Lauda循環(huán)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(huán)水浴器是化工行業(yè)科研生產(chǎn)的重要溫控設(shè)備，廣泛用于各種涉及溫度精確控制的場合。在化工制藥領(lǐng)域，越來越多的實(shí)驗(yàn)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(huán)水浴器通過加熱器和制冷系統(tǒng)，對機(jī)內(nèi)水箱中的循環(huán)水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過循環(huán)泵讓循環(huán)水在換熱螺旋管中流動，從而對試驗(yàn)槽內(nèi)水溫進(jìn)行控制。目前國內(nèi)眾多科研院所、高等院校都引進(jìn)了德國Lauda公司的循環(huán)水浴器。該設(shè)備制冷能力強(qiáng)、控制精度高、工作溫度范圍廣、能長時間連續(xù)工作，是許多科研實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備。制冷系統(tǒng)是循環(huán)水浴器的最為關(guān)鍵的部分，由于設(shè)備經(jīng)常處于長時間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，難免出現(xiàn)各種故障。為保證重要科研活動的順利進(jìn)行，及時、準(zhǔn)確地對故障進(jìn)行判斷和處理具有重要的意義。

1 故障現(xiàn)象

每次機(jī)器一啟動制冷，就出現(xiàn)故障報警，機(jī)器停機(jī)無法啟動加熱和制冷，故障代碼“Cool 9 pt1 break”。最初機(jī)器可正常啟動，當(dāng)設(shè)定溫度高于水溫時，系統(tǒng)啟動加熱，加熱功能正常。當(dāng)實(shí)際水溫度超過設(shè)定溫度時，系統(tǒng)自動開始啟動制冷，聽到壓縮機(jī)和散熱風(fēng)扇啟動幾秒鐘，然后系統(tǒng)就故障報警，機(jī)器無法運(yùn)行。后來只要一開機(jī)，就一直出現(xiàn)故障報警了，機(jī)器無法正常啟動。

2 故障分析

根據(jù)系統(tǒng)初期故障現(xiàn)象，判斷加熱系統(tǒng)的功能是正常的，只有系統(tǒng)啟動制冷的時候出現(xiàn)故障報警，此故障下系統(tǒng)自動停止加熱和制冷功能，無法正常工作。根據(jù)操作者描述，設(shè)備故障前并未做過設(shè)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(guān)器件損壞。

從與制冷相關(guān)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(guān)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(yīng)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(jīng)濟(jì)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(jīng)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(zhì)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(tǒng)，造成系統(tǒng)報錯。根據(jù)本次故障的特點(diǎn)，這是重點(diǎn)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(jìn)行識別，用相關(guān)測試儀器對器件進(jìn)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(tǒng)故障消除，即可判斷為故障點(diǎn)。

（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(tǒng)報錯，出現(xiàn)新的故障代碼，插上后新故障代碼消失，恢復(fù)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(fā)現(xiàn)，該傳感器裝在風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸旁（圖2中圈所示部分），分析判斷為轉(zhuǎn)速傳感器組件。該傳感器為條狀，頭部靠近轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上有一個凸起的金屬塊，分析判斷最有可能為感應(yīng)式接近開關(guān)。拆掉該傳感器之后，系統(tǒng)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(diǎn)；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(xiàn)這條報警代碼。該轉(zhuǎn)速傳感器故障狀態(tài)不明確，先進(jìn)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(dǎo)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(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)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(diǎn)即為此處。

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

然而新的故障現(xiàn)象又出現(xiàn)了，制冷啟動數(shù)秒之后，系統(tǒng)停機(jī)并出現(xiàn)故障報警“cool 24 Fan”,初步推測故障與制冷部分的散熱風(fēng)扇相關(guān)。從前面（2）中的分析可知，該風(fēng)扇轉(zhuǎn)速組件出現(xiàn)問題的可能性最大。停機(jī)后制冷風(fēng)扇也一直轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速比正常情況下要高。推斷為該傳感器未將轉(zhuǎn)速信號反饋到控制部分，以致出現(xiàn)不能停止轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)速異常等現(xiàn)象?？紤]到該傳感器最有可能為感應(yīng)式接近開關(guān)，所以故障可能性有3點(diǎn)：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(jìn)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(diǎn)。

查閱資料發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)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(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器

式中l(wèi)—— —檢測距離

d——接近開關(guān)感應(yīng)頭直徑

S——目標(biāo)物體面積

若目標(biāo)物體的面積達(dá)不到推薦數(shù)值，接近開關(guān)的有效檢測距離將按表1推薦的數(shù)值減少。

通過現(xiàn)場粗略測量，該接近開關(guān)感應(yīng)頭直徑6 mm，目標(biāo)物體為一金屬圓柱，直徑5 mm,則該目標(biāo)物體圓面積約78.5 mm2,將d=6 mm，S=78.5 mm，帶入（1）和（2）式，結(jié)果為 2 mm≤l≤2.9 mm，l＜2 mm。表明當(dāng)檢測距離l≤2.9 mm時，在該目標(biāo)尺寸下檢測距離不受影響。若將有效系數(shù)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(biāo)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(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)金屬與傳感器感應(yīng)頭的距離明顯大于理論估算值，判斷此處風(fēng)扇報警故障為傳感器與目標(biāo)物體相對距離超出有效檢測距離所致。

通過調(diào)整傳感器安裝金屬片，將間距調(diào)整到3 mm左右（為保證傳感器安全，不能靠得太近）。開機(jī)進(jìn)行測試，機(jī)器能正常制冷，反復(fù)開機(jī)、連續(xù)運(yùn)行一段時間，未再出現(xiàn)故障報警，且風(fēng)扇轉(zhuǎn)速比之前異常情況下更加緩慢平穩(wěn)，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(jìn)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(biāo)定制傳感器來進(jìn)行替代。所測量位置為制冷系統(tǒng)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(jìn)行了測量，根據(jù)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(jìn)行拆除，將新購傳感器在相同位置進(jìn)行安裝固定，外覆保溫材料，最后將引出線接入控制板。

（2）調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(biāo)金屬塊與傳感器之間的安全距離（約2 mm），將間距調(diào)整為2.5～3 mm。

故障處理后，對設(shè)備進(jìn)行了各項功能的檢驗(yàn)，設(shè)備各項功能正常。經(jīng)過連續(xù)多次試運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行可靠，滿足科研實(shí)驗(yàn)使用要求。

4 結(jié)論

通過對Lauda循環(huán)水浴器制冷故障現(xiàn)象的分析，依據(jù)故障排查的基本原則，對引起故障的原因大膽假設(shè)、細(xì)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(diǎn)采用相應(yīng)儀器和方法進(jìn)行檢測，最終確定故障點(diǎn)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(jié)合實(shí)際測量和排查情況，確定了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器安裝位置偏離這一故障點(diǎn)。本次故障情況雖復(fù)雜，但始終遵循先易后難、先看常見故障及經(jīng)濟(jì)性等原則，較好地完成了故障排查和功能恢復(fù)，及時地保障了科研生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

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

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