典型热泵热水机控制系统原理与检修.doc

8.3 典型热泵热水机控制系统原理与检修本节以美的热泵热水机RSJ-350/S-810为例，分析其电气控制原理及维修方法。首先解释热泵热水机的几个概念。热水机是指独立的一台，由两台压缩机并联（或单台压缩机5HP）及一个板式换热器组成的制热系统和一个电控器组成。是单向循环只有一种运行模式的系统。热泵热水机组是指由单台或多台热水机(116台)并联组成的热水机组。主控制器是指每一单台热水机的电控器，可以独立完成热水机的信号输入、数据采集、输出接口控制、故障报警的判断功能，设定为主机的电控器为主控制器，只有它与线控器直接通讯。线控器是指用于热泵热水机组的人机接口界面，接受用户的操作指令并发送到机组主控制器，同时接收机组的运行状态数据进行显示。8.3.1 热水机组接线图解说图8.10是热泵热水机RSJ-350/S-810接线图。通过电源接线座连接380VAC 3相的电源。该电源在上电工作开始时由主控板检测电源相序，CN26是相序检测端口。三相电源相序正确的话，才进入待机状态，等待来自线控器的指令，在待机过程中，会检测各个输入量的状态，检测这些输入量是否能正常工作。 1输入端口连接到CN7端口的是水压开关。 连接到CN8端口的是低压开关，检测压缩机的回气压力。连接到CN9端口的是高压开关，检测压缩机的排气压力。连接到CN15端口的是出水温度传感器连接到CN20端口的是温度检测端口，检测室外环境温度和冷凝器盘管中部温度。连接到CN33端口的是高低压水位检测端口，通过检测水箱里的水位决定什么时候需要补水，什么时候需要关闭水阀。2输出端口四通阀的控制：在热水机中，四通阀的动作和普通冷暖空调的动作是不一样的。一般情况下，热水机都是处在制热状态下，这时四通阀不会供电。在化霜的状态下，四通阀上电改变冷媒流路。电磁阀SV1：是单通电磁阀，在正常制热过程中，控制线路通过检测环境温度控制它的ON、OFF状态；在化霜过程中处于ON状态电磁阀SV2：也是单通电磁阀，当检测到高水位开关闭合持续一段时间，就关闭SV2；当检测到低水位开关断开时，则开启SV2。风机 是两挡抽头电机，通过检测室外侧环境温度决定是否开启高风挡或低风挡。循环水泵：只有当主机处于循环式制热水方式时，循环水泵才会开启，当主机退出循环式制热水方式后，主机停压缩机后，循环水泵P2延时几10秒钟后停止运转。进水水泵：只有当主机处于直热式制热水方式时，才会开启，当主机退出直热式制热水方式后，主机停压缩机后，进水水泵P1延时几10秒钟后停止运转。8.3.2 热水机组控制电路原理图分析我们可以拿热水机和普通的冷暖空调做对比。普通的冷暖空调在制热的情况下，室内侧的热交换器通过空气和房间里的空气进行热交换，同时检测室内环境温度，使房间达到舒适的温度。当我们把室内侧的热交换器放在水里，则热交换器就是和水进行热交换，再增加一些水温、水位、水流的控制，这样我们把水调整到适用于人体的温度，热水机就成功的实现了。所以热水机的控制线路和普通空调的控制线路差不多。从图8.11中可看到热水机的线路也包括温度检测线路、2003继电器驱动线路、7805/7812电源稳压线路、74HC164显示线路、一些开关量的检测线路、相序检测线路等等。这些线路前面都讲过了，就不再赘述。由于热水机的控制对象的不同，从线控器上需要操作的内容也会有别于普通空调。热水机需要显示的内容要多。见显示部分的原理图见8.12所示，从该图中可以看出显示部分包括了以下的单元功能线路：按键扫描线路、液晶驱动线路、485通讯线路等等。1. 按键扫描线路图8.13为扫描电路，该线路使用了8个端口最多可扫描44个按键。根据功能需要，线控器只定义了13个按键（SW9和SW14是一样的功能）。当无按键按下时，MCU的6、7、11、12端口是高电平。程序运行时，MCU不断的依次对端口2、3、4、5置低电平，同时扫描6、7、11、12端口，一旦某个按键按下，则相应会在6、7、11、12端口中的某个端口会产生一个低电平。MCU会马上记录该按键按下的状态，执行相对应的程序。如SW12按键按下时，当MCU对端口3置低电平，则对应的端口7会产生一个低电平。表8.3 HT162X系列芯片选型表HT162XHT1620HT1621HT1622HT16220HT1623HT1625HT1626公共端44888816段32323232486448片内振荡器晶体振荡器21图8.10 热泵热水机RSJ-350/S-810接线图图8.11 热泵热水机RSJ-350/S-810控制电路原理图图 8.12 KJR-09B热水机显示电路原理图图 8.14 HT1621B管脚功能指示图图 8.13 按键扫描电路原理图2. 液晶驱动线路该线路使用了专用的液晶驱动芯片HT1621。HT162X系列芯片是由HOTEK公司开发生产的多功能LCD 驱动器芯片，HT162X 的软件配置特性使其适合于各种LCD 的应用包括LCD 模块和显示子系统，主控器与HT162X通信只需要3 到4 条线。由于采用了电容型偏置电压充电泵使得HT1620 的操作电流非常的小。HT162X 系列包括多款产品适合不同的应用，目前广泛应用于各种液晶驱动控制上。HT162X系列芯片选型见表8.3所示。（1） 芯片特性 操作电压2.43.3V LCD 电压3.64.9V可调 可选择1/2 或1/3 偏置1/2, 1/3 或1/4 占空比 内部时基频率源 片内电容型偏置充电泵图 8.9 HT1621管脚功能指示图 读/写地址自动增加 3线（或4线）串行接口 软件配置特性 两个可选的蜂鸣器频率2kHz 或4kHz（2） HT1621芯片管脚定义图 8.15 RAM单元对照图HT1621为324位LCD驱动器，共有四种子型号，分别是HT1621-48SSO、HT1621B-48SSOP/DIP、HT1621D-28SKDIP，我们现在使用的为HT1621B-48SSOP，见图8.14所示。 （3） RAM单元对照1621B 的静态显示存储区RAM 为32位， 4 位用于保存显示数据，RAM 的内容直接映射到LCD 。驱动器的内容可使用READ WRITE 和EAD-MODIFY-WRITE 命令对RAM 中的数据进行访问。如图8.15所示为RAM 的映射图。（4） HT1621B电路接口图 8.16 HT1621B接口写模式时序图主芯片与HT1621B 接口只需4 条线。CS 线用于初始化串行接口电路并终止主控芯片与HT1621B之间的通信，如果CS 脚置为1 主控器与HT1621B 之间的通信先被禁止，然后初始化。在执行模式命令或进行模式切换时需要一个高电平的脉冲初始化HT1621B的串行接口。DATA 线是串行数据输入/输出线，读写的数据和执行的命令都必须通过DATA 线。RD 线是读时钟输入线，RAM 中的数据在RD 信号的下降沿输出的数据将会出现在DATA 线上，主控芯片应当在RD 信号的上升沿和下一个下降沿之间读取正确的数据。WR 线是写时钟输入，DATA 线上的数据地址和命令都在WR 信号的上升沿输入HT1621B。图8.16为时序图（仅以写模式为例说明，其余见DATASHEET资料）。（5） 命令格式HT1621 一个很重要的特色就是可由主控芯片通过软件的方式来完成自身的设定，有两种模式，命令对HT1621进行配置和传输LCD 显示数据。HT1621的配置模式成为命令模式它的命令模式ID 为100。 命令模式包含了系统配置命令、系统频率选择命令、LCD 配置、命令音调频率选择命令、定时器/WDT 设定命令和操作命令。而数据模式则包含读、写和读一修改一写操作，表8.4所列为命令模式ID 和数据模式ID。表8.4 模式代码名称模式ID READ 数据110 WRITE 数据101 READ-MODIFY-WRITE 数据101 COMMAND 命令100 模式命令应当在发送数据或命令之前执行。如果执行连续的命令，命令模式ID 可以省略。当系统执行非连续命令或非连续地址数据模式时，CS 脚应当置高电平，前一个操作模式将同时复位。当CS 脚返回到低电平时，应当首先执行新的操作模式ID。 HT1621具体命令模式详见HT1621产品DATASHEET文件，在此不作一一列举。图 8.12 HT1621B显示驱动接口电路原理图在主芯片对HT1621发送显示内容前，应对使用到的HT1621内部资源（如时钟、偏置、蜂鸣器、LCD开关等）进行初始化设定，设定完毕后，才可进行正常的发送显示数据程序。（6） 采用HT1621B的液晶显示驱动硬件电路说明显示驱动部分原理图见8.17所示。该电路与主芯片共四个接口：片选信号CS、读信号RD、写信号WR及数据信号DATA，一般我们使用CS、WR及DATA三个接口。请注意芯片VLCD管脚，HD1621B芯片要求VLCD管脚电压必须低于VDD脚电压，在此VLCD通过电阻分压为4.5V。HD1621B多余的管脚（BZ、COM口和SEG口）可以悬空处理。3. 485通信线路RS-485总线作为一种允许多点、差分数据传输的通讯电气规范，定义了一个极为坚固可靠的，基于单对平衡线的多点，双向（半双工）的通讯链路，具有长传输距离、宽共模范围、信号冲突保护、低成本和良好的抑制高噪声等特性。RS-485实质上是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定插件、传输电缆与及通信协议。只是对应于七层模型中的物理层。美的商用空调很多机型涉及到需要通信的电路都通过485通信线路来实现。其中RS-485的接口规范特点如下：平衡传输、差动工作模式多点通信驱动器带载最小输入电压：1.5V 驱动器带载最大输入电压：5V最大输出短路电流：250mA驱动器输出阻抗： 54接收器输入门限：200mV接收器最小输入阻抗：12k7V至12V总线共模范围最大输入电流1.0mA/-0.8 mA (12Vin/-7Vin)接收器输出逻辑高：200mV接收器输出逻辑低：200mV最大总线负载：64个单位负载允许收发器数目：32Tx 、32Rx最大传输速率：10Mbit/s最大电缆长度：4000英尺（约1.2km）（1） 工作原理简介电路原理见图8.18所示。DI是发送数据到总线，RO是接收总线上的数据，DE是发送允许，RE是接收允许。对于全双工芯片，这两个控制线可以同时有效，但对于半双工的芯片，同一时间只能一个有效。当传输的距离很长时，而双方信息的交换又不是很频繁时都是采用半双工方式，这样可以节省一对传输用线。我们空调一般都是使用半双工方式。主芯片将通讯内容通过通讯芯片MAX3082转换在485总线的差分信号在总线上传输，再通过通讯芯片MAX3082转换为正常的5V波形输入到主芯片上去，实现了主从机的通讯。图 8.18 485模式通讯线路（2）各元器件作用通讯芯片IC1将主芯片的转换为差分信号。瓷片电容C1将输入到主芯片信号滤波。瓷片电容C2对通讯芯片电源进行处理。上拉电阻R1将状态不定的信号上拉处理。匹配电阻R2为了解决总线上的发射和干扰，有时候就需要对总线进行终端匹配，如果反射信号在采样开始时已经衰减到可以忽略，那就不用考虑总线匹配问题。由于目前我们通用的双绞线的特性阻抗是100至120之间，因此在485电路的首端及末端增加一个100或120的电阻。（3）各元器件选型通讯芯片IC1选用MAXIM公司的新一代RS-485通讯MAX30803089系列产品中的MAX3082，其中MAX3082 CPA0049（2230070333）为DIP8插件封装，可以与TI公司的SN65HVD3082EP等同使用；MAX3082ECSA（2230070323）为8SO贴片封装，可以与TI公司的SN65HVD3082ED等同使用，由于MAX485MAX487系列缺少失效保护功能，我们不推荐使用。C1选用102的贴片或者瓷片电容均可，但是必须要加，否则通讯的可靠性会受到很大的影响。C2选用104的贴片或者瓷片电容均可。R1选用10k/12k的普通电阻即可。R2选用100/120的电阻。（4）RS-485网络连接和节点配置事实上，虽然RS-485规范的定义里只定义了一个双线通讯链路，但是在实际使用中，我们可以利用一条或者两条这样的链路来建立实用的通讯网络，也就是说，RS-485可以很好的支持半双工和全双工的通讯模式。一般的，对于一条这样的链路，网络的拓扑结构采用终端匹配的总线型结构。而不支持常见的星型或者环形结构。图 8.19 常见错误连接及改正方案485总线的网络配置实际上对通讯的可靠性是影响巨大的，特别是在通讯距离的延长和通讯数据传送速率或者说通讯所用波特率的提高之后，不良影响会越来越严重。图8.19为RS485通讯网络连接及节点配置图。其中（a）、（b）、（c）是一些常见的错误的连接方案，其中的小圆圈代表一个接收/发送器单元。连线表示连接总线的电缆，一般我们采用屏蔽双绞线作为这个连接介质。在图（d）、（e）、（f）里，我给出了对应于图（a）、（b）、（c）的连接改正方案。图（a）、（b）、（c）连接方案，虽然在某些情况下，比如很短的距离，对通讯速率要求不高，可以采用低速率，而且收发单元也很少等场合，可能可以实现通讯。但一旦这些方案用于通讯距离长，以及通讯速率要求高的现场，就可能出现不能通讯。主要的原因就是信号在各个支路会发生信号反射，和原信号叠加，造成了信号的不稳定性。另外，由电磁学理论我们知道，反射还可能发生在线路阻抗不连续或者起伏较大的地方，比如不同线路段采用了不同的电缆，某个段连接了很多收发器而另一段却很少，又或者某收发单元到主干总线的连线太长，都可能出现阻抗的不连续，发生信号反射。总线的配置还涉及到连接的收发器数目问题，RS-485总线没有给出一个允许连接的收发器数目的标准规定，但是规定了最大的总线负载容量，那就是最多接32个单位负载，每个单位负载的最大输入电流是1.0mA/-0.8mA,也就是相当于12K。这就给接口芯片一个扩充收发器的可能性，器件生产商通过增大收发器的输入电阻从而达到增加节点数的目的。（5）总线接地问题对于电子系统的设计。我们知道电源和接地问题是一个非常关键的问题，如果处理不好，经常导致不能稳定的工作甚至危及系统安全。对于一个可靠的RS-485系统也是这样。因为在RS-485的规范中只是强调了用两根双绞线实现系统的通讯线路A(+)和B(-)，受此影响，一个错误的观点是认为RS-485链路不需要信号地，只要把A和B 线路用两个双绞线连起来就行了，因为RS-485接口是用差分方式传输信号的，并不需要相对于某个参照地来检测信号，系统只需要检测两线间的电位差就可以了。无可否认在某些情况下这是可以工作的，但是也给系统留下了很大的隐患。图 8.20 共模干扰模型 VCM= Vos VGPD一个问题就是共模干扰，注意到收发器只有在共模电压不超过一定的范围（-7V+12V）条件下才能正常工作，所以当共模电压超出这个范围时通讯的可靠性就受到考验了。严重的话还可能烧毁接口。如图8.20给出的模型，发送器A对发送器B发数据时，A输出的共模电压为Vos，如果A、B 是不 共地的话。那么就可能存在地电位差VGPD。那么接收器B输入的共模电压就会达到VCM=Vos VGPD 。RS-485标准规定Vos3V，但是注意到VGPD可能会有很大的幅度（甚至几十伏）且可能伴有强的干扰信号，这样B接收端输入VCM就有可能超出正常范围，在信号线上引入干扰电流，影响通讯甚至烧毁电缆。除了共模干扰，还有一个就是电磁辐射（EMI）对总线的影响，驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如果系统没有接地的回路，共模信号没有一个低阻的回路，就会以电磁辐射的方式返回源端，整个总线就像一个长天线一样向外辐射电磁波。这样造成的信号损失和信息泄漏是很严重的。图 8.21 接地方案接地的措施其实很多，不过这些措施与共模干扰的频率和干扰源的内阻有关，图8.21给出了一些不同情况下可考虑的措施。（1）：干扰源内阻大，直接加一低阻信号地线。（2）：干扰源内阻小，在（1）的基础上可以在信号地回路中加电阻，不过注意到这可能会增大共模电压，R1、R2的取值要控制好，不能影响通讯。（3）：浮地接法，当干扰源内阻实在太小，这种方法是可行的，因为隔断了接地回路，形成的环路电流不会很大。（4）：如果在（3）情况下，信号地和大地或机壳不能隔断，那这种电气隔离的方法是可行的。当然，以上所述的各种情况都是在低频率的情况下适用，如果是高频瞬态干扰就不能这样考虑了。因为引线有电感，这个接地回路对瞬态干扰等于开路，瞬态干扰的产生我们可以想象得到，系统周边的别的大功率感性器件，如电机、变压器、继电器等等，甚至最平常的就是闪电了。采用的措施可以类似图8.21(4)的电气隔离方法。或者用放电管等瞬态抑制器件，总之最终目的就是将瞬态放出的能量引到大地中去。C1我们通常选用0.001UF的高压电容。当然这些都必须根据实际安装的电气环境及布线现场来考虑。8.3.3 电控功能简介1主从机设定功能热泵热水机组的每个单台热水机具有相同的电控功能，通过电控板上的地址拨码来设定主从机。地址拨码为0的规定为主机，其余的地址均为从机。单元机电控只有设定为主机后，才激活直接与线控器通讯、辅助电加热器控制、高低水位检测的功能。2线控器通讯功能（1）自动模式：向主机发出开机或者关机指令（所有热水机全部开启）。（2）手动模式：选择开启热水机组中热水机的数量。（3）显示出水温度。（4）具有掉电记忆功能（5）显示各台机器的故障及保护代码 主机与线控器之间的通讯（设定为主机后有效）待机过程中，主机电控器随时接收来自线控器的开机指令。它自己先开启，之后它向所有从机依照地址从小到大的顺序，间隔发送开机指令。从机电控器接收到开机指令后，开启系统。 从机与线控器之间的通讯从机板把自己的运行状态、运行故障等信息传给线控器显示出来。从机接收主机发送的控制命令，按照控制命令运转；并且返回自己的运转状态和故障保护信息。3故障检测和保护功能（1）故障检测功能主机电控器检测到故障产生，则整个机组系统停机。从机电控器检测到故障产生，则产生故障的热水机停机。电源A、B、C三相应同时存在，并依次相差120度相角，如果不满足条件则产生相序或缺相故障，并显示故障代码。当电源相序恢复正常后，故障解除。说明：电源的缺、错相只在上电初期检测，机组运行过程中不再进行此类检测。如果故障发生在线控器与主机模块之间，则所有的热水机停机，如果故障发生在从机热水机（从机与主机之间），则发生通讯故障的从机停机，线控器上检测到的机组台数变少时，线控器指示灯闪烁。通讯恢复正常后，故障解除，线控器显示正常。所有温度传感器故障报警后，所有的模块单元停机，传感器恢复正常后，故障解除。出水温度传感器故障，显示故障代码；系统换热器管温传感器故障，显示故障代码；环境温度传感器故障，显示故障代码。模块单元电控检测每台单元机各自的室温、室外管温和板换出水温度是否异常以及各自压缩机的压力开关是否动作。（2）保护功能当主机发生保护时，主机和从机都停止运转；当从机发生保护时，只停此热水机，别的从机不受影响。所有故障保护都有恢复功能。系统低压保护：系统低压开关正常情况下常闭，当压力低于保护值时断开。低压保护时，该压缩机停机，显示故障代码，3分钟后重新启动。压缩机电流保护：压缩机启动的最初不检测电流。当检测到压缩机电流超过设定保护值时，压缩机停机，显示故障代码，3分钟后重新启动。水压保护：机组开启前，先开启水泵，2分钟后检测水压保护开关信号，若水压信号断开，则机组处于待机状态（水泵延时关闭），线控器显示故障代码，指示灯同时闪烁报警。主机一直检测水压信号，直到水压信号正常，机组正常开启。若正常运行过程中，水压信号连续5秒钟断开，则机组停机处于待机状态（水泵一直开启），线控器显示故障代码，指示灯同时闪烁报警。主机一直检测水压信号，直到水压信号正常，机组重新开启。热泵热水机组具有智能全自动控制，能够自动显示故障代码，以便快速检测和维修故障。故障及保护显示代码见表8.5所示。表8.5 热泵热水机RSJ-350/S-810故障及保护代码表E0水压检测故障（主机显示）E1电源相序故障E2通讯故障E3出水温度传感器故障E5冷凝器管温传感器故障E6室外环境温度传感器故障EA从机模块发生通讯保护（线控器显示）P0系统低压保护P1系统高压保护P2系统1电流保护P3系统2电流保护4点检功能机组正常时显示的内容：（1）待机而且没有故障、保护的情况下显示模块机地址。（2）系统启动以后显示系统出水温度T1。室外系统芯片设置点检按键，可以通过点检观测到室外系统的运行状态。方便工程技术人员维护。具体点检显示内容如8.22图所示。正常显示 运转模式 在线机组数 室外环境温度压缩机2电流 压缩机1电流 冷凝器温度(实际温度见表8.6 )图8.22 点检显示顺序 表8.6 冷凝器温度显示对照表显示数值冷凝器实际温度显示数值冷凝器实际温度显示数值冷凝器实际温度0-152-144-136-128-1110-1012-914-816-718-620-522-424-326-228-1300321342363384405426447468489501052115412561358146015621664176618681970207221742276237824802582268427862888299030923194329633983410.3510.3610.3710.3810.3911.4011.4111.4211.4311.4412.4512.4612.4712.4812.4913.5013.5113.5213.5313.5414.5514.5614.5714.5814.5915.6015.6115.6215.6315.6416.6516.6616.6716.6816.6917.70注:表中显示温度为数码管显示数值,冷凝器实际温度超过35时数码管显示数值后带”.”,其中数码管正常显示为出水温度值。5线控器功能线控器按键操作说明见图8.23所示。机组单元通讯线控器可以接收机组所有模块单元的运行状态数据，线控器任何时候连续10秒钟时间没有接收到主机模块单元发送的数据，则产生主机通讯连机故障，线控器显示故障代码“EC” ，当与主机模块单元正常通讯后，故障解除。如果与主机或从机模块单元通讯数据错误，则产生线控器与模块单元通讯故障，线控器显示故障代码“ED” ，数据通讯恢复正常后，故障解除。线控器常见故障及其维修：（1）线控器无显示，开关机按键无效：维