CN1195184C - 制冷空调机组故障模拟和诊断系统 - Google Patents

Abstract

制冷空调机组故障模拟和诊断系统由故障模拟机组和数据采集子系统组成。它们之间通过数据采集仪表和PC机进行通讯。核心部件为一台加设了故障模拟功能的风冷热泵机组，能够方便地设置和模拟制冷机组常见的典型故障，为诊断系统提供机组在发生故障时的运行故障样本。选择主要的热力参数构成制冷机组的运行时状态特征量。通过数据采集子系统实时采集各种模拟的故障状态下的特征量。通过模式识别的方法对制冷机组的运行状态进行状态识别，达到制冷机组运行时的实时监控和故障诊断目的。

Description

制冷空调机组故障模拟和诊断系统

技术领域

本发明涉及的是一种制冷空调机组故障模拟和诊断系统。特别是一种模拟制冷机组常见故障并通过测量制冷机组运行时的典型热力参数，根据测量到的热力参数应用模式识别方法进行故障诊断的系统。属于制冷空调和人工智能结合的技术领域。

背景技术

制冷空调系统出现故障时，往往处于不正常运行状态下，甚至系统停止运转，最严重的后果是直接导致系统设备损坏。其次，由于系统偏离了正常运行状态，空调环境的舒适性或所要求的冷冻环境得不到保证。另外，当制冷空调系统运行在故障状态时，系统能耗往往要增大，造成能源浪费。所以，当制冷空调系统出现故障时，需要对其进行快速诊断和修复。在已有的技术中，制冷机组在运行时仅采用单个传感器对绝对参量(如温度、压力等)进行监测，每个监测的信号都被设置了阈值，如果采样到的信号超过阈值，系统便发出报警信号，其诊断判据完全依赖于设置的阈值，通过简单的分支判断程序来完成故障检测和诊断的任务。但是，空调制冷系统日益复杂，设备趋于多样化和大型化，自控程度日趋提高。而当实际发生故障时，制冷机组会表现出各种特征，而不是存在绝对阈值，这就造成了报警灵敏度和误报率之间的矛盾。由于制冷机组结构的多样性以及故障症状与故障原因之间关系的复杂性，即同一种故障症状往往对应着多种故障原因，同一种故障原因又会出现多种故障症状，依靠单纯地设置检测信号阈值的制冷空调系统的故障诊断系统误报率高，诊断效果不佳。

发明内容

为了克服上述空调制冷机组故障诊断系统的缺陷，本发明通过测量制冷机组运行时的典型热力参数，在制冷机组的热力参数状态空间中应用模式识别方法进行故障诊断。并为了验证模式识别方法的诊断效果，该系统能够模拟制冷机组的15种常见故障。实时展示故障诊断系统的故障检测和诊断能力。

本系统由故障模拟机组和数据采集子系统组成。它们之间通过数据采集仪表和PC机进行通讯。核心部件为一台加设了故障模拟功能的风冷热泵机组，其制冷量为4kW。本机组中同时安装了热力膨胀阀和3根分别是正常、过长和过短的毛细管，使系统可以在多个节流装置之间切换，达到模拟的膨胀阀开度过大、过小和毛细管过长过短等故障的目的。室外和室内都安装了翅片管换热器，另外，室内还安装了一个板式换热器。使该系统能够以两种方式运行：

1)直接蒸发式系统，即制冷剂-空气系统

2)间接式系统，即制冷剂-冷媒水-空气系统

这样就可以同时模拟两种系统的常见故障。

系统中设置了如下故障模拟装置：

1)热力膨胀阀旁加装了手动膨胀阀，通过调节手动膨胀阀的开度，以模拟膨胀阀的开度过大或者过小的故障运行状态。

2)膨胀阀前安装了手动调节阀，以模拟系统管道堵塞的状态。

3)压缩机高低压之间安装串通阀，目的是为模拟压缩机气阀泄漏的情况。

4)冷媒水进口处串接电加热器，以模拟回水温度过高的运行状况。

5)两个翅片管换热器旁安装电加热器，可以分别模拟室外机温度高和室内机温度高的故障状态。

6)在电加热器回路中安装调压变压器，通过调压变压器可改变电加热器的加热功率。

7)室内外机风机的调速器，可以方便改变室内外机的风量，以模拟室内外机风量过小等故障。

8)冷媒水环路中安装水量调节阀，以模拟水路堵塞、积垢等导致冷媒水流量过小的故障状态。

9)室内布置14.4kW的热泵型空调机组，以模拟不同的冷热负荷。

另外，膨胀阀和电磁阀之间安装了流量计，便于在调节系统制冷剂流量时观察制冷剂的流量变化。在各调压器上还加装功率表，在调节电加热器功率时可以方便地观察到功率的变化情况。

数据采集子系统通过温度和压力传感器与故障模拟制冷机组相连接。选择典型的热力参数以代表制冷机组的运行状态，为了采集热力参数，在系统中的各个主要热力参数位置进行传感器布点。本发明目前模拟的典型故障及其采集的典型热力参数如下表所示。

                   模拟的典型故障

1.风机停转                                6.膨胀阀开度过大

11.室外机风量小

2.压缩机停机                              7.膨胀阀开度过小

12.室外机温度高

3.水泵停转                                8.空调房间负荷过大

13.回水温度高

4.吸排气阀串通                            9.风机盘管风机停机

14.制冷剂过少

5.过滤器堵塞                              10.冷媒水流量过小

15.制冷剂过多

温度压力传感器布点位置

1.压缩机吸气口温度(t1)                    6.房间温度(t6)

11.室外机出口温度(t11)

2.压缩机排气口温度(t2)                    7.过滤器外表面温度(t7)

12.压缩机进口压力(p1)

3.膨胀阀前温度(t3)                        8.板式换热器进水温度

(t8)                                      13.压缩机排气压力(p2)

4.板式换热器进口温度(t4)                  9.板式换热器出水温度

(t9)                                      14.膨胀阀前压力(p3)

5.板式换热器出口温度(t5)                  10.室外机进口温度

(t10)                                     15.膨胀阀后压力(p4)

诊断过程由安装在PC机上的故障诊断软件完成。采用人工神经网络方法作为实现故障模式识别的手段。分别用采用BP算法的多层感知器、概率神经网络和自组织特性映射网来作为诊断网络。经过模拟设置各种制冷系统的典型故障，由数据采集子系统采集正常状态以及各种故障状态的热力参数特征量，为诊断系统的人工神经网络提供学习或设计样本，以训练人工神经网络。然后该系统就可以作为在线实时监控的故障检测诊断系统投入使用。

本发明能模拟制冷空调机组的典型故障，提供空调制冷机组故障运行状态时的热力参数样本。经过模拟、采集、训练以后，诊断系统可用于关键场所空调系统的实时在线监控和快速故障诊断，能够保证空调环境的舒适性和空调系统的安全运行。具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明制冷空调机组故障模拟和诊断系统结构示意图。

图中1是压缩机，2是压缩机吸排气串通阀，3是四通换向阀，4是室外翅片管换热器，5是室外机加热器，6是室内翅片管换热器，7是室内机加热器，8是板式换热器，9是膨胀水箱，10是风机盘管，11是水量调节阀，12是手动膨胀阀，13是热力膨胀阀，14是过短毛细管，15是正常毛细管，16是过长毛细管，17是流量计，18是电磁阀，19是干燥过滤器，20是视镜，21是手动调节阀，22是储液器，23是单向阀组，24是空调房间，25是截至阀。

t1是压缩机吸气口温度传感器，t2是压缩机排气口温度传感器，t3是膨胀阀前温度传感器，t4是板式换热器进口温度传感器，t5是板式换热器出口温度传感器，t6是空调房间温度传感器，t7是干燥过滤器外表面温度传感器，t8是板式换热器进水温度传感器，t9是板式换热器出水温度传感器，t10是室外翅片管换热器进口温度传感器，t11是室外翅片管换热器出口温度传感器，p1是压缩机进口压力传感器，p2是压缩机排气压力传感器，p3是膨胀阀前压力传感器，p4是膨胀阀后压力传感器。

具体实施方法

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示本发明主要包括压缩机1，压缩机吸排气串通阀2，四通换向阀3，室外翅片管换热器4，室外机加热器5，室内翅片管换热器6，室内机加热器7，板式换热器8，膨胀水箱9，风机盘管10，水量调节阀11，手动膨胀阀12，热力膨胀阀13，过短毛细管14，正常毛细管15，过长毛细管16，流量计17，电磁阀18，干燥过滤器19，视镜20，手动调节阀21，储液器22，单向阀组23和截至阀25。

压缩机1的吸气口和排气口与四通换向阀3的进出口相连接。四通换向阀3两侧的旁通通道口分别与室外翅片管换热器4和室内翅片管换热器6、板式换热器8的一端连接。通过四通换向阀3的切换，可以改变系统中制冷剂的流向，以实现机组的制冷或制热运行。压缩机1吸气口和排气口之间连接串通阀2，以模拟压缩机吸排气串通故障。室外翅片管换热器4的另一端经过单向阀组23之后与储液器22的进口连接。储液器22出口通过手动调节阀21与干燥过滤器19连接，通过调节手动调节阀21的开度，就可以模拟不同程度的管路堵塞情况。在干燥过滤器19与手动调节阀21之间的管道中安装视镜20。干燥过滤器19后连接电磁阀18，电磁阀18之后安装流量计17，以观察制冷机组中的制冷剂流量变化情况。流量计17出口同时与各个节流装置——手动调节阀12、热力膨胀阀13、过短毛细管14、正常毛细管15和过长毛细管16的进口相连接。各节流装置的出口并联后经过单向阀组23与室内翅片管换热器6和板式换热器8的另一端连接，以完成制冷剂循环的环路连接。在室外翅片管换热器4和室内翅片管换热器6旁分别安装室外加热器4和室内加热器6，以模拟室外机温度高和室内机温度高故障。

当制冷机组运行于间接方式即冷媒水系统方式时，还需要冷媒水环路。在板式换热器8的冷媒水出口，安装水量调节阀11。通过调节水量调节阀11，可以模拟各种循环水量下的制冷机组运行状态。水量调节阀11出口与风机盘管10的进口连接，风机盘管10的出口与板式换热器8的回水进口连接，完成冷媒水循环环路。另外冷媒水环路上还安装了膨胀水箱9。

板式换热器8、室内翅片管换热器6和风机盘管10均安装在空调房间24内。单向阀组23由4个单向阀组成，以控制机组运行在制冷制热时制冷剂的不同流向。系统中还安装了多个用于切换制冷剂流道的截止阀25。

压缩机1的吸气口处布置温度传感器t1和压力传感器p1，分别测量压缩机1的吸气温度和吸气压力。排气口处布置温度传感器t2和压力传感器p2，分别测量压缩机1的排气温度和排气压力。热力膨胀阀13前的管路位置上布置温度传感器t3和压力传感器p3，分别测量热力膨胀阀13前的制冷剂温度以及压力。热力膨胀阀13后的管道位置上布置压力传感器p4，用于测量节流后的制冷剂压力。板式换热器8的进出口分别布置温度传感器t4和t5，测量进出板式换热器8的制冷剂温度。在干燥过滤器19的外表面布置温度传感器t7，测量制冷剂在干燥过滤器19位置上的温度。板式换热器8的进出水口分别布置温度传感器t8、t9，用以测量冷媒水的进出水温度。在室外翅片管换热器4的进风口和出风口分别布置温度传感器t10、t11，测量室外翅片管换热器4的进风和出风温度。在空调房间24内安装温度传感器t6。

系统工作时，通过调节各个故障模拟装置模拟各种常见的制冷机组故障状态，通过各传感器将制冷机组的热力参数采集到数据采集仪表，数据采集仪表再通过与PC机通讯，为故障诊断软件中的采用BP算法的多层感知器、概率神经网络和自组织特性映射网的诊断神经网络提供训练样本或设计样本。诊断网络训练完成以后，PC机上的故障检测和诊断软件就具有对制冷机组故障监测和诊断的功能。

Claims (2)

1.一种制冷空调机组故障模拟和诊断系统，包括压缩机(1)，压缩机吸排气串通阀(2)，四通换向阀(3)，室外翅片管换热器(4)，室外机加热器(5)，室内翅片管换热器(6)，室内机加热器(7)，板式换热器(8)，膨胀水箱(9)，风机盘管(10)，水量调节阀(11)，手动膨胀阀(12)，热力膨胀阀(13)，过短毛细管(14)，正常毛细管(15)，过长毛细管(16)，流量计(17)，电磁阀(18)，干燥过滤器(19)，视镜(20)，手动调节阀(21)，储液器(22)，单向阀组(23)和截至阀(25)，其特征在于压缩机(1)的吸气口和排气口与四通换向阀(3)的进出口相连接，四通换向阀(3)两侧的旁通通道口分别与室外翅片管换热器(4)和室内翅片管换热器(6)、板式换热器(8)的一端连接，压缩机(1)吸气口和排气口之间连接串通阀(2)，室外翅片管换热器(4)的另一端经过单向阀组(23)与储液器(22)的进口连接，储液器(22)出口通过手动调节阀(21)与干燥过滤器(19)连接，在干燥过滤器(19)与手动调节阀(21)之间的管道中安装视镜(20)，干燥过滤器(19)之后连接电磁阀(18)，电磁阀(18)之后安装流量计(17)，流量计(17)出口同时与各个节流装置——手动调节阀(12)、热力膨胀阀(13)、过短毛细管(14)、正常毛细管(15)和过长毛细管(16)的进口相连接，各节流装置的出口并联后经过单向阀组(23)与室内翅片管换热器(6)和板式换热器(8)的另一端连接，在板式换热器(8)的冷媒水出口，安装水量调节阀(11)，水量调节阀(11)出口与风机盘管(10)进口连接，风机盘管(10)的出口与板式换热器(8)的回水进口连接，冷媒水环路上安装膨胀水箱(9)，单向阀组(23)由4个单向阀组成，系统中还安装了多个截止阀(25)。

2.根据权利要求1所述的制冷空调机组故障模拟和诊断系统，其特征还在于压缩机1的吸气口处布置温度传感器t1和压力传感器p1，排气口处布置温度传感器t2和压力传感器p2，热力膨胀阀13前的管路位置上布置温度传感器t3和压力传感器p3，热力膨胀阀13后的管道位置上布置压力传感器p4，板式换热器8的进出口处分别布置温度传感器t4和t5，在干燥过滤器19的外表面布置温度传感器t7，板式换热器8的进出水口处分别布置温度传感器t8、t9，在室外翅片管换热器4的进风口和出风口处分别布置温度传感器t10和t11，在空调房间24内安装温度传感器t6。