热通风和空调（HVAC）系统中的预测和预防性维护

嗨，我叫Brian Dempsey， 我在TI的工业系统/楼宇 自动化小组工作。 今天我们将讨论热通风 和空调中的预测性和预防性维护， 也称为HVAC系统。 简要概述一下今天的议程。 商业HVAC基础 概述。 所以在演示的其余部分之前 我们将讨论你可能应该知道的 一些最基本的东西。 接下来，我们将深入研究 预测和预防性维护。 最后，我将展示一些预测 维护在现实世界中的 实际情况。 因此，将有智能过滤器更换， 以及电机健康振动监测。 因此，就商用暖通空调而言， 您可以在左侧看到 我们在世界各地 都有一个典型的建筑。 我们有建筑物的顶部， 以及建筑物的底部， 这是地下室区域。 因此，我们将剖析其中一些主要部分 位于此建筑物内的位置。 所以在建筑的一侧， 我们有屋顶单元和冷却塔。 我们将简要介绍这些实际做的事情。 但就目前而言，我将解释 这些位于这栋楼内位置 的特定终端设备。 接下来，我们有冷水机和锅炉。 通常，这些可以在地下室 或较低层的建筑物中看到， 也可以放置在室外，这取决于环境。 因此，这里的图表基本上 显示了商业系统与商业系统 或住宅系统之间的区别。 在这种情况下，您可以在左侧 看到热量进入。 在它旁边，您可以看到冷却盘管。 该冷却盘管有冷水流过。 作用是当它穿过冷却盘管时 吸收空气中的热能。 您还可以在顶部看到泵。 这是用于在整个系统中 输送水的方法。 接下来，您可以看到蒸发器盘管。 这与冷凝器，压缩机 和恒温膨胀阀 一起用于制冷剂 以冷却水。 接下来，我们在第二级侧有水。 并且这种水在离开压缩机后 吸收制冷剂的热能。 从这里，水被带到冷却塔， 在那里空气被迫通过盘管的翅片， 这允许热能被消散到 环境空气中。 再次，你可以在这里看到泵。 所以主要问题之一是，我们为什么要用水？ 为什么我们不能只使用制冷剂？ 在这种情况下，水具有更大的热容量。 因此，外界环境对水的温度 变化的影响 可能在几百米的距离内很小。 因此，如果我们稍稍退一步， 我们可以分辨出住宅或轻型商用 空气处理系统与商用系统之间的区别。 在顶部，您可以看到典型的住宅系统 周期。 因此，您可以通过蒸发器 从系统的回风中吸收热量。 蒸发器进入压缩机，冷凝器 和膨胀阀。 你可以看到热量一直消散， 直到结束。 与此不同，在商业系统中， 您有两个额外的循环，每个循环一个 制冷剂。 这与水一起使用， 因此在这种情况下制冷剂 是冷却水而不是空气。 作为回报，水用于冷却空气， 并且还用于将吸收的热量 吸收到外部空气中。 因此，在我们看到的建筑物的 第一张照片，最后几张幻灯片中 深入了解细节。 你可以在顶部看到， 我们有一些主要组件。 我们已经讨论了一些， 有些我们将稍后讨论。 我们有冷却塔，冷凝器，冷却器，锅炉。 然而，我们需要知道的主要事情之一 是它如何与建筑物内空气的 实际运动相互作用来调节它。 所以在这里你可以看到这个长绿框， 有三个主要组成部分。 你可以从右到左看到，你可以看到一个鼓风机。 红色的盒子将是你的热量。 然后蓝色的盒子将成为 冷却的冷水。 因此，基于当时实际使用的这些东西， 加热或冷却，将向空气中消散能量 以增加温度或从空气吸收能量 以通过冷冻水 或加热的水 降低温度。 鼓风机负责从空调空间中 抽出空气，以便在将其送到 供应商之前对其进行重新调整。 然后就在底部， 您可以看到我们必须使用VAV箱， 它代表可变风量箱。 因此，这基本上允许我们 根据需求和温度 调整气流。 接下来，我们放大制冷循环。 因此，我们可以显示实际需要的更多细节。 所以在这里，在左侧，您可以看到蒸发器。 我们已经讨论过了。 然后在右侧，您可以看到冷凝器。 我们也简要讨论过这个问题。 您可以在顶部看到的另一个是压缩机。 因此，它需要制冷剂， 它将其冷凝，将其压缩成 过热蒸汽。 从那里，它进入冷凝器， 在那里发生排热 以降低制冷剂的温度。 接下来，您可以看到底部的膨胀阀。 这些用于调节制冷剂流入 蒸发器盘管的流量。 膨胀阀有一个高压侧， 由进入它的红线表示， 它也有一个低压侧， 显示蓝线朝向 蒸发器。 这降低了压力，因此制冷剂 一旦到达蒸发器， 就会沸腾并从空气中吸收热能，或者在这种情况下， 用于从水中进行更大的冷却器应用。 在这里，我们标记了一些可以衡量的点。 介绍其中一些是可以在预测 和预防性维护的早期阶段 使用的东西。 你可以看到温度，压力， 电压，压缩机的振动，我们会 继续讨论。 但这些是可以监控的一些 主要条件。 在这里，就实际的冷却塔而言， 我们有更详细的信息。 所以你可以在左侧看到， 我们为系统的其余部分提供了 两个主要连接。 我们从冷凝器中得到它。 然后我们有一些流向冷凝器的东西。 这是我们用于热能 传递的水基介质之一。 在这里的右侧，你可以看到 外面的空气穿过散热片，标记为 灰色。 它的作用是吸收水中的热量。 你也可以在底部看到。 它从这种水中吸收热能， 并通过风扇将能量和热量 从顶部吸出。 因此，我们要做的最后一个 功能概述是低压水锅炉。 你可以在这看到这基本上 与冷却器相反。 在这种情况下，我们有一个产生热能的燃烧器。 然后你可以在锅炉的顶部 看到那里的水。 因此水被加热，然后从那里开始， 它基于由于加热引起的压力增加而 进入膨胀箱。 然后，这可以在整个HVAC系统中泵送， 以便为建筑物提供热量。 您可以在这些黄色菱形中 看到的另一件事是这些传感器中 可以围绕此特定设备放置， 以便获得预测性和预防性维护的 一些见解。 您可以看到水的温度， 容器内的压力， 燃烧器的温度，火焰的温 度以及火焰指示器。 所以这些只是几个例子。 接下来，我们将开始讨论实际上 预防性和预测性维护的 内容。 那么什么是预防性维护？ 预防性维护是一项侵入性任务， 旨在更新设备并消除恶化状况。 预防性维护任务完成后， 资产就像新的一样。 恶化状况已经消除， 资产已经恢复到新的内在 可靠性。 所以这样做的一个例子 就是每5,000英里换一次车内的油， 不一定是因为你的车坏了， 但是因为这是一项预防性任务， 可以延长发动机的使用寿命。 预防性维护任务的一些其他示例， 特别是在HVAC行业中，如下所示。 您可以在左侧看到， 我们有一个屋顶单元。 其中一项维护任务可能是清洗 冷凝器的散热片。 因为这些东西有空气流过它们， 所以它们习惯于从空气中 吸收碎屑，这可以降低排热， 从而使系统运行不佳。 此外，通常会更改过滤器， 这会对系统的预期寿命 产生巨大影响。 另一项任务是检查皮带和皮带轮的松动， 振动或任何其他异常情况。 那么什么是预测性维护？ 另一方面，预测性维护 是旨在识别资产的特定条件 非侵入性任务。 在预测任务结束时， 资产保持良好状态，而资产所有者 更了解资产状况。 但是，资产的状况没有改变。 关于这种方法还有几点内容。 该方法的最终目标 是在维护活动最具成本效益 且在设备在特定阈值内 失去性能之前的预定时间 执行维护。 这将导致计划外停机成本的减少， 因为根据行业的不同， 每天可以发现数十万的 成本。 此外，可以使用在正常操作期间 直接监控设备性能来预测故障。 那么，当您谈论预测性与预防性 或定期维护时， 您可能面临的一些缺点或设计挑战 是什么？ 一些最困难的事情 可能是收集数据以进行有根据的预测。 但有两个不同的方面。 所以我们首先有原则驱动的一面， 你可以在左侧看到它。 这是基于物理定律的预测。 在这方面，我们补充难以衡量的数据。 这可以导致高度准确的预测模型。 另一方面，我们有数据驱动。 所以这些都是基于传感器数据的预测。 因此，我们可以使用 从已经部署到现场的设备获取的传感器数据。 然后我们可以基于统计技术 开发预测模型。 但是之间还有灰色区域， 你必须间歇性地使用两者 并将其塑造成你自己的系统。 因此，这是推导这些模型的 主要挑战之一。 所以在这里我们可以看到维护方法与成本分析。 这是我们在左侧有一个 非常流行的比较。 因此，在图表的左侧部分， 我们进行了预防性维护， 这是成本与失败次数的关系。 因此，对于预防性维护任务， 我们的维修成本很低，而且我们有更高的预防成本， 因为我们正在投入资金， 这样我们就没有失败。 你可以看到，我们的故障数量非常少。 另一方面，我们有反应性维护。 在这种情况下，您的预防成本非常低， 因为您没有采取任何措施来 防止失败。 在这种情况下，您的成本也非常高， 而且您的维修成本也是其中的大部分。 在中间，您有预测性维护。 所以这是理想的地方。 这是您在预防成本 和维修成本之间的交叉点。 因此，当我们对整体成本较低的情况 进行预测性维护时，这是我们 想要的理想点。 接下来，我们将开始讨论预测性维护 及其在HVAC行业中的应用的几个 示例。 因此，我们将在预测性维护 HVAC设计方面进行的第一个设计 是用于预测性维护和空气过滤器 更换的HVAC线圈气流传感器 参考设计。 所以这显示了这个设计实际上是什么的 简要概述。 你可以在那里看到，TIDA号码是01070。 所以这是关于解决方案的功能。 解决方案功能包括仅在HVAC循环期间 拉动传感器。 因此，该系统实际上将使用继电器作为中断， 因此它知道何时打开并实际获取系统数据。 我们还有基于气流差异的 系统警报。 因此，如果我们的数据 与过滤器的自然恶化不一致， 那么我们可以告诉用户有关系统的 其他信息不正确。 我们还有温度亚阈值电容器截止 继电器。 因此，如果您确实有过滤器堵塞， 那么您的冷凝器仍然不会 将制冷剂泵入您的蒸发器盘管中， 因为它会变成一块冰块。 在这一点上，效果可能会花费你更多。 我们还有一个风扇覆盖运行继电器。 因此，如果冷凝器切断， 这将覆盖室内空气处理器单元上的风扇继电器。 从那里开始，它将允许您在蒸发器盘管 达到低于其设计运行温度的 温度条件下对其进行除霜。 这种设计也适用于大多数HVAC系统中 存在的24伏交流变压器。 并且它还具有非常高的循环耐久性， 铁电RAM MSP器件。 这很重要，因为每次根据过滤器类型 更改过滤器时， 都必须校准此系统。 因此，使用这些校准意味着您正在写入此RAM， 因此它具有较长的使用寿命非常重要。 一些解决方案的好处。 低成本，这是任何HVAC行业 市场的主要驱动因素之一，这是低成本。 它可以防止线圈冻结。 它还根据进入 线圈的气流监控过滤条件。 它还可以根据通过线圈的 气流监测线圈状况。 因此，基于我们定位这些传感器的位置， 我们可以修改我们实际感测到的室内 空气处理器中的气流。 您可以在左下方看到这里， 我们有系统的简化图。 在输出端，我们有一些 在固态继电器上完成的TI设计。 我们将这些与此设计结合使用， 以便为此提供独特的解决方案。 我们也有MSP，在输入端我们 有一个LMT 84，我们用它来测量温度。 我们还有两个压电传感器， 用于振动分析气流。 您可以在右侧看到， 我们有一个更详细的框图， 基于实际进入该系统的内容。 所以你可以看到我们有桥接器 和平滑器这是24伏交流输入。 在那里的降压转换器， 5伏特用于低电平逻辑以及3.3伏特LDO。 在MSP内部，我们使用的是10位ADC。 我们将其与您在左侧看到的 运算放大器结合使用。 这些是信号调节器。 因此，我们正在调节压电传感器的 振动输出信号。 我们还有LED指示灯。 这就是我们用来表明是否存在问题的方法。 此外，还有一个二级版本， 即HVAC智能滤波器监视器， 它也集成了无线功能。 所以你可以在这里看到，我们的电源架构 基本相同，即3.3伏特。 我们在压电传感器上使用 1.65伏参考电压。 从这里开始，我们将进入TLV4313运算放大器。 同样，这是用于信号放大和调节。 我们也在这个中再次使用LMT84。 而且我们也在使用HDC2080， 因为不仅可以将温度提高到高温， 还可以让我们监控更多种类的情况。 在这种情况下，我们还使用了一个MCU CC1312 Launchpad， 它是一个新的Launchpad。 我们也有LED指示灯。 TI设计的主要优势之一 和文档是能够 显示实际进行的测试， 现场测试。 在这种情况下，对于TIDA1070，您可以在这里看到 我们的测试方法。 从左侧，您可以看到有鼓风机 传感器。 因此，您可以看到HVAC室内机上的 压气机旁边有压电器。 我们还有另一个振动传感器 连接到过滤器底座。 我们还有一个用于气流 测量的风速计，以便我们能够 关联振动和气流速度 之间的数据。 纸张也用于吸收部分堵塞 和完全堵塞。 您可以在左侧看到， 没有堵塞。 所以这是模拟一个干净的过滤器。 在右侧，我们对纸张有一些部分阻塞， 您可以看到我们如何 在这个系统中实际 实现它。 在这里，您可以看到我们从此测试中 获得的一些初始测试结果。 在左侧，您可以看到压电 传感器的平均值。 然后在底部有样品编号。 您可以看到在测试的第一部分 两者之间存在非常大的差异。 模拟空气过滤器被阻挡后， 您可以看到该值急剧增加。 并且两者之间存在半同步信号。 同样在右侧，您可以看到气流监测器的 一些数据。 所以你可以看到这里，返回CFM，过滤器的 气流和平均气流。 因此，当完全没有堵塞时， 平均气流约为269.25 CFM。 但是，当我们再次出现局部阻挡时， 这与我们在左侧看到的情况相关。 您可以看到平均气流按预期 增加到632.25 CFM。 所以你可以看到它与我们在左边 看到的数据相关联。 因此，当滤波器被阻挡时， 我们会看到更高的平均值， 这是基于压电材料的更高振动频率。 在这里，我们可以看到来自 该现场测试的更多结果图。 您可以在左侧看到 我们能够从压电数据中 提取的内容。 所以我们在这里做的是 我们采用这两个振动传感器之间差分的绝对值。 从最后一张幻灯片中可以看出， 当气流堵塞时， 差异会变得非常小 而当没有气流堵塞时，差异会相当大。 话虽如此，你可以在这里看到脏滤器 和清洁过滤器。 你可以看到这两者之间的区别。 同样，你可以在右侧看到 我们是否使用常规过滤器， 我们将它留在那里并在系统启动时经常对其进行采样， 你可以看到我们得到了这样的降级。 而这个斜率是基于平均移动窗口。 这就是为什么你可以看到每一步 都变得稍长一些。 这样做是为了减少你在左图中 看到的噪音。 在这里，我们实际上能够向您 展示基于无线MCU的二次设计。 这是一个实际演示。 您可以在这里看到， 这是我们使用内联式鼓风机和过滤器进行的测试设置。 你可以在前面看到， 我们有一个恒温器/鼓风机风扇速度控制器。 最重要的是，您可以看到我们有四个LED。 第一个是蓝色， 这表明该系统具有电源。 其余部分根据当时实际进行的状态 或功能而变化。 你可以在这里看到， 我们现在处于校准模式，这意味着系统正在校准。 绿色表示系统已完全校准。 你可以在这里看到我们的压电传感器之一。 此外，那里还有一个温度传感器。 在前面，你会看到 二次压电传感器。 现在，当我们在此处使用此过滤器 并将其置于模拟过滤器堵塞时， 您将看到系统将检测到此情况 并提醒用户过滤器存在问题。 接下来，我们将开始讨论我们 用于预测性维护的第二个设计。 这是使用无线振动传感器进行监控。 因此电机驱动预测性维护。 这是什么意思？ 因此，这是监控电机的运行状况， 以便您可以通过检测所需维护 或更换的早期警告信号来防止 意外停机。 所以我们这里有一个电机分解图， 你可以看到一些问题的来源， 轴承损坏，轴承中的油转， 转子短路，电机不平衡，偏心 和失效，轴弯曲或错位， 定子松动，定子支撑松动， 以及机械松动。 因此，我们在上一张幻灯片中看到的 此类事件的预测维护， 我们有另一个参考设计TIDA-01469。 因此，该设计使用来自压电传感器的 振动测量来监控电机的健康状况， 以准确地预测和安排 维护或更换，同时最小化工业生产期间的 成本和停机时间。 您可以在左下方看到实际电路板 本身的快照。 然后在右侧， 您可以看到基于压电振动 传感器输出的FFT频谱。 您还可以检测主频率 和谐波。 这就是一个很好的单位。 因此，在压缩机或其他可能存在问题的 电动机的情况下，频谱可能会发生变化。 您可能具有更高的谐波次数。 还有其他一些事情 也可能发生。 这些将基于测试条件。 因此，如果我们更详细地看一下这个设计， 我们可以看到有三个主要的子系统块。 首先，我们有传感器。 这是压电振动传感器。 我们还有模拟前端和MCU 用于快速傅里叶变换。 我们还有电源管理器和无线节点。 因此，从左向右移动， 我们已经讨论过压电振动传感器。 我们有实际振动的放大器 和滤波器部分，使我们能够放大 此信号并根据环境消除 任何额外的噪声。 从这里我们转到ADC，它也有一个电压参考。 这进入了MCU。 我们还在此设计上具有能量收集功能， 以延长此设计的使用寿命 和电源寿命。 们还具有无线功能， 因此我们可以在需要 更换或关注时提醒用户。 在这里你可以看到这个设置。 我们实际上是在达拉斯的TI实验室中做到了这一点。 您可以在左侧看到， 我们将压缩器用作测试对象。 在右侧，您可以 看到我们如何将此TI设计的Launchpad版本 添加到实际压缩器上。 再次，这里有一些结果， 这个测试和这个设计的现场结果。 你可以在左上方看到这里， 我们实际上有传感器数据。 因此，您可以获得数据与样本的实际值。 现在，如果我们根据频率 和幅度将此频率转换为FFT， 您可以在此处看到我们的频谱。 你可以在这里看到，我们在顶部有一个大的尖峰， 我们也有其他几个谐波。 在这种情况下，我们知道这台电机的 运行方式应该如何。 所以这就是压缩机电机在频谱中的 特定标志。 因此，我们可以从中了解， 如果存在任何变化或任何幅度变化，则存在问题。 有关预测性维护设计的更多信息， 请访问ti.com/buildingautomation。