复自动化系统的正常工作，就必须深入研究其结构、性能，应具备程序优化和项目改造的能力，才能为人民的生产和生活提供有力的技术保障。自动化设备的品牌多、型号多，不同品牌或不同型号的设备差异大，同时，随着现代科学技术的飞速发展，产品日新月异的更新换代，为工程技术人员带来了空前的挑战，要时刻学习和研究新设备、新技术，才能跟上科技发展的步伐，适应社会发展的需求。

本文主要介绍了某企业员工宿舍空气能热泵热水系统的故障处理经验，通过参考相关手册［2］，进行检查、分析、改造、优化、调试等一系列方法和措施，并运用变频器的PID控制技术，解决了水压随着用水量的增大而减少的问题，达到了恒压供水的目的。

1 故障分析

某企业员工宿舍出现不能正常供应热水情况。该宿舍有7层楼高，每层楼11个房间，全部通过楼顶安装的空气能热泵热水系统来集中供应热水。空气能热泵热水系统是一套全自动化的供水系统，由2个水箱、2台美的空气能热泵、2台加热循环泵、1个西门子S7-200smart的PLC、1台易驱CV3100的变频器、1个西门子的触摸屏、1台热水加压水泵，以及自动加水系统和自动回水系统组成。触摸屏与PLC采用的是Ethernet数据通信方式，PLC与变频器之间采用的是485串行通信方式。PLC控制变频器的启停，压力传感器通过变频器的AI2通道反馈信号。

1.1 现场检查

现场检查变频器，变频器无显示，用万用表交流挡测量变频器输入端，有400 V电压，三相平衡，不缺相；用万用表直流挡测变频器操作面板接口，无直流电压信号；打开变频器上盖板，目测变频器主板无烧蚀现象；打开变频器内侧整流、逆变回路，发现电容已经爆裂。

检查PLC控制部分，因没有图纸，需要通过整理线路，测试功能来弄清PLC的输入、输出分配情况，可以通I/O的状态指示，初步判断PLC的控制功能是否正常。

1.2 现场测试

1.2.1 测试变频/工频转换开关

转换开关打到变频位置时，PLC输入点I0.2的指示灯亮；打到工频位置时，PLC的输入点I0.3的指示灯亮，证明变频/工频转换开关输入正常。开关打在变频位置时，PLC输出指示灯Q0.0亮，KA1继电器吸合，变频接触器吸合，证明变频部分的PLC控制回路正常；将开关打在工频位置时，输入点I0.3指示灯亮，PLC输出点Q0.1的指示不亮，继电器KA2不吸合，测输出点无直流电压。因没有电脑连接PLC，无法看到PLC的控制逻辑，以及是否有输出指令，只能通过经验判断Q0.1输出点坏。

1.2.2 触摸屏的参数设定及手动/自动控制功能测试

（1）空气能热泵热水系统主界面，按钮在“运行中”状态时，系统处于自动控制状态，系统按设定的时间、水位、温度等参数自主运行；当按钮处于“启动”状态时，系统处于手动状态，可以手动打开/关闭补水阀、回水阀、传送泵、1＃热泵、2＃热泵，如图1所示。

图1 空气能热泵热水系统主界面

（2）补水设定界面，有两个时间段的自动补水设定方案，可以自由组合，每一时间段的补水设定都有“补水低液位开始值”“补水高液位停止值”“补水开始时间”“补水结束时间”“启用/停止”等参数设定；当主界面的按钮处于“启动”状态时，可以在补水设定界面打开/关闭补水阀，从而实现手动加水功能。

（3）回水设定界面，有两个时间段的自动回水设定方案，可以自由组合，每个时间段的回水设定都有“回水温度到达值”“回水开始时间”“回水结束时间”“启用/停止”等参数设定；当主界面的按钮处于“启动”状态时，可以在回水阀设定界面手动打开/关闭回水电磁阀。

（4）传送泵设定，传送泵也就是热水加压泵，对水箱的热水加压后送入各楼层用户。有两个时间段自动启停传送泵的设定方法，可以自由组合，每个时间段启停传送泵的参数设定都有“低液位保护值”“达到水温传送值”“传送开始时间”“传送结束时间”“启用/停止”等；当主界面的按钮处于“启动”状态时，可以在传送泵设定界面手动启动/停止传送泵，从而实现手动启动/停止传送泵的功能。

（5）热泵设定界面，有两个热泵设定界面，1＃或2＃热泵的设定界面切换，是通过右下角的按钮实现切换。空气能热泵是美的品牌，可以将冷水加热到55℃，有远控和线控两种控制方式，远控是通过PLC启动/停止空气能加热泵；线控是通过线控器启动/停止空气能加热泵。有两个时间段自动启动空气能加热泵的设定方法，可以自由组合。每个时间段的设定都有“低液位保护值”“水温达到停机”“运行开始时间”“运行结束时间”“启用/停止”等参数设定；当主界面的按钮处于“启动”状态时，可以在空气能加热泵设定界面手动启动/停止空气能加热泵，从而实现手动启动/停止空气能加热泵的功能。空气能热泵的线控或远控内部端子接线如图2所示。

图2 空气能热泵内部端子接线

1.3 I/O分配表

通过触摸屏操作设定、“变频/工频”转换开关的切换，可以确定PLC与触摸屏之间的通信正常，并弄清PLC输入点、输出点的作用，确定PLC的I/O分配情况，具体的I/O分配数据如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

1.4 电机检查

拆开水泵电机接线盒，测量电机绝缘正常，相间电阻为1.7 Ω，手动转动电机的散热风扇，无卡阻现象，检查电机电缆有老化现象，用手指甲划动线芯绝缘层，绝缘层会翘起，用电笔手捅工频接触器，使工频接触器常开触点接通，水泵可运转。

1.5 故障判断及应对方案

综上所述：可以判定变频器已经损坏，PLC工频输出点损坏，电机电缆老化。

应对方案：（1）变频损坏，4 kW的小型变频器可以直接采购新的变频器；（2）工频输出点损坏，可以不使用工频启动水泵电机，在水泵进出水口两侧增加旁通管道和一个闸阀，作为加压水泵不能工作时的应急供水措施；（3）电机电缆损坏，需更换一条4芯6 mm2的电缆，长度约30 m，考虑以前的布线，线路穿管转弯较多，穿管困难，需要另外布线。

1.6 物料采购清单

故障维修所需的材料需加急采购，必须列采购清单上报采购部门，照单采购，详细物料清单如表2所示。

表2 物料采购清单

2 施工

2.1 布线

布线是比较简单的工作，将4芯6 mm2软电缆穿入PVC线管，从电机接线处敷设到控制箱接线端子处，PVC管用管卡固定，旧电缆拆除并包扎，新电缆原路接回即可。

2.2 变频器安装

变频器安装施工前，需切断变频器的主电源和控制电源，放电5 min以上，测量变频器直流端子电压低于50 V方能拆卸变频器［2］。首先，取下变频器操作面板，再拆除变频上盖板，拆除I/O接线端子和主回路接线端子上的所有接线，拍照并做好标记；松开变频器底座螺丝，取下旧的变频器，将新的变频器安装到电箱底座上，按做好的标记将变频器主线路和控制线路接入到新的变频器端子上，接线不能压住绝缘层，要牢固可靠，接好的线路要跟照片核对无误后才能通电，详细的变频器接线如图3所示。

图3 变频器接线

2.3 安装旁通管道

为了预防变频器、PLC、电机和水泵损坏时，宿舍没有热水使用，在热水管路系统的水泵进出口两侧增加旁通管道和闸阀，系统正常时，闸阀关闭，水泵不能工作时，打开闸阀，应急供应热水，旁通管道如图4所示。

图4 旁通管道

3 变频器调试

3.1 变频器自学习

新装的变频器需要运行变频器自学习功能，自学习时，变频器可以自动读取电机的参数，变频器运行自学习功能之前，首先要设定好变频器参数，在变频器操作面板上按“RUN”按键，电机开始自学习，完成电机参数自学习以后，P1.13会自动变为（0），详细变频器参数设定如表3所示［2］。

表3 自学习参数设定

3.2 变频器485通信调试

假设变频器的频率是由PLC通过485接口给定，需设定变频参数，并运行测试。测试的结果是，变频器只能按下限频率（30 Hz）运行，不能随着压力的改变而自动调节频率。因此，假设用PLC的485通信接口给定变频器频率的条件不成立，详细参数设定如表4所示【2】。

3.3 变频器模拟量接口AI2频率给定调试

从硬件上分析，AI2是模拟量输入接口，压力传感器4～20 mA的模拟量电流信号由此接口接入到变频器，然而，在相关手册上找不到模拟量实际值和参考值设定参数，无法将4～20 mA的电流信号换算对应的频率给定值，理论上不能实现压力传感器模拟信号给定变频器频率的功能。不过，理论需要结合实践，才能验证理论的正确性，所以需对变频器的参数进行调整，重新测试。测试的结果是，变频器只能按下限频率（30 Hz）运行，不能随着压力的改变而自动调节变频器的频率。因此，假设用压力传感器来给定变频器频率的方法不可用。变频器的参数需按照表5所示的数值进行调整【2】。

表5 AI2变频器频率给定参数调整值

4 数据分析

因为变频器上只有两种频率给定的接线，一种是485通迅线，一种是4～20 MA的AI2模拟量输入接线，两种变频器频率给定的测试都失败了，如何控制变频器，让变频器的频率随着水泵出口的压力改变而自动调节频率，从而达到恒压供水的目的，将是必须面对的难题。

从变频器P0.01的参数来看，CV3100系列变频器普通运行方式下有9种频率给定的物理通道，分别为：0：键盘模拟电位器给定；1：数字设定1键盘▲、▼键调节；2：数字设定2端子UP/DOWN调节；3.数字设定3，通讯给定；4：模拟电压信号AI1（0～10 V）给定；5：模拟电流信号AI2（0～20 mA）给定；6：端子脉冲（0～10 kHz）给定；7：组合给定；8：外部端子选择。

下面对每一种频率给定进行分析。

0：通过操作键盘上的电位器来调节运行频率（LED键盘自带），这是一种手动给定频率的方式，不具备自动调节频率的功能，现场给定多少频率，变频器就只能按给定频率运行，不能随压力变化而自动调节变频器频率。

1：数字给设定1，操作面板▲、▼键或数字编码器调节，这是一种手动给定频率的方式，不具备自动调节频率的功能，现场给定多少频率，变频器就只能按照给定频率运行，不能随压力变化而自动调节变频器频率。

2：数字设定2，端子UP/DOWN调节频率，这需要通过变频器的多功能端子（DI1～DI6）来实现，DI1～DI6没有接线，而且这也是一种手动给定变频器频率的方式，不具备频率自动调节功能。

3：数字设定3，通信给定，现场测试，变频器只能按下限频率运行，不能随压力变化而自动调节变频器频率。

4：模拟电压信号AI1（0～10 V）给定，AI1未接线，不可用。

5：模拟电流信号AI2（0～20 mA）给定，现场测试，变频器只能按下限频率运行，不能随压力变化而自动调节变频器频率。

6：端子脉冲（0～10 kHz）给定，通过DI6端子输入的外部脉冲信号（0～10 kHz）来定运行频率。未接线，不可用。

7：组合给定，运行频率由各个设定通道的线性组合设定，组合方式由P5.15～P5.16确定。经测试，变频器只能按下限频率运行，不能随压力变化而自动调节变频器频率。

8：外部端子选择，通过外部多功能端子的8种开关组合来确定频率输入通道（0表示与多功能端子COM断开，1表示多功能端子与COM闭合），变频器多功能端子未接线，使用条件不具备，详细的功能端子通道组合如图5所示。

图5 功能端子通道组合

数据分析认为：以上9种变频器频率给定方式，实际只有第3种或第5种可以实现变频器的频率自动调节功能。第3种是通信给定，需要安装了S7-200smart工控软件，以及能够运行PLC程序的笔记本电脑［3］，还需要串口线连接PLC，并需程序的在线密码［4］，要同时满足这些条件，几乎很难实现。第5种是模拟电流信号AI2（0～20 mA）给定，如果把AI2的模拟量信号作为变频器的频率给定信号，变频器没有其它反馈信号，也不能实现闭环控制，变频器就不能随着压力的变化而自动调节频率。综上所述，单一的9种频率设定方式都无法实现变频器的频率自动调节功能，所以达不到恒压供水的目的。

5 PID调节

在变频器说明书中，有一种PID调节方式，将P6.00设定为（01），可以启用PID，并且自动投入PID控制，P6.01设定为（0），PID给定通道选择设定为键盘电位器，P6.02设定为（5），PID反馈通道选择AI2，通过以上PID设定之后，用键盘电位器调整变频器的给定频率，变频器可以随着AI2输入信号的变化，自动调节频率，从而达到恒压供水的目的。通过用户体验，无论是在用水高峰期，还是在用水低谷期，房间的热水压力可以保持在稳定状态［2］。

经过反复的调试和测试，在缺乏图纸和PLC程序的情况下，只有PID自动调节的方式，不会随着用户用水量的增加而降低出水压力，能完全实现自主恒压供水，PID的控制参数如图6所示［2］。

图6 PID的控制参数

6 结束语

本文基于某企业员工宿舍热水供应出现问题，介绍了解决方法。当遇到自动化控制系统故障时，必须弄清系统的工作原理。首先，目测系统有那些器件损坏，分析出现问题的原因，再使用万用表、电笔等辅助工具检测故障点。有触摸屏的，需要弄清每一个设定参数的作用；有PLC的，最好用笔记本电脑连接PLC程序，在线查看PLC的输入、输出状态，当无法查看PLC程序时，又没有图纸作为参考，就要通过测试来判断PLC输入、输出点的状态是否正常，列出I/O分配表；有变频器的，要找到变频器手册，查看主要运行参数的作用，综合分析故障的原因，判断故障点，制定解决问题的方案。不能确定哪一种方法可以使用时，用排除法，逐一排除不能使用的方法。变频器的PID控制技术，具备在没有PLC程序运算的情况下，只要有模拟量反馈信号给到变频器AI通道，就能通过修改变频器的PID控制参数，自主完成闭环控制，是一种完美的现代控制技术，在工业自动化得到广泛运用。